复旦大学热力学与统计物理I-02绪论 热力学与统计力学基本概念
热力学统计物理学中的基本概念
热力学统计物理学中的基本概念热力学统计物理学是研究物质宏观性质、相变规律及物体热力学行为的科学，其基本概念包括热力学第一定律、热力学第二定律、温度、热、熵等。
热力学第一定律是能量守恒定律，其表现形式为内能的增量等于热量和功的代数和。
具体地，当一个物体获得热量时，它的内能会增加；同时，当物体通过外界传递的功劳增加时，体系的内能同样也会增加。
热力学第一定律在热力学的研究中起着重要作用。
热力学第二定律是热力学中的一个基本定理，它规定了任何一个孤立系统，如果没有外力作用，它的熵不会减少，只会增加或保持不变。
熵是一个系统的无序程度，也可以理解为能量的分散程度。
热力学第二定律体现了宏观系统朝着熵增大的方向演化的规律性。
温度是物体热平衡状态下的一个基本物理量，它是衡量物体热状态的度量单位。
当两个物体处于热平衡状态时，它们的温度相等。
温度的单位是摄氏度、华氏度或开氏度，但在热力学中常使用开氏温度作为计算温度的单位。
热是一种能量的形式，它是物体传递热量的方式。
热的传递是由高温处向低温处的热流动，与热的传递过程伴随着内能的转化。
热在热力学中有很重要的作用，它是热力学中的一个基本物理量。
熵是一个系统的无序程度或者说混乱程度，它是描述系统井然有序性的物理量。
熵的单位是焦耳每开尔文，或卡每开尔文，它的物理含义是‘系统能量的分散程度’。
熵增加是热力学第二定律的核心规律，有很重要的热力学意义。
除了以上几个基本概念以外，热力学统计物理学还有许多其他的概念，如：配分函数、状态密度、统计权重等。
配分函数是一种描述系统内粒子能级分布的函数，它与盛放物体的容器、粒子数量、粒子自旋、温度等因素有关。
状态密度是一种描述系统中态数密度的物理概念，它代表各个能级的密度函数，与物质内部分子的能级分布有关。
统计权重是指任意一个宏观态在其微观构成中可能的具体排列方式的数量，它是描述系统微观构成的一个物理量。
总之，热力学统计物理学是研究物质在宏观尺度上的热力学行为规律的科学，其中热力学第一定律、热力学第二定律、温度、热、熵等是热力学中的基本概念。
热力学和统计物理的基本概念
热力学和统计物理的基本概念热力学和统计物理是物理学中两个重要的分支，它们对于理解和描述物质的性质以及自然界中的各种现象都起到了至关重要的作用。
本文将介绍热力学和统计物理的基本概念，帮助读者更好地理解这两个领域。
一、热力学的基本概念热力学是研究能量转化和宏观物质性质的科学，是物理学的一门重要分支。
它通过研究能量转化过程和各种宏观现象来揭示物质内部的各种规律。
以下是热力学中的一些基本概念：1. 系统系统指的是热力学研究的对象，可以是一个单独的物体、一个容器中的气体或者一个宏观物质系统。
热力学研究的目标是分析系统中能量的转化和宏观性质的变化。
2. 状态系统在一定条件下的特定性质和状态称为系统的状态。
例如，气体系统的状态可以由温度、压力和体积等参数来描述。
3. 热力学定律热力学定律是热力学的基本原理，可以帮助我们理解能量转化的规律。
包括能量守恒定律、热传导定律、热机定律和熵增定律等。
4. 热力学过程系统从一个状态到另一个状态的整个变化过程称为热力学过程。
常见的热力学过程包括等温过程、绝热过程、等压过程和等容过程等。
二、统计物理的基本概念统计物理是描述物质微观粒子运动规律以及宏观宏观现象的科学，它通过建立微观粒子的统计模型来揭示物质的宏观性质。
以下是统计物理中的一些基本概念：1. 微观粒子统计物理研究的对象是物质的微观粒子，如原子、分子和电子等。
通过研究微观粒子的运动和相互作用规律，可以揭示物质宏观性质的起源。
2. 统计模型统计物理使用统计模型来描述物质的微观状态和宏观性质之间的关系。
常用的统计模型包括玻尔兹曼分布、麦克斯韦-玻尔兹曼分布和费米-狄拉克分布等。
3. 热力学极限热力学极限是指在大量粒子数下，统计物理中的微观规律将会近似等同于热力学中的规律。
热力学极限的出现使得统计物理和热力学之间建立了密切的联系。
4. 统计力学统计力学是研究宏观系统平衡态和非平衡态的统计规律以及宏观性质的科学。
