(完整word版)热力学统计物理_第四版_汪志诚_答案
1.1 试求理想气体的体胀系数α,压强系数β和等温压缩系数κT 。
解：已知理想气体的物态方程为,pV nRT = 由此易得11
,p V nR V T pV T
α???=
== ?
??? 11,V p nR p T pV T β???=
== ???? 2111
.T T V nRT V p V p p
κ???????=-=--= ? ? ????????
1.2 证明任何一种具有两个独立参量,T p 的物质，其物态方程可由实验测得的体胀系数α及等温压缩系数κT ，根据下述积分求得：()ln T V =
αdT κdp -?如果1
1
,T T p
ακ==
，试求物态方程。 解：以,
T p 为自变量，物质的物态方程为(),,V V T p =
其全微分为.p T V V dV dT dp T p ??????
=+ ?
??????? （1）全式除以V ，有11.p T
dV V V dT dp V V T V p ??????=+ ? ?
??????根据体胀系数α和等温压缩系数T κ的定义，可将上式改写为
.T dV
dT dp V
ακ=-
（2）上式是以,T p 为自变量的完整微分，沿一任意的积分路线积分，有()ln .T
V dT dp ακ=
-? （3） 若
11,T T p ακ=
=，式（3）可表为11ln .V dT dp T
p ??
=- ???? （4）选择图示的积分路线，从00(,)T p 积分到()0,T p ，再积分到（,T p ），相应地体积由0V 最终变到V ，有000
l n
=l n l n ,V T p
V T p -即000p V pV C T T ==（常量），或.pV CT =(5) 式（5）就是由所给11
,T T p
ακ==求得的物态方程。 确定常量C 需要进一步的实验数据。
1.3 简单固体和液体的体胀系数α和等温压缩系数T κ数值都很小，在一定温度范围内可以把α和T κ看作常量. 试证明简单固体和液体的物态方程可近似为()()000(,),01.T V T p V T T T p ακ=+--???? 解: 以,T p 为状态参量，物质的物态方程为(),.V V T p =根据习题1.2式（2），有
.T dV
dT dp V
ακ=- （1）将上式沿习题1.2图所示的路线求线积分,在α和T κ可以看作常
量
的
情
形
下
，
有
()()000
ln
,T V
T T p p V ακ=---（2）或
()()()()
0000,,.T T T p p V T p V T p e
ακ---=（3）考虑到α和T κ的数值很小，将指数函数展开，
准确到α和T κ的线性项，有()()()()0000,,1.T V T p V T p T T p p ακ=+---????（4） 如果取00p =，即有()()()00,,01.T V T p V T T T p ακ=+--????（5）
1.7 小匣题解：将冲入小匣的气体看作系统。系统冲入小匣后的内能U 与其原来在大气中的内能0
U 由式（1.5.3）0U U W Q -=+
（1）确定。由于过程进行得很迅速，过程中系统与外界没有热量交换，0.Q = 过程中外界对系统所做的功可以分为1W 和2W 两部分来考虑。一方面，大气将系统压入小匣，使其在大气中的体积由0V 变为零。由于小匣很小，在将气体压入小匣的过程中大气压强0p 可以认为没有变化，即过程是等压的（但不是准静态的）。过程中大气对系统所做的功为1000.W p V p V =-?=
另一方面，小匣既抽为真空，系统在冲入小匣的过程中不受外界阻力，与外界也就没有功交换，则20.W =因此式（1）可表为000.U U p V -=
（2）如果气体是理想气体，根据式（1.3.11）和（1.7.10），有00,p V nRT =（3）
000()()1
V nR
U U C T T T T γ-=-=
-- （4）式中n 是系统所含物质的量。代入式（2）即有0.T T γ=（5） 活门是在系统的压强达到0p 时关上的，所以气体在小匣内的压强也可看作0p ，其物态方程为00.p V nR T γ=（6）与式（3）比较，知 0.V V γ= （7）
1.8 满足n
pV C =的过程称为多方过程，其中常数n 名为多方指数。试证明：理想气体在多方过程中的热容量n C 为 1
n V n C C n γ
-=
- 解：根据式（1.6.1），多方过程中的热容量
0lim .n T n n
n
Q U V C p T T T ?→?????????==+ ? ? ?????????? （1）对于理想气体，内能U 只是温度T 的函数， ,V n U C T ???= ????所以.n V n
V C C p T ???=+ ???? （2）将多方过程的过程方程式n
pV C =与理想气体的物
态方程联立，消去压强p 可得1
1n TV
C -=（常量）。 （3）将上式微分，有12
(1)0,
n n V dT n V TdV --+-=所以.(1)n
V V T n T ???
=-
??-?? （4）代入式（2），即得,(1)1n V V pV n C C C T n n γ-=-=-- (5)其中用了式（1.7.8）和（1.7.9）。
1.9 试证明：理想气体在某一过程中的热容量
n
C 如果是常数，该过程一定是多方过程，多方指数
n p n V
C C n C C -=
-。假设气体的定压热容量和定容热容量是常量。
解：根据热力学第一定律，有??.dU Q W =+ （1） 对于准静态过程有?,W pdV =- 对
理想气体有,V dU C dT =气体在过程中吸收的热量为 ?,n Q C d T =因此式（1）可表为 ().n V C C dT pdV -= （2）用理想气体的物态方程pV vRT =除上式，并注意,p V C C vR -=可
得()
().n V p V dT dV
C C C C T V
-=-
（3）将理想气体的物态方程全式求微分，有.dp dV dT p V T += （4） 式（3）与式（4）联立，消去
dT
T
，有 ()()0.n V n p dp dV
C C C C p V -+-= （5） 令n p n V
C C n C C -=-， 可将式（5）
表为
0.dp dV n p V
+= （6） 如果,p V C C 和n C 都是常量，将上式积分即得n pV C =（常量）。 （7） 式（7）表明，过程是多方过程。
1.10 声波在气体中的传播速度为
s p αρ??
?= ????假设气体是理想气体，其定压和定容热容量是常量，试证明气体单位质量的内能u 和焓h 可由声速及γ给出：()
2
1a a u u h h γγγ=+=+-2
00,
-1
其中00,u h 为常量。
解：根据式（1.8.9），声速a 的平方为2
v,a p γ= （1） 其中v 是单位质量的气体体积。理想气体的物态方程可表为
,m
pV RT m +=
式中m 是气体的质量，m +是气体的摩尔质量。 对于单位质量的气体，有 1v ,p RT m += （2）代入式（1）得 2.a RT m γ
+=（3）以,u h 表示理想气体的比
内能和比焓（单位质量的内能和焓）。 由式（1.7.10）—（1.7.12）知
0,1RT m u m u γ++=
+- 0.1
RT
m h m h γγ++=+- （4）将式（3）代入，即有 20,(1)a u u γγ=+-2
0.1
a h h γ=+- （5） 式（5）表明，如果气体可以看作理想气体，测
定气体中的声速和γ即可确定气体的比内能和比焓。
1.11大气温度随高度降低的主要原因是在对流层中的低处与高处之间空气不断发生对流，由于气压随高度而降低，空气上升时膨胀，下降时收缩，空气的导热率很小，膨胀和收缩的过程可以认为是绝热过程，试计算大气温度随高度的变化率
dT
dz
，并给出数值结果。 解：取z 轴沿竖直方向（向上）。以()p z 和()p z dz +分别表示在竖直高度为z 和z dz +处的大气压
强。 二者之关等于两个高度之间由大气重量产生的压强，即 ()()(),p z p z dz z gdz ρ=++ （1）式中()z ρ是高度为z 处的大气密度，g 是重力加速度。 将()p z dz +展开，有
()()(),d p z dz p z p z dz dz +=+
代入式（1），得()().d
p z z g dz
ρ=-（2）式（2）给出由于重力的存在
导致的大气压强随高度的变化率。以m +
表大气的平均摩尔质量。 在高度为z 处，大气的摩尔体积为()m z ρ+，则物态方程为()(),()m p z RT z z ρ+
= （3）()T z 是竖直高度为z 处的温度。 代入式（2），消
去()z ρ得()().()d m g
p z p z dz RT z +=- (4）由式（1.8.6）易得气体在绝热过程中温度随压强的变化率为、1.S T T p p γγ???-= ???? （5）综合式（4）和式（5），有()1().S d T d m g
T z p z dz p dz
R γγ+???-==- ?
???（6）大气的1.41γ=（大气的主要成分是氮和氧，都是双原子分子），平均摩尔质量为
312
2910k g m o l ,9.8m s m g +---=??=?，代入式（6）得()110K k m .
d T z dz -=-? （7）式（7）表明，每升高1km ，温度降低10K 。 这结果是粗略的。由于各种没有考虑的因素，实际每升高1km ，大气温度降低6K 左右。
1.12 假设理想气体的p V C C γ和之比是温度的函数，试求在准静态绝热过程中T V 和的关系，该关系式中要用到一个函数()F T ，其表达式为
()
ln ()1dT
F T T γ=?
-
解：根据式（1.8.1），理想气体在准静态绝热过程中满足0.V C dT pdV += 用物态方程pV nRT =除上式，第一项用nRT 除，第二项用pV 除，可得
0.V C dT dV
nRT V
+= （2）利用式（1.7.8）和（1.7.9）
，,,
p V p V
C C nR C C γ-==可将式（2）改定为
10.1dT dV T V γ+=- （3）将上式积分，如果γ是温度的函数，定义1ln (),1dT
F T T γ=-? （4）可得
1ln ()ln F T V C +=（常量）， (5)或()F T V C =（常量）。 （6）
式（6）给出当γ是温度的函数时，理想气体在准静态绝热过程中T 和V 的关系。 1.13 利用上题的结果证明：当γ为温度的函数时，理想气体卡诺循环的效率仍为2
1
1.T T η=-
解：在γ是温度的函数的情形下，§1.9就理想气体卡诺循环得到的式（1.9.4）—（1.9.6）仍然成立，即仍有
2111ln
,V Q RT V = （1） 3224ln ,V Q RT V = （2）32121214
ln ln .V V
W Q Q RT RT V V =-=- （3）
根据 1.13题式（6），对于§1.9中的准静态绝热过程（二）和（四），有1223()(),F T V F T V = （4）
2411()(),F T V F T V = （5）从这两个方程消去1()F T 和2()F T ，得
3214,V V V V = （6） 故2121
()ln ,V
W R T T V =- （7）所以在γ是温度的函数的情形下，理想气体卡诺循环的效率仍为211
1.T W
Q T η=
=- （8） 1.14试根据热力学第二定律证明两条绝热线不能相交。
解：假设在p V -图中两条绝热线交于C 点，如图所示。设想一等温线与两条绝热线分别交于A 点和B 点（因为等温线的斜率小于绝热线的斜率，这样的等温线总是存在的），则在循环过程ABCA 中，系统在等温过程AB 中从外界吸取热量Q ，而在循环过程中对外做功W ，其数值等于三条线所围面积（正值）。循环过程完成后，系统回到原来的状态。根据热力学第一定律，有W Q =。这样一来，系统在上述循环过程中就从单一热源吸热并将之完全转变为功了，这违背了热力学第二定律的开尔文说法，是不可能的。 因此两条绝热线不可能相交。
1.15 热机在循环中与多个热源交换热量，在热机从其中吸收热量的热源中，热源的最高温度为1T ，在热机向其放出热量的热源中，热源的最低温度为2T ，试根据克氏不等式证明， 热机的效率不超过2
1
1.T T -
解：根据克劳修斯不等式（式（1.13.4）），有
0,i
i i
Q T ≤∑ （1）式中i Q 是热机从温度为i T 的热源吸取的热量（吸热i Q 为正，放热i Q 为负）。 将热量重新定义，可将式（1）改写为
0,j
k
j
k
j
k
Q Q T
T -≤∑∑
（2）式中j Q 是热机从热源j T 吸取的热量，k Q 是热机在热源k T 放出的热量，j Q ，k Q 恒正。 将式（2）改写为
.j
k
j
k
j
k
Q Q T
T ≤∑∑
（3）假设热机从其中吸取热量的热源中，热源的最高温度为1T ，在热机向其放出热量的热源中，热源的最低温度为2T ，必有
121
,1
,
j j
j j j k k k k
k
Q Q T T Q Q T T ≤≤∑∑∑∑故由式（3）得
12
11
.j k
j k Q Q T T ≤∑∑ （4）定义1j
j
Q Q
=∑为热机在过程中吸取的总热量，2k
k
Q Q
=
∑为
热机放出的总热量，则式（4）可表为
1212,Q Q T T ≤（5）或 2211
.T Q
T Q ≤（6）根据热力学第
一定律，热机在循环过程中所做的功为12.W Q Q =- 热机的效率为
2211
11.Q T W
Q Q T η=
=-≤- （7） 1.16 理想气体分别经等压过程和等容过程，温度由1T 升至2T 。 假设γ是常数，试证明前者的熵增加值为后者的γ倍。
解：根据式（1.15.8），理想气体的熵函数可表达为0ln ln .p S C T nR p S =-+（1） 在等压过程中温度由1T 升到2T 时，熵增加值p S ?为
2
1
ln
.p p T S C T ?= （2）根据式（1.15.8），理想气体的熵函数也可表达为0ln ln .V S C T nR V S =++ （3）在等容过程中温度由1T 升到2T 时，熵增加值V S ?为
2
1ln
.V V T S C T ?=（4）所以.p p V V
S C S C γ?==? （5） 1.17 温度为0C 的1kg 水与温度为100C 的恒温热源接触后，水温达到100C 。试分别求水和热源的熵变以及整个系统的总熵变。欲使参与过程的整个系统的熵保持不变，应如何使水温从0C 升至
100C ？已知水的比热容为114.18J g K .--??
解：0C 的水与温度为100C 的恒温热源接触后水温升为100C ，这一过程是不可逆过程。为求水、热源和整个系统的熵变，可以设想一个可逆过程，它使水和热源分别产生原来不可逆过程中的同样变化，通过设想的可逆过程来求不可逆过程前后的熵变。为求水的熵变，设想有一系列彼此温差为无穷小的热源，其温度分布在0C 与100C 之间。令水依次从这些热源吸热,使水温由0C 升至100C 。在这可逆过程中,水的熵变为
373
31273
373373
ln
10 4.18ln 1304.6J k .273273
p p mc dT S mc T
-?===??=??
水 （1） 水从0C 升温至100C 所吸收的总热量Q 为35
10 4.18100 4.1810J.p Q mc T =?=??=?
为求热源的熵变，可令热源向温度为100C 的另一热源放出热量Q 。在这可逆过程中，热源的熵变为
514.18101120.6J K .373
S -??=-=-?热源
（2）由于热源的变化相同，式（2）给出的熵变也就是
原来的不可逆过程中热源的熵变。则整个系统的总熵变为1
184J K .S S S -?=?+?=?总水热源 (3) 为使水温从0C 升至100C 而参与过程的整个系统的熵保持不变，应令水与温度分布在0C 与
100C 之间的一系列热源吸热。水的熵变S ?水仍由式（1）给出。这一系列热源的熵变之和为
373
1273
1304.6J K .p mc dT S T
-?=-=-??
热源 （4）参与过程的整个系统的总熵变0.S S S ?=?+?=总水热源
1.18 10A 的电流通过一个25Ω的电阻器，历时1s 。（a ）若电阻器保持为室温27C ，试求电阻器的熵增加值。（b ）若电阻器被一绝热壳包装起来，其初温为27C ，电阻器的质量为10g ，比热容p c 为
110.84J g K ,--?? 问电阻器的熵增加值为多少？
解：（a ）以,T p 为电阻器的状态参量。设想过程是在大气压下进行的，如果电阻器的温度也保持为室温27C 不变，则电阻器的熵作为状态函数也就保持不变。
（b ）如果电阻器被绝热壳包装起来，电流产生的焦耳热Q 将全部被电阻器吸收而使其温度由i T 升为f T ，所以有2f i (),p mc T T i Rt -=故
22f i 23
10251300600K.100.4810
p i Rt T T mc -??=+=+≈??电阻器的熵变可参照§1.17例二的方法求出，为 f
i
231f i 600
ln
100.8410ln 5.8J K .300
T p p T mc dT T S mc T
T --?===??=??