它基于统计物理理论，通过分析微观粒子的运动和相互作用来推导宏观性质的统计规律。
热力学与统计物理学
热力学与统计物理学引言热力学与统计物理学是物理学中重要的分支领域，它们研究能量转化、热力学性质以及微观粒子的统计行为。
本教案将从基本概念、热力学定律、统计物理学原理等方面进行探讨，旨在帮助学生全面了解热力学与统计物理学的基本知识，培养学生的思维能力和问题解决能力。
第一部分：热力学基本概念热力学是研究能量转化和热力学性质的学科，它通过研究物质的宏观性质来揭示物质的微观结构和运动规律。
在这一部分，我们将介绍热力学的基本概念。
1.1 系统与环境系统是研究对象，环境是系统外部与之相互作用的物体或场。
系统和环境通过能量和物质的交换来维持动态平衡。
1.2 状态与过程状态是系统在一定条件下的特定性质，如温度、压力、体积等。
过程是系统从一个状态变为另一个状态的演化过程。
1.3 热力学第一定律热力学第一定律描述了能量守恒的原理，即能量可以转化形式，但总能量保持不变。
它的数学表达式为：ΔU = Q - W，其中ΔU为系统内能的变化，Q为系统吸收的热量，W为系统对外做的功。
第二部分：热力学定律热力学定律是热力学的基本规律，它们揭示了物质在能量转化过程中的行为规律。
在这一部分，我们将介绍热力学的三大定律。
2.1 热力学第二定律热力学第二定律是热力学的核心内容，它描述了能量转化的方向性。
热力学第二定律有多种表述形式，如卡诺定理、熵增原理等。
2.2 热力学第三定律热力学第三定律规定了在绝对零度时，所有物质的熵趋于零。
它揭示了物质在极低温下的行为规律。
2.3 热力学第零定律热力学第零定律规定了热平衡的概念，即当两个物体与第三个物体分别处于热平衡时，它们之间也处于热平衡。
第三部分：统计物理学原理统计物理学是研究微观粒子的统计行为的学科，它通过统计方法来揭示宏观物理现象的规律。
在这一部分，我们将介绍统计物理学的基本原理。
3.1 统计物理学基本假设统计物理学基于一些基本假设，如粒子的无区别性、独立性、简并性等。
这些假设为研究微观粒子的统计行为提供了基础。
大学物理热力学与统计物理
大学物理热力学与统计物理热力学与统计物理是大学物理中重要的分支，它研究了物质的热学性质以及微观粒子的统计规律。
本文将简要介绍热力学与统计物理的基本概念、原理和应用。
一、热力学基本概念热力学研究的是能量的转化与守恒，包括传热、传能和能量转换等方面的内容。
热力学基本定律包括能量守恒定律、熵增加原理等。
能量守恒定律指出能量在封闭系统中不会凭空产生或消失，只能通过各种形式的转化转移到其他物体或形式。
熵增加原理则是指随着时间的推移，封闭系统中的熵（系统无序程度）总是增加的。
二、热力学基本原理热力学基本原理包括热平衡、热力学第一定律和热力学第二定律。
热平衡是指系统内各部分之间的温度是相等的状态，这是热力学的基础概念。
热力学第一定律是能量守恒的表示，它表明系统的内能变化等于吸收的热量与对外做功的代数和。
热力学第二定律则是热力学的核心内容，它描述了自然界的不可逆性和熵增加的趋势。
三、统计物理基本原理统计物理是热力学的基础，它从微观角度研究了物质中微观粒子的统计规律。
统计物理主要利用统计学方法描述了大量微观粒子的行为，并推导出宏观热力学定律。
基于统计物理，我们可以计算系统的平均能量、熵以及其他宏观状态量。
四、热力学与统计物理的应用热力学和统计物理在各个领域具有广泛的应用，包括能源开发、材料科学、天体物理等。
在工程领域，热力学可以用来设计高效的能源转换系统，提高能源利用效率。
在材料科学领域，热力学对材料的相变、热膨胀等性质有着重要的解释和研究价值。
而在天体物理学中，热力学与统计物理的应用可以帮助我们理解星际物质的形成和演化过程。
总结：本文简要介绍了大学物理中的热力学与统计物理。
热力学是研究能量转化与守恒的学科，其基本定律包括能量守恒定律和熵增加原理。
统计物理是基于热力学的微观解释，通过统计学方法研究大量微观粒子的行为，推导出宏观热力学规律。
热力学与统计物理在能源、材料和天体等领域有着广泛的应用。
通过深入研究热力学与统计物理，我们能够更好地理解和解释自然界中的物质与能量转化过程。
物理学中的热力学与统计物理理论