1.19 均匀杆的温度一端为1T ，另一端为2T ，试计算达到均匀温度()121
2
T T +后的熵增。
解：以L 表示杆的长度。杆的初始状态是0l =端温度为2T ，l L =端温度为1T ，温度梯度为12
T T L
-（设12T T >）。 这是一个非平衡状态。通过均匀杆中的热传导过程，最终达到具有均匀温度()121
2
T T +的平衡状态。为求这一过程的熵变，我们将杆分为长度为dl 的许多小段，如图所示。位于l 到l dl +的小段，初温为
122.T T T T l L -=+
（1）这小段由初温T 变到终温()121
2
T T +后的熵增加值为 12
12
21222ln ,T T l p p T T T dT dS c dl c dl T T T T l
L
++==-+? （2）其中p c 是均匀杆单位长度的定压热容量。 根据熵的可加性，整个均匀杆的熵增加值为
()
121
22012121212222120
12
1122121212112212ln ln 2ln ln 2ln ln ln 2ln ln ln 12l
L p L
p p p p p S dS
T T T T c T l dl L c T T T T T T T T c L T l T l T l T T L L L L c L T T c L T T T T T T T T T T T T T T C T T ?=
?+-?
??=-+ ???????
+?---?
??????=-++-+ ? ? ???-????????+=---+-+-=-+-??.
??
???
（3） 式中p p C c L =是杆的定压热容量。
2.1 已知在体积保持不变时，一气体的压强正比于其热力学温度. 试证明在温度保质不变时，该气体
的熵随体积而增加.
解：根据题设，气体的压强可表为 (),p f V T
= （1） 式中()f V 是体积V 的函数. 由自由能的全微分dF SdT pdV =--得麦氏关系
.T V S p V T ??????= ? ???????（2）将式（1）代入，有().T V
S p p f V V T T ??????=== ? ??????? （3） 由于0,0p T >>，故有0T
S V ???
>
????. 这意味着，在温度保持不变时，该气体的熵随体积而增加. 2.2 设一物质的物态方程具有以下形式：(),p f V T =试证明其内能与体积无关.
解：根据题设，物质的物态方程具有以下形式：(),p f V T = （1）故有
().V
p f V T ???
= ???? （2）但根据式（2.2.7），有,T V U p T p V T ??????=- ? ??????? (3) 所以 ()0.T
U Tf V p V ???
=-= ???? （4）这就是说，如果物质具有形式为（1）的物态方程，则物质的内能与体积无关，只是温度T 的函数.
2.3 求证：()0;H
S a p ???<
???? ()0.U S b V ???
> ????
解：焓的全微分为.dH TdS Vdp =+ （1）令0dH =，得0.H
S V
p T ???=-<
?
???（2）内能的全微分为.dU TdS pdV =- （3）令0dU =，得
0.U
S p V T ???
=>
???? （4）
2.4 已知0T U V ???
=
????，求证0.T
U p ???= ???? 解：对复合函数(,)(,(,))U T P U T V T p = （1） 求偏导数，有
.T T T U U V p V p ?????????= ? ? ??????????（2）如果0T U V ???
= ????，即有0.T
U p ???= ????（3） 式（2）也可以用雅可比行列式证明：
(,
)(,)(,)(,)(,
)(,)
T
U U T p p T U T V T V T p T ????= ???????=
?? .T T
U V V p ??
????= ?
??????? 2.8 实验发现，一气体的压强p 与体积V 的乘积以及内能U 都只是温度的函数，即
(),
().
pV f T U U T ==试根据热力学理论，讨论该气体的物态方程可能具有什么形式.
解：根据题设，气体具有下述特性：(),pV f T = （1）().U U T = （2） 由式（2.2.7）和式（2），有
0.T V U p T p V T ??????=-= ? ???????（3）而由式（1）可得.V p T df T T V dT
???
= ?
???（4）将式（4）代入式（3），有
,df
T
f dT
=或.df dT f T = （5）积分得ln ln ln ,f T C =+或,pV CT = （6） 式中C 是常量. 因此，如果气体具有式（1），（2）所表达的特性，由热力学理论知其物态方程必具有式（6）的形式. 确定常量C 需要进一步的实验结果.
2.10 证明范氏气体的定容热容量只是温度T 的函数，与比体积无关. 解：根据习题2.8式（2）
22,V T V
C p T V T ??????
= ? ??????? （1）范氏方程（式（1.3.12）
）可以表为22.nRT n a p V nb V =--（2） 由于在V 不变时范氏方程的p 是T 的线性函数，所以范氏气体的定容热容量只是T 的函数，与比体积无关.不仅如此，根据2.8题式（3）
0202(,)(,),V
V V V V
p C T V C T V T dV T ??
?=+ ????? （3） 我们知道，V →∞时范氏
气体趋于理想气体. 令上式的0V →∞，式中的0(,)V C T V 就是理想气体的热容量. 由此可
知，范氏气体和理想气体的定容热容量是相同的.顺便提及，在压强不变时范氏方程的体积V
与温度T 不呈线性关系. 根据2.8题式（5）2
2,V T V
C p V T ??
????= ? ??????? （2）这意味着范氏气体
的定压热容量是,T p 的函数.
2.15 计算热辐射在等温过程中体积由1V 变到2V 时所吸收的热量.
解：根据式（1.14.3），在可逆等温过程中系统吸收的热量为.Q T S =? （1） 式（2.6.4）给出了热辐射的熵函数表达式
3
4.3S aT V =
（2） 所以热辐射在可逆等温过程中体积由1V 变到2V 时所吸收的热量为 ()4214
.3
Q aT V V =- （3）
2.19 已知顺磁物质遵从居里定律： ().C
M H T =居里定律若维物质的温度不变，使磁场由0增至
H ，求磁化热
.解：式（1.14.3）给出，系统在可逆等温过程中吸收的热量Q 与其在过程中的熵增加值?S 满足.Q T S =? （1）在可逆等温过程中磁介质的熵随磁场的变化率为（式（2.7.7）
） 0.T H
S m H T μ??????
= ? ???????（2）如果磁介质遵从居里定律(),CV m H C T =是常量（3知 2H m CV H T T ???=- ????, （4）所以0.T
CV H S H T μ???=- ????2
（5）在可逆等温过程中磁场由0增至H 时，磁介质的熵变为
202
.2H
T
CV H S S dH H T μ???
?==- ?????
（6）吸收的热量为20.2CV H Q T S T μ=?=- （7） 3.3 试由0V C >及0T p V ???<
????证明0p C >及0.S
p V ???
< ????
解：式（2.2.12）给出
2
.p V T
VT C C ακ-=
（1）稳定性条件（3.1.14）给出 0,0,V T
p C V ???>< ???? （2）
其中第二个不等式也可表为
10,T T
V V p κ??
?=-> ???? （3）故式（1）右方不可能取负值. 由此可知0,p V C C ≥> (4）
第二步用了式（2）的第一式.根据式（2.2.14），有
.S S V
T p T
V p C C V
p κκ??? ?
???==??? ???? （5）因为V p C C 恒正，且1V p C C ≤，故0,S T
V V p p ??????≤< ? ??????? （6） 第二步用了式（2）的第二式.
3.16 将范氏气体在不同温度下的等温线的极大点N 与极小点J 联起来，可以得到一条曲线NCJ ，如图
所示. 试证明这条曲线的方程为()3
2,m m pV a V b =-并说明这条曲线划分出来的三个区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的
含义.
解：范氏方程为
2.m m RT a p V b V =
-- （1）求偏导数得()23
2.m m T
m p RT a
V V V b ???=-+ ??-?? （3）等温线的极大点N 与极小点J 满足0,m T p V ???= ????即()23
2,m
m RT a
V V b =-或()()32.m m m RT a V b V b V =-- （3） 将式（3）与式（1）联立，即有
()322,m m m
a a p V
b V V =
--或()3
2m m m pV a V b aV =--()2.m a V b =- （4）式（4）就是曲线NCJ 的方程.图中区域Ⅰ中的状态相应于过热液体；区域Ⅲ中的状态相应于过饱和蒸气；区域Ⅱ中的状态是不能实现的，因为这些状态的0m T
p V ??
?> ????，不满足平衡稳定性的要求.
热力学与统计物理第二章知识总结
§2.1内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分 热力学函数中的物态方程、内能和熵是基本热力学函数，不仅因为它们对应热力学状态描述第零定律、第一定律和第二定律，而且其它热力学函数也可以由这三个基本热力学函数导出。 焓：自由能： 吉布斯函数： 下面我们由热力学的基本方程(1) 即内能的全微分表达式推导焓、自由能和吉布斯函数的全微分 焓、自由能和吉布斯函数的全微分 o焓的全微分 由焓的定义式，求微分，得， 将（1）式代入上式得(2) o自由能的全微分 由得 (3) o吉布斯函数的全微分 (4)
从方程（1）（2）（3）（4）我们容易写出内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分dU，dH，dF，和dG独立变量分别是S，V；S，P；T，V和T，P 所以函数U（S，V），H（S，P），F（T，V），G（T，P）就是我们在§2.5将要讲到的特性函数。下面从这几个函数和它们的全微分方程来推出麦氏关系。 二、热力学（Maxwell）关系(麦克斯韦或麦氏) (1)U（S，V） 利用全微分性质（5） 用（1）式相比得（6） 再利用求偏导数的次序可以交换的性质，即 （6）式得（7） （2） H（S，P） 同（2）式相比有 由得（8） （3） F（T，V）
同（3）式相比 （9） （4） G（T，P） 同（4）式相比有 （10） （7），（8），（9），（10）式给出了热力学量的偏导数之间的关系，称为麦克斯韦（J.C.Maxwell）关系，简称麦氏关系。它是热力学参量偏导数之间的关系，利用麦氏关系，可以从以知的热力学量推导出系统的全部热力学量，可以将不能直接测量的物理量表示出来。例如，只要知道物态方程，就可以利用（9），（10）式求出熵的变化，即可求出熵函数。 §2.2麦氏关系的简单应用 证明 1. 求 选T,V为独立变量，则内能U（T,V）的全微分为 （1） 熵函数S(T,V)的全微分为( 2)
热力学统计物理试题及其完整答案版
《热力学统计物理》试题参考解答及评分标准 一、1. B, 2. B, 3. A, 4. D, 5. B, 6. A, 7. C, 8. C, 9. A, 10. A. 评分标准：本题共20分， 每个答案2分。 二、 1. 状态， 2. 态， 系统从外界吸收， 3. p -, 4. ω )21(+ n , ,2,1,0=n , 5. l e a l l βεαω--=, 6. 0, 7. T V F )(??-, 8. 负温度状态, 9. n p T G ,)(??-， 10. n p S H ,)(??。 评分标准：本题共20分， 每个答案2分。 三、 1. 正确。 理由：pdV SdT dF --=。 2. 错误。 理由：T V F p ??? ????-=。 3. 错误。 理由：自由粒子为不受外力的作用而作自由运动的粒子。 4. 错误。 理由：组成玻色系统和费米系统的粒子是不可分辨的，而组成玻耳兹曼系统的 粒子是可以分辨的。 评分标准：每小题2.5分。其中判断1分，理由1.5分。 四、1．证: 由正则分布Es s e Z βρ-=1，得 s s E Z βρ--=ln ln . （1） 将上式代入广义熵的表示式，得 ]ln [ln ][ln ββ β??-=+=Z Z k U Z k . （2） 上式即正则系综中系统熵的表示式。 或者，由正则分布中熵的表示式出发 ][ln s s s E Z k βρ+=∑, （3） 利用（1）式，由上式得熵的普遍表示式 ∑-=s s s k S ρρln . (4) 评分标准：（1），（2）式各5分。 2. 证明：理想气体的热容量为n C ，则?dT C Q n =。由热力学第一定律得 pdV dT C dT C V n +=, 0)(=--pdV dT C C V n . (1) 将理想气体状态方程RT pV =微分，有
热力学统计物理 课后习题 答案
第一章 热力学的基本规律 1.1 试求理想气体的体胀系数α,压强系数β与等温压缩系数κT 。 解:已知理想气体的物态方程为nRT pV = 由此得到 体胀系数T pV nR T V V p 1 1== ??? ????= α, 压强系数T pV nR T P P V 1 1== ??? ????= β 等温压缩系数p p nRT V p V V T 1 )(112=-?? ? ??=???? ????- =κ 1.2证明任何一种具有两个独立参量T,P 的物质,其物态方程可由实验测量的体胀系数与等温压缩系数,根据下述积分求得()? -=dp dT V T καln ,如果P T T 1 ,1 = =κα,试求物态方程。 解: 体胀系数 p T V V ??? ????= 1α 等温压缩系数 T T p V V ???? ????-=1κ 以T,P 为自变量,物质的物态方程为 ()p T V V ,= 其全微分为 dp V dT V dp p V dT T V dV T T p κα-=? ??? ????+??? ????= dp dT V dV T κα-= 这就是以T,P 为自变量的完整微分,沿一任意的积分路线积分,得 ()?-=dp dT V T καln 根据题设 , 若 p T T 1,1== κα ????? ? ?-=dp p dT T V 11ln 则有 C p T V +=ln ln , PV=CT 要确定常数C,需要进一步的实验数据。 1.4描述金属丝的几何参量就是长度L,力学参量就是张力￡,物态方程就是(￡,L,T)=0,实验通常
在大气压下进行,其体积变化可以忽略。线胀系数定义为F T L L ??? ????= 1α ,等温杨氏模量定义为T L F A L Y ??? ????= ,其中A 就是金属丝的截面。一般来说,α与Y 就是T 的函数,对￡ 仅有微弱的依赖关系。如果温度变化范围不大,可以瞧作常数。假设金属丝两端固定。试证明,当温度由T1降至T2时,其张力的增加为)T -(T -Y A ￡12α=?。 解: f (￡,L,T)=0 ,￡=F￡(L,T) dT T dL L dT T d L T L ??? ????-??? ????+??? ????=￡￡￡￡ (dL=0) 1￡￡-=??? ??????? ??????? ????T F L L L T T αα YA L AY L L T L T T F L -=-=??? ??????? ????-=??? ????￡￡ dT YA d α-=￡ 所以 )T -(T -Y A ￡12α=? 1.6 1mol 理想气体,在27o C 的恒温下发生膨胀,其压强由20P n 准静态地降到1P n ,求气体所做 的功与所吸收的热量。 解:将气体的膨胀过程近似瞧做准静态过程。 根据? -=VB VA pdV W , 在准静态等温过程中气体体积由V A 膨胀到VB,外界对气体所做的功为 A B A B VB VA VB VA P P RT V V RT V dV RT pdV W ln ln -=-=-=-=? ? 气体所做的功就是上式的负值, - W =A B P P RT ln -= 8、31?300?ln20J= 7、47?10-3J 在等温过程中理想气体的内能不变,即?U=0 根据热力学第一定律?U=W+Q, 气体在过程中吸收的热量Q 为 Q= - W = 7、47?10-3J 1、7 在25o C 下,压强在0至1000pn 之间,测得水的体积为 V=18、066-0、715?10-3P+0、046?10-6P 2cm 3?mol -1 如果保持温度不变,将1mol 的水从1pn 加压至1000pn,求外界所作的功。 解:将题中给出的体积与压强的关系记为 V=A+BP+CP 2 由此得到 dV=(B+2CP)dP 保持温度不变,将1mol 的水从1Pn 加压至1000Pn,在这个准静态过程中,外界所作的功为
热力学统计物理各章重点总结..