物理学中的热力学与统计物理理论热力学和统计物理学是物理学两个重要分支领域。
热力学主要研究热、功以及它们之间的关系，而统计物理学则是将微观粒子的运动方式和定量的统计方法结合起来，将宏观现象与微观世界联系起来，从而解释了许多宏观现象。
热力学和统计物理学分别从不同角度解释了物质与能量之间的关系，并在工业、材料等领域得到广泛应用。
首先，我们来了解一下热力学。
热力学研究的是热量和功以及它们之间的关系。
热量是能量的一种形式，它是由于温度差使得能量在物体之间传递的结果。
热力学第一定律告诉我们，它们之间是可以相互转换的，能量不会被消灭。
而功则是一种对物体施加的能量，会使物体发生运动或变形。
热力学第二定律则说明了热量的流动方向只能从高温物体向低温物体，热力学第三定律则是在温度趋向于绝对零度时，物体的熵趋近于零。
接下来，我们来谈一谈统计物理学。
统计物理学是将微观粒子的运动方式和定量的统计方法结合起来，将宏观现象与微观世界联系起来。
一个系统的热力学性质，比如温度、熵、压力等，很多时候可以通过大量的微观粒子的统计来得到。
比如系统的温度可以通过测量大量分子的平均动能获得，系统的熵可以通过分子在不同状态下的组合数来计算。
统计物理学在对系统物理性质进行预测方面发挥了很大作用。
总的来说，热力学是研究宏观物理现象的科学，而统计物理学是研究微观粒子特性的科学。
尽管两者研究的角度不同，但是在物理理论和应用方面都发挥了非常重要的作用。
在应用方面，热力学和统计物理学在工业、材料等领域都有广泛的应用。
在生产过程中，控制物体的温度、压力、湿度等参数，可以增加生产效率，提高产品质量。
在能源领域，利用热力学的原理可以生产出大量的电力，而统计物理学则可以解释材料的物理特性和性质变化规律。
总之，热力学和统计物理学是物理学两个重要分支的基础理论。
虽然从不同的角度出发，但是都在理解物质与能量之间的关系以及解决实际问题中发挥着重要的作用。
热力学和统计力学
热力学和统计力学是物理学中两个非常重要的分支，它们各自研究的物理系统也有所不同。
热力学主要研究宏观物理量的变化规律，例如温度、压强、体积等；而统计力学则从微观粒子的角度出发，研究宏观物理系统的统计行为，例如分子平均能量、熵等。
虽然这两个分支有许多不同的研究对象和方法，但它们都是理解自然界中许多重要现象的重要工具。
在热力学中，我们常常使用“热力学第一定律”来描述能量的守恒。
这个定律认为，能量不可能从空气中消失，也不可能从一个物体中凭空产生。
热力学第一定律也称为能量守恒定律，它告诉我们对于一个封闭系统，能量的总量不会发生改变。
这个定律的适用范围非常广泛，从日常生活中的热、机械各类现象，到地球、星球，乃至整个宇宙，都适用这个定律。
但不幸的是，这个定律并不能解释一些具体的实验现象。
例如，当我们试图量化一个物体中分子的运动时，我们会发现热力学第一定律并不能解释这种运动。
这时，我们就需要引入统计力学的概念。
统计力学的出现与热力学在一定程度上类似，它们都是因为人们希望通过理论来理解经验中的现象。
而统计力学则是基于分子动力学的基本原理，利用概率统计方法推导出一些宏观性质。
这种推导在某些情况下可以给出比直接应用热力学定律更细致的结果，并解释了一些热力学不能完全解释的现象。
例如，我们可以考虑分子的平均能量问题。
热力学一般认为物质中的热运动仅仅是极少数粒子所呈现出的运动，而这种运动对于宏观性质的影响非常小。
但是，对于更小尺度的系统来说，这些热运动就变得非常显著了。
因此通过统计力学推导，我们可以更准确地研究粒子间的相互作用和平均能量等宏观性质问题。
此外，统计力学也可以有助于解释物质的相变现象。
在这方面，热力学的角度是相当简单的，它认为相变是由熵变的正负来确定的。
但是在实践中，这一方法往往显得过于简化。
相比之下，通过计算微观状态的数量，我们可以更好地描述和理解相变现象。
通过这种方式，我们可以更好地了解物质在不同条件下的相态转变。
热力学和统计物理的基本原理
热力学和统计物理的基本原理热力学和统计物理是研究物质宏观性质和微观行为的重要分支学科。
它们的基本原理被广泛应用于物理、化学、生物、材料科学等领域。