第一章 概念 1.系统：孤立系统、闭系、开系 与其他物体既没有物质交换也没有能量交换的系统称为孤立系； 与外界没有物质交换，但有能量交换的系统称为闭系； 与外界既有物质交换，又有能量交换的系统称为开系； 2.平衡态 ~ 平衡态的特点：1.系统的各种宏观性质都不随时间变化；2.热力学的平衡状态是一种动的平衡，常称为热动平衡；3.在平衡状态下，系统宏观物理量的数值仍会发生或大或小的涨落；4.对于非孤立系，可以把系统与外界合起来看做一个复合的孤立系统，根据孤立系统平衡状态的概念推断系统是否处在平衡状态。 3.准静态过程和非准静态过程 准静态过程：进行得非常缓慢的过程，系统在过程汇总经历的每一个状态都可以看做平衡态。 非准静态过程，系统的平衡态受到破坏 4.内能、焓和熵 。 内能是状态函数。当系统的初态A和终态B给定后，内能之差就有确定值，与系统由A到达B所经历的过程无关; 表示在等压过程中系统从外界吸收的热量等于态函数焓的增加值。这是态函数焓的重要特性 克劳修斯引进态函数熵。定义: 5.热容量：等容热容量和等压热容量及比值<
定容热容量: 定压热容量: 6.循环过程和卡诺循环 循环过程（简称循环）：如果一系统由某个状态出发，经过任意一系列过程，最后回到原来的状态，这样的过程称为循环过程。系统经历一个循环后，其内能不变。 理想气体卡诺循环是以理想气体为工作物质、由两个等温过程和两个绝热过程构成的可逆循环过程。 7.。 8.可逆过程和不可逆过程 不可逆过程：如果一个过程发生后,不论用任何曲折复杂的方法都不可能使它产生的后果完全消除而使一切恢复原状。 可逆过程：如果一个过程发生后，它所产生的后果可以完全消除而令一切恢复原状。 8.自由能：F和G （ 定义态函数：自由能F，F＝U－TS 定义态函数：吉布斯函数G，G=U-TS+PV，可得GA－GB－W1 定律及推论
热力学与统计物理试题及答案
热力学与统计物理试题及 答案 Revised by BLUE on the afternoon of December 12,2020.
一．选择（25分 ） 1.下列不是热学状态参量的是（ ） A.力学参量 B 。几何参量 C.电流参量 D.化学参量 2.下列关于状态函数的定义正确的是（ ) A.系统的吉布斯函数是：G=U-TS+PV B.系统的自由能是：F=U+TS C.系统的焓是：H=U-PV D.系统的熵函数是：S=U/T 3.彼此处于热平衡的两个物体必存在一个共同的物理量，这个物理量就是（ ） A.态函数 B.内能 C.温度 D.熵 4.热力学第一定律的数学表达式可写为（ ） A.W Q U U A B +=- B.W Q U U B A +=- C.W Q U U A B -=- D.W Q U U B A -=- 5.熵增加原理只适用于（ ） A.闭合系统 B.孤立系统 C.均匀系统 D.开放系统
二．填空（25分） 1.孤立系统的熵增加原理可用公式表示为（）。 2.热力学基本微分方程du=（）。 3.热力学第二定律告诉我们，自然界中与热现象有关的实际过程都是（）。 4.在S.V不变的情况下，平衡态的（）最小。 5.在T.VB不变的情形下，可以利用（）作为平衡判据。 三.简答（20分） 1.什么是平衡态平衡态具有哪些特点 2. 3.什么是开系，闭系，孤立系？ 四.证明（10分） 证明范氏气体的定容热容量只是温度的函数,与比容无关 五．计算（20分） 试求理想气体的体胀系数α，压强系数β，等温压缩系数 T K
参考答案 一.选择 1~5AACAB 二.填空 1. ds≧0 2. Tds-pdv 3. 不可逆的 4. 内能 5. 自由能判据 三．简答 1.一个孤立系统，不论其初态如何复杂，经过足够长的时间后，将会达到这样状态，系统的各种宏观性质在长时间内不发生变化，这样的状态称为热力学平衡态。特点：不限于孤立系统 弛豫时间 涨落 热动平衡 2.开系：与外界既有物质交换，又有能量交换的系统
热力学统计物理试题(B卷)
热力学·统计物理试题（B 卷） 适用于200×级本科物理学专业 (200×-200×学年度第×学期) 1. (10分) 证明范氏气体的定容热容量只是温度的函数,与比容无关. 2. (20分) 试证明，相变潜热随温度的变化率为 βp c dT dL =-α p c -+T L αβαβv v L T v T v p p -??? ????????? ????-???? ? ??? 如果β相是气相，α相是凝聚相，试证明上式可简化为： α βp p c c dT dL -= 3．(10分) 若将U 看作独立变数T , V , n 1,… n k 的函数，试证明： （1）V U V n U n U i i i ??+??=∑ （2）V U v n U u i i i ??+??= 4．（20分） 试证明，对于遵从玻尔兹曼分布的系统，熵函数可以表示为 ∑-=s Ps Ps Nk S ln 式中P s 是总粒子处于量子态s 的概率，1Z e N e P s s s βεβεα---= =,∑s 对粒子的所有量子态求和。 5．（20分） 铁磁体中的自旋波也是一种准粒子,遵从玻色分布,色散关系是 2Ak =ω.试证明在低温下,这种准粒子的激发所导致的热容与2/3T 成正比. 6．（20分） 在极端相对论情形下电子能量与动量的关系为cp =ε,其中c 为光速.试求自由电子气体在0K 时的费米能量,内能和简并压.
附标准答案 1. (10分) 解证：范氏气体()RT b v v a p =-??? ? ? +2
由式(2.2.7)? T v U ??? ????=T V T p ??? ????-p =T 2 v a p b v R =-- (5分) T v U ??? ????=2v a ?)(),(0T f v a U v T U +-= =V C V T U ??? ????=)(T f ' ；与v 无关。 (5分) 2．(20分) 证明：显然属于一级相变; ()())(αβS S T L -=; 其中())(,T p T S S =， 在p ～T 相平衡曲线上. ()[]??? ? ??????+??? ?????+-=dT dp p S T T S T S S dT dL αβ 其中：=??? ?????T S () P T S ???? ????β()P T S ???? ????-α =???? ??????dT dp p S [()P T S ???? ????β()P T S ? ??? ????-α]dT dp ? (5分) 又有：T C P =P T S ??? ????；()())(αβS S T L -= 由麦氏关系(2.2.4): -=???? ????T p S P T V ??? ???? （5分） 上几式联立(并将一级相变的克拉伯珑方程代入)得： βp c dT dL =-α p c -+T L αβαβv v L T v T v p p -??? ????????? ????-???? ? ??? (5分) 若β相是气相，α相是凝聚相；() αV ～0；()p T V ???? ???α～0； β相按理想气体处理。pV=RT ?α βp p c c dT dL -= (5分) 3．（10分） 证明：（1） ),,,(),,,(11k k n n V T U n n V T U ΛΛλλλλ=
热力学与统计物理第三章知识总结
§3.1 热动平衡判据 当均匀系统与外界达到平衡时，系统的热力学参量必须满足一定的条件，称为系统的平衡条件。这些条件可以利用一些热力学函数作为平衡判据而求出。下面先介绍几种常用的平衡判据。 oisd一、平衡判据 1、熵判据 熵增加原理，表示当孤立系统达到平衡态时，它的熵增加到极大值，也就是说，如果一个孤立系统达到了熵极大的状态，系统就达到了平衡态。于是，我们就能利用熵函数的这一性质来判定孤立系统是否处于平衡态，这称为熵判据。孤立系统是完全隔绝的，与其他物体既没有热量的交换，也没有功的交换。如果只有体积变化功，孤立系条件相当与体积不变和内能不变。 因此熵判据可以表述如下：一个系统在体积和内能不变的情形下，对于各种可能的虚变动，平衡态的熵最大。在数学上这相当于在保持体积和内能不变的条件下通过对熵函数求微分而求熵的极大值。如果将熵函数作泰勒展开，准确到二级有 d因此孤立系统处在稳定平衡态的充分必要条件为 既围绕某一状态发生的各种可能的虚变动引起的熵变，该状态的熵就具有极大值，是稳定的平衡状态。 如果熵函数有几个可能的极大值，则其中最大的极大相应于稳定平衡，其它较小的极大相应于亚稳平衡。亚稳平衡是这样一种平衡，对于无穷小的变动是稳定是，对于有限大的变动是不稳定的。如果对于某些变动，熵函数的数值不变，，这相当于中性平衡了。 熵判据是基本的平衡判据，它虽然只适用于孤立系统，但是要把参与变化的全部物体都包括在系统之内，原则上可以对各种热动平衡问题作出回答。不过在实际应用上，对于某些经常遇到的物理条件，引入其它判据是方便的，以下将讨论其它判据。 2、自由能判据
表示在等温等容条件下，系统的自由能永不增加。这就是说，处在等温等容条件下的系统，如果达到了自由能为极小的状态，系统就达到了平衡态。我们可以利用函数的这一性质来判定等温等容系统是否处于平衡态，其判据是：系统在等温等容条件下，对于各种可能的变动，平衡态的自由能最小。这一判据称为自由能判据。 按照数学上的极大值条件，自由能判据可以表示为： ; 由此可以确定平衡条件和平衡的稳定性条件。 所以等温等容系统处于稳定平衡状态的必要和充分条件为： 3吉布斯函数判据 在等温等压过程中，系统的吉布斯函数永不增加。可以得到吉布斯函数判据：系统在等温等压条件下，对于各种可能的变动，平衡态的吉布斯函数最小。 数学表达式为 , 等温等压系统处在稳定平衡状态的必要和充分条件为 除了熵，自由能和吉布斯函数判据以外，还可以根据其它的热力学函数性质进行判断。例如，内能判据，焓判据等。 二、平衡条件 做为热动平衡判据的初步应用，我们考虑一个均匀的物质系统与具有恒定温度和恒定压强的热源相互接触，在接触中二者可以通过功和热量的方式交换能量。我们推求在达到平衡时所要满足的平衡条件和平衡稳定条件。 1．平衡条件 现在利用熵判据求系统的平衡条件。我们将系统和热源合起来构成一个孤立系统，设系统的 熵为S，热源的熵为因为熵是一个广延量，具有可加性，则孤立系统的总熵（用） 为： (1) 当达到平衡态时，根据极值条件可得： (2)
2020年热力学统计物理各章重点总结
热力学统计物理各章重点总结第一章概念系统孤立系统、闭系、开系与其他物体既没有 物质交换也没有能量交换的系统称为孤立系； 与外界没有物质交换，但有能量交换的系统称为闭系； 与外界既有物质交换，又有能量交换的系统称为开系； 平衡态平衡态的特点系统的各种宏观性质都不随时间变化； 热力学的平衡状态是一种动的平衡，常称为热动平衡； 在平衡状态下，系统宏观物理量的数值仍会发生或大或小的涨落； 对于非孤立系，可以把系统与外界合起来看做一个复合的孤立系统，根据孤立系统平衡状态 的概念推断系统是否处在平衡状态。 准静态过程和非准静态过程准静态过程进行得非常缓慢的过程，系统在过程汇总经历的每 一个状态都可以看做平衡态。 非准静态过程，系统的平衡态受到破坏内能、焓和熵内能是状态函数。当系统的初态A 和终态B给定后，内能之差就有确定值，与系统由A到达B所经历的过程无关; 表示在等 压过程中系统从外界吸收的热量等于态函数焓的增加值。这是态函数焓的重要特性克劳修斯 引进态函数熵。定义: 热容量等容热容量和等压热容量及比值定容热容量: 定压热容量: 循环过程和卡诺循环循环过程（简称循环）如果一系统由某个状 态出发，经过任意一系列过程，最后回到原来的状态，这样的过程称为循环过程。系统经历 一个循环后，其内能不变。 理想气体卡诺循环是以理想气体为工作物质、由两个等温过程和两个绝热过程构成的可逆循 环过程。 可逆过程和不可逆过程不可逆过程如果一个过程发生后,不论用任何曲折复杂的方法都不 可能使它产生的后果完全消除而使一切恢复原状。 可逆过程如果一个过程发生后，它所产生的后果可以完全消除而令一切恢复原状。 自由能F和G 定义态函数自由能F，F＝U－TS 定义态函数吉布斯函数G，G=U-TS+PV， 可得GA－GB3－W1 定律及推论热力学第零定律－温标如果物体A和物体B各自与外在 同一状态的物体C达到热平衡，若令A与B进行热接触，它们也将处在热平衡。 三要素 （1）选择测温质； （2）选取固定点；
西南大学2016网络统计物理基础作业及答案
2016《统计物理基础》0132作业及答案1、下列系统遵循泡利不相容原理的是______ 光子系统 自由电子系统∨ 玻耳兹曼系统 2、电子是_____________ 1.玻耳兹曼粒子 2.费米子 3.玻色子 3、费米分布为____________ 1. w/(exp(a+be)+1) 2. w/(exp(a+be)-1) 3. w(exp(a+be)+1) 4. wexp(-a-be) 4、玻色分布为____________ 1. w/(exp(a+be)+1) 2. w/(exp(a+be)-1) 3. w(exp(a+be)+1) 4. wexp(-a-be) 5、玻耳兹曼分布为____________ 1. w/(exp(a+be)-1) 2. wexp(-a-be) 3. w/(exp(a+be)+1) 4. w(exp(a+be)+1) 6、热力学基本方程为dG =________ 1. TdS —PdV 2. TdS+Vd 3. -SdT-pdV 4. -SdT+Vd 7、从热力学基本方程出发,dF =_____ 1. TdS —PdV 2. TdS+Vd 3. -SdT-pdV
4. -SdT+Vd 8、从热力学基本方程出发,dH =_____ 1. TdS —PdV 2. TdS+Vdp 3. -SdT-pdV 4. -SdT+Vdp 9、热力学基本方程为dU =________ 1. TdS —PdV 2. TdS+Vd 3. -SdT-pdV 4. -SdT+Vd 10、玻尔兹蔓常数K= 1. 0 2. 8.31J 3. 1.38* 1023J/K 4. 1.38* 1023 11、照能量均分定理，刚性双原子分子理想气体的内能＝_____ 1. 0 2. 1/2kT 3. 5NkT/2 4. 2kT 12、理想气体的焦耳—汤姆孙系数u=___ 1. 1 2. 2 3. 0 4. 3 13、工作于温度为500C与10000C的两热源之间的热机或致冷机热机效率的最大值n=______ 1. 120% 2. 5 3.5% 3. 7 4.5% 4. 24% 14、根据热力学判据，对等温等压系统，平衡态系统的 _____为最小
(完整word版)热力学统计物理_第四版_汪志诚_答案
1.1 试求理想气体的体胀系数α,压强系数β和等温压缩系数κT 。 解：已知理想气体的物态方程为,pV nRT = 由此易得11 ,p V nR V T pV T α???= == ? ??? 11,V p nR p T pV T β???= == ???? 2111 .T T V nRT V p V p p κ???????=-=--= ? ? ???????? 1.2 证明任何一种具有两个独立参量,T p 的物质，其物态方程可由实验测得的体胀系数α及等温压缩系数κT ，根据下述积分求得：()ln T V = αdT κdp -?如果1 1 ,T T p ακ== ，试求物态方程。 解：以, T p 为自变量，物质的物态方程为(),,V V T p = 其全微分为.p T V V dV dT dp T p ?????? =+ ? ??????? （1）全式除以V ，有11.p T dV V V dT dp V V T V p ??????=+ ? ? ??????根据体胀系数α和等温压缩系数T κ的定义，可将上式改写为 .T dV dT dp V ακ=- （2）上式是以,T p 为自变量的完整微分，沿一任意的积分路线积分，有()ln .T V dT dp ακ= -? （3） 若 11,T T p ακ= =，式（3）可表为11ln .V dT dp T p ?? =- ???? （4）选择图示的积分路线，从00(,)T p 积分到()0,T p ，再积分到（,T p ），相应地体积由0V 最终变到V ，有000 l n =l n l n ,V T p V T p -即000p V pV C T T ==（常量），或.pV CT =(5) 式（5）就是由所给11 ,T T p ακ==求得的物态方程。 确定常量C 需要进一步的实验数据。 1.3 简单固体和液体的体胀系数α和等温压缩系数T κ数值都很小，在一定温度范围内可以把α和T κ看作常量. 试证明简单固体和液体的物态方程可近似为()()000(,),01.T V T p V T T T p ακ=+--???? 解: 以,T p 为状态参量，物质的物态方程为(),.V V T p =根据习题1.2式（2），有 .T dV dT dp V ακ=- （1）将上式沿习题1.2图所示的路线求线积分,在α和T κ可以看作常 量 的 情 形 下 ， 有 ()()000 ln ,T V T T p p V ακ=---（2）或 ()()()() 0000,,.T T T p p V T p V T p e ακ---=（3）考虑到α和T κ的数值很小，将指数函数展开， 准确到α和T κ的线性项，有()()()()0000,,1.T V T p V T p T T p p ακ=+---????（4） 如果取00p =，即有()()()00,,01.T V T p V T T T p ακ=+--????（5）
热力学统计物理总复习知识点
热力学部分 第一章 热力学的基本规律 1、热力学与统计物理学所研究的对象：由大量微观粒子组成的宏观物质系统 其中所要研究的系统可分为三类 孤立系：与其他物体既没有物质交换也没有能量交换的系统； 闭系：与外界有能量交换但没有物质交换的系统； 开系：与外界既有能量交换又有物质交换的系统。 2、热力学系统平衡状态的四种参量：几何参量、力学参量、化学参量和电磁参量。 3、一个物理性质均匀的热力学系统称为一个相；根据相的数量，可以分为单相系和复相系。 4、热平衡定律(热力学第零定律）：如果两个物体各自与第三个物体达到热平衡，它们彼此 也处在热平衡. 5、符合玻意耳定律、阿氏定律和理想气体温标的气体称为理想气体。 6、范德瓦尔斯方程是考虑了气体分子之间的相互作用力（排斥力和吸引力）,对理想气体状 态方程作了修正之后的实际气体的物态方程。 7、准静态过程：过程由无限靠近的平衡态组成，过程进行的每一步，系统都处于平衡态。 8、准静态过程外界对气体所作的功：，外界对气体所作的功是个过程量。 9、绝热过程：系统状态的变化完全是机械作用或电磁作用的结果而没有受到其他影响。绝 热过程中内能U 是一个态函数：A B U U W -= 10、热力学第一定律（即能量守恒定律）表述：任何形式的能量，既不能消灭也不能创造， 只能从一种形式转换成另一种形式，在转换过程中能量的总量保持恒定；热力学表达式： Q W U U A B +=-；微分形式：W Q U d d d += 11、态函数焓H ：pV U H +=，等压过程：V p U H ?+?=?，与热力学第一定律的公 式一比较即得：等压过程系统从外界吸收的热量等于态函数焓的增加量。 12、焦耳定律：气体的内能只是温度的函数，与体积无关，即)(T U U =。 13．定压热容比：p p T H C ??? ????=；定容热容比：V V T U C ??? ????= 迈耶公式：nR C C V p =- 14、绝热过程的状态方程：const =γpV ；const =γ TV ；const 1 =-γγT p 。 15、卡诺循环过程由两个等温过程和两个绝热过程组成。正循环为卡诺热机，效率 211T T -=η，逆循环为卡诺制冷机，效率为2 11T T T -=η（只能用于卡诺热机）。 16、热力学第二定律：克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体 而不引起其他变化（表明热传导过程是不可逆的）； 开尔文（汤姆孙）表述：不可能从单一热源吸收热量使之完全变成有用的功而不引起其 他变化（表明功变热的过程是不可逆的）； 另一种开氏表述：第二类永动机不可能造成的。 V p W d d -=
热力学统计物理练习试题和答案
热力学·统计物理练习题 一、填空题. 本大题70个小题，把答案写在横线上。 1.当热力学系统与外界无相互作用时,经过足够长时间,其宏观性质 时间改变，其所处的 为热力学平衡态。 2． 系统，经过足够长时间，其 不随时间改变，其所处的状态为热力学平衡态。 3．均匀物质系统的热力学平衡态可由力学参量、电磁参量、几何参量、化学参量等四类参量描述，但有 是独立的。 4．对于非孤立系统，当其与外界作为一个整体处于热力学平衡态时，此时的系统所处的状态是 。 5．欲描述非平衡系统的状态，需要将系统分成若干个小部分，使每小部分具有 小，但微观上又包含大量粒子，则每小部分都可视为 。 6．描述热力学系统平衡态的独立参量和 之间关系的方程式叫物态方程，其一般表达式为 。 7．均匀物质系统的独立参量有 个，而过程方程独立参量只有 个。 8．定压膨胀系数的意义是在 不变的条件下系统体积随 的相对变化。 9．定容压力系数的意义是在 不变条件下系统的压强随 的相对变化。 10．等温压缩系数的意义是在 不变条件下系统的体积随 的相对变化。 11．循环关系的表达式为 。 12．在无摩擦准静态过程中存在着几种不同形式的功，则系统对外界作的功∑-=δi i dy Y W ，其中i y 是 ，i Y 是与i y 相应的 。 13．W Q U U A B +=-，其中W 是 作的功。 14．?=+=0W Q dU ，-W 是 作的功，且-W 等于 。 15．?δ+δ2L 11W Q ?δ+δ2 L 12W Q （1、2均为热力学平衡态,L 1、L 2为准静态过程）。 16．第一类永动机是指 的永动机。 17．能是 函数，能的改变决定于 和 。 18．焓是 函数，在等压过程中，焓的变化等于 的热量。 19．理想气体能 温度有关，而与体积 。
热力学统计物理_答案
1.2 证明任何一种具有两个独立参量,T p 的物质，其物态方程可由实验测得的体胀系数α及等温压缩系数κT ，根据下述积分求得： ()ln T V =αdT κdp -? 如果11 ,T T p ακ== ，试求物态方程。 解：以,T p 为自变量，物质的物态方程为 (),,V V T p = 其全微分为 .p T V V dV dT dp T p ?????? =+ ? ? ?????? （1） 全式除以V ，有 11.p T dV V V dT dp V V T V p ??????=+ ? ??????? 根据体胀系数α和等温压缩系数T κ的定义，可将上式改写为 .T dV dT dp V ακ=- （2） 上式是以,T p 为自变量的完整微分，沿一任意的积分路线积分，有 ()ln .T V dT dp ακ=-? （3） 若1 1,T T p ακ==，式（3）可表为 11ln .V dT dp T p ?? =- ???? （4） 选择图示的积分路线，从00(,)T p 积分到()0,T p ，再积分到（,T p ），相应地体
积由0V 最终变到V ，有 000 ln =ln ln ,V T p V T p - 即 00 p V pV C T T ==（常量） ， 或 .p V C T = （5） 式（5）就是由所给11,T T p ακ==求得的物态方程。 确定常量C 需要进一步的实验数据。 1.10 声波在气体中的传播速度为 s p αρ?? ?= ???? 假设气体是理想气体，其定压和定容热容量是常量，试证明气体单位质量的内能u 和焓h 可由声速及γ给出： ()2 1a a u u h h γγγ=+=+-2 , -1 其中00,u h 为常量。 解：根据式（1.8.9），声速a 的平方为 2v,a p γ= （1）
热力学统计物理各章重点总结..教学提纲
热力学统计物理各章重点总结..
第一章 概念 1.系统：孤立系统、闭系、开系 与其他物体既没有物质交换也没有能量交换的系统称为孤立系； 与外界没有物质交换，但有能量交换的系统称为闭系； 与外界既有物质交换，又有能量交换的系统称为开系； 2.平衡态 平衡态的特点：1.系统的各种宏观性质都不随时间变化；2.热力学的平衡状态是一种动的平衡，常称为热动平衡；3.在平衡状态下，系统宏观物理量的数值仍会发生或大或小的涨落；4.对于非孤立系，可以把系统与外界合起来看做一个复合的孤立系统，根据孤立系统平衡状态的概念推断系统是否处在平衡状态。 3.准静态过程和非准静态过程 准静态过程：进行得非常缓慢的过程，系统在过程汇总经历的每一个状态都可以看做平衡态。 非准静态过程，系统的平衡态受到破坏 4.内能、焓和熵 内能是状态函数。当系统的初态A和终态B给定后，内能之差就有确定值，与系统由A到达B所经历的过程无关; 表示在等压过程中系统从外界吸收的热量等于态函数焓的增加值。这是态函数焓的重要特性 克劳修斯引进态函数熵。定义:
5.热容量：等容热容量和等压热容量及比值定容热容量: 定压热容量: 6.循环过程和卡诺循环 循环过程（简称循环）：如果一系统由某个状态出发，经过任意一系列过程，最后回到原来的状态，这样的过程称为循环过程。系统经历一个循环后，其内能不变。 理想气体卡诺循环是以理想气体为工作物质、由两个等温过程和两个绝热过程构成的可逆循环过程。 7.可逆过程和不可逆过程 不可逆过程：如果一个过程发生后,不论用任何曲折复杂的方法都不可能使它产生的后果完全消除而使一切恢复原状。 可逆过程：如果一个过程发生后，它所产生的后果可以完全消除而令一切恢复原状。 8.自由能：F和G 定义态函数：自由能F，F＝U－TS
热力学统计物理精彩试题
简述题 1. 写出系统处在平衡态的自由能判据。 一个处在温度和体积不变条件下的系统，处在稳定平衡态的充要条件是，对于各种可能的有限虚变动，所引起的自由能的改变均大于零。即0F ?>。 2. 写出系统处在平衡态的吉布斯函数判据。 一个处在温度和压强不变条件下的系统，处在稳定平衡态的充要条件是，对于各种可能的有限虚变动，所引起的吉布斯函数的改变均大于零。即0G ?>。 3. 写出系统处在平衡态的熵判据。 一个处在内能和体积不变条件下的系统，处在稳定平衡态的充要条件是，对于各种可能的有限虚变动，所引起的熵变均小于零。即 0S ?< 4. 熵的统计解释。 由波耳兹曼关系ln S k =Ω 可知，系统熵的大小反映出系统在该宏观状态下所具有的可能的微观状态的多少。而可能的微观状态的多少，反映出在该宏观平衡态下系统的混乱度的大小。故，熵是系统内部混乱度的量度。 5. 为什么在常温或低温下原子内部的电子对热容量没有贡献？ 不考虑能级的精细结构时，原子内的电子激发态与基态的能量差为1~10eV ，相应的特征温度为4 5 K 10~10。在常温或低温下，电子通过热运动获得如此大的能量而跃迁到激发态的概率几乎为零，平均而言电子被冻结基态，因此对热容量没有贡献。 6. 为什么在常温或低温下双原子分子的振动对热容量贡献可以忽略？ 因为双原子分子的振动特征温度3 K θ~10v ，在常温或低温下 kT < 热力学·统计物理试题（B 卷） 适用于200×级本科物理学专业 (200×-200×学年度第×学期) 1. (10分) 证明范氏气体的定容热容量只是温度的函数,与比容无关. 2. (20分) 试证明，相变潜热随温度的变化率为 β p c dT dL =-αp c -+T L αβαβ v v L T v T v p p -??? ????????? ????-???? ???? 如果β相是气相，α相是凝聚相，试证明上式可简化为： α βp p c c dT dL -= 3．(10分) 若将U 看作独立变数T , V , n 1,… n k 的函数，试证明： （1）V U V n U n U i i i ??+??= ∑ （2）V U v n U u i i i ??+??= 4．（20分） 试证明，对于遵从玻尔兹曼分布的系统，熵函数可以表示为 ∑-=s Ps Ps Nk S ln 式中P s 是总粒子处于量子态s 的概率，1Z e N e P s s s βεβεα---= =,∑s 对粒子的所有量子态求和。 5．（20分） 铁磁体中的自旋波也是一种准粒子,遵从玻色分布,色散关系是2 Ak =ω.试证明在低温下,这种准粒子的激发所导致的热容与2 /3T 成正比. 6．（20分）在极端相对论情形下电子能量与动量的关系为 cp = ε,其中c为光速.试求自 由电子气体在0K时的费米能量,内能和简并压. 附标准答案 1. (10分) 解证：范氏气体()RT b v v a p =-?? ? ??+ 2 由式(2.2.7)? T v U ??? ????=T V T p ??? ????-p =T 2 v a p b v R =-- (5分) T v U ??? ????=2v a ?)(),(0T f v a U v T U +-= =V C V T U ??? ????=)(T f ' ；与v 无关。 (5分) 2．(20分) 证明：显然属于一级相变; ()())(αβS S T L -=; 其中())(,T p T S S =， 在p ～T 相平衡曲线上. ()[]??? ? ??????+??? ?????+-=dT dp p S T T S T S S dT dL αβ 其中：=??? ?????T S ()P T S ???? ????β()P T S ???? ????-α =???? ??????dT dp p S [()P T S ? ??? ? ???β()P T S ???? ????-α]dT dp ? (5分) 又有：T C P =P T S ??? ????；()() )(αβS S T L -= 由麦氏关系(2.2.4): -=???? ????T p S P T V ??? ???? （5分） 上几式联立(并将一级相变的克拉伯珑方程代入)得： β p c dT dL =-αp c -+T L αβαβ v v L T v T v p p -??? ????????? ????-???? ???? (5分) 若β相是气相，α相是凝聚相；() αV ～0；()p T V ???? ???α～0； β相按理想气体处理。pV=RT 第六章 近独立粒子的最概然分布 6．1试证明，在体积V 内，在ε到ε+d ε的能量范围内，三维自由粒子的量子态数为 D(ε) d ε =()εεπd m h V 21 23322 证明：由式子（6-2-13），在体积V=L 3内，在P X 到P X +dP X ，P Y 到P Y +dP Y ，P Z 到P Z +dP Z ，的动量范围内，自由粒子可能的量子态数为 Z Y X dP dP dP h V 3 -----------------（1） 用动量空间的球坐标描述自由粒子的动量，并对动量方向积分，的得在体积V 内，动量大小在P 到P+dP 范围内，三维自由粒子可能的量子态数为 dP P h V 2 34π-------------（2） 上式可以理解为将相空间（μ空间）体积元4πVP 2dP （体积V ，动量球壳4πP 2dP ）除以相格大小h 3而得到的状态数。 自由粒子的能量动量关系为m P 22 =ε 因此 εm P 2= ， εmd PdP = 将上式代入（2）式，即得到在体积V 内，在ε到ε+d ε的能量范围内，三维自由粒子的量子 态数为 D(ε) d ε =()εεπd m h V 21 23322------------（3） 6．2试证明，对于一维自由粒子，在长度L 内，在ε到ε+d ε的能量范围内，量子态数为 D(ε) d ε =εεd m h L 122??? ?? 证明：对于一维自由粒子，有n L h n L p == ηπ2 dn L h dp =∴ 由于p 的取值有正、负两种可能，故动量绝对值在范围内的量子态数p d p p +→ p d h L d 2 n = 再由 εεm m p 2p 22 ==得 所以 ()εεεεεd m h L m d h L dn 2 12222 d D ?? ? ??===， 证毕 6．3试证明，对于二维自由粒子，在面积L 2内，在ε到ε+d ε的能量范围内，量子态数为 D(ε) d ε =επmd h L 22 2 第二章 均匀物质的热力学性质 已知在体积保持不变时，一气体的压强正比于其热力学温度. 试证明在温度保质不变时，该气体的熵随体积而增加. 解：根据题设，气体的压强可表为 (),p f V T = （1） 式中()f V 是体积V 的函数. 由自由能的全微分 dF SdT pdV =-- 得麦氏关系 .T V S p V T ??????= ? ??????? （2） 将式（1）代入，有 ().T V S p p f V V T T ?????? === ? ??????? （3） 由于0,0p T >>，故有0T S V ??? > ????. 这意味着，在温度保持不变时，该气体的熵随体积而增加. 设一物质的物态方程具有以下形式： (),p f V T = 试证明其内能与体积无关. 解：根据题设，物质的物态方程具有以下形式： (),p f V T = （1） 故有 ().V p f V T ???= ???? （2） 但根据式（2.2.7），有 ,T V U p T p V T ?????? =- ? ??????? （3） 所以 ()0.T U Tf V p V ??? =-= ???? （4） 这就是说，如果物质具有形式为（1）的物态方程，则物质的内能与体积无关，只是温度T 的函数. 求证： ()0;H S a p ???< ???? ()0.U S b V ??? > ???? 解：焓的全微分为 .dH TdS Vdp =+ （1） 令0dH =，得 0.H S V p T ???=-< ???? （2） 内能的全微分为 .dU TdS pdV =- （3） 令0dU =，得 0.U S p V T ??? => ? ??? （4） 已知0T U V ??? = ????，求证0.T U p ???= ? ??? 解：对复合函数 (,)(,(,))U T P U T V T p = （1） 求偏导数，有 .T T T U U V p V p ???? ?????= ? ? ?????????? （2） 如果0T U V ??? = ????，即有 0.T U p ?? ?= ???? （3） 式（2）也可以用雅可比行列式证明： (, )(, )(,)(,)(, )(,) T U U T p p T U T V T V T p T ????= ? ??????= ??热力学统计物理试题(B卷)
热力学统计物理 课后习题 答案 (3)
热力学和统计物理的答案解析第二章