本文将介绍热力学和统计物理的基本原理，并探讨它们在科学研究和实际应用中的重要性。
一、热力学的基本原理热力学是研究能量转化和能量传递规律的科学。
它的基本原理可以总结为以下几点：1. 系统和环境：热力学研究的对象是系统和环境。
系统指要研究的物体或者物质，而环境是系统外部与系统相互作用的部分。
系统和环境通过物质和能量的交换发生相互影响。
2. 状态变量：在热力学中，通过一些宏观可测量的物理量来描述系统的状态，例如温度、压力、体积等。
这些量被称为状态变量，它们的变化可以用来描述系统的性质。
3. 热力学过程：热力学过程是系统从一个状态变化到另一个状态的过程。
热力学过程可以分为等温过程、等容过程、等压过程等。
热力学第一定律表明能量守恒，而热力学第二定律则指出了熵的增加原理。
4. 热力学定律：热力学建立了一系列定律来描述能量转化和能量传递的规律。
其中最基本的定律是热力学第一定律，也称为能量守恒定律。
它表明能量在系统和环境之间可以相互转化，但总能量的和保持不变。
二、统计物理的基本原理统计物理是研究物质微观粒子的统计行为和宏观性质的科学。
它的基本原理可以总结为以下几点：1. 粒子的统计行为：统计物理研究的对象是物质微观粒子，如原子、分子等。
这些粒子遵循统计规律，即在大量粒子组成的系统中，出现各种微观状态的概率与该状态的能量有关。
2. 状态密度：为了描述大量粒子组成的系统的微观状态，统计物理引入了状态密度的概念。
状态密度可以用来计算系统在某个能量范围内的可能微观状态的数量。
3. 热力学量的统计表达：通过计算系统状态密度的微观表达式，可以推导出各种热力学量的统计表达式。
例如，通过计算系统状态密度的微观表达式，可以推导出熵的统计表达式。
4. 统计力学模型：为了研究物质微观粒子的统计行为，统计物理建立了一系列统计力学模型。
热力学与统计物理
热力学与统计物理热力学是研究物质的宏观性质和它们之间相互关系的科学，而统计物理则是从微观角度探索物质的性质，两者在理论和实践中相辅相成。
本文将从热力学和统计物理的基本概念、研究方法和应用领域等方面进行探讨，以全面介绍热力学与统计物理的重要性和相关知识。
一、热力学的基本概念热力学是一门研究能量转移和转化的学科，它涉及热量、功、熵等基本概念。
热力学通过定义和推导热力学定律和方程，揭示了能量守恒和自发性等自然规律。
熵是热力学中的重要概念，它是描述系统无序度的物理量。
熵增定律说明了系统在孤立条件下总是趋于无序增加，反映了自然界中的一种普遍趋势。
二、统计物理的基本概念统计物理是一门从宏观到微观的探索物质性质的学科，它通过概率统计的方法研究大量微观粒子的行为。
统计物理将微观粒子的统计规律与宏观观测进行联系，揭示了物质性质背后的微观基础。
玻尔兹曼方程是统计物理中的重要理论工具，它描述了系统在不同微观状态下的分布函数以及相应的宏观性质。
通过求解玻尔兹曼方程，我们可以揭示物质的热力学性质和相变行为。
三、热力学和统计物理的关联热力学和统计物理是相互关联的两个学科，热力学从宏观角度描述物质的性质和行为，而统计物理则从微观角度揭示了物质的微观基础，两者相结合可以更全面理解和解释物质的性质。
热力学中的熵概念可以通过统计物理的方法进行解释和计算，熵的增加可以通过微观粒子的排列和状态数量增加来理解。
统计物理通过计算系统的微观状态数和分布函数，揭示了熵增定律的微观基础。
四、热力学与统计物理的应用领域热力学和统计物理广泛应用于各个领域，如化学、材料科学、天体物理学等。
在化学中，热力学可以解释化学反应的热效应和平衡态等性质，而统计物理则可以通过微观模型揭示化学反应的动力学过程。
在材料科学中，热力学可以描述材料的相变行为和热性质，而统计物理可以通过分子动力学模拟等方法研究材料的微观结构和力学性质。
在天体物理学中，热力学可以解释星体的辐射和能量转移，而统计物理可以通过模拟宇宙早期的微观粒子行为揭示宇宙的起源和演化过程。
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一.引言 二.已学内容小结 三.本学期的任务
2019/2/5
Fudan, Feb. 27, 2013
1
一.引言
学什么？
老子
（第四十一章）
上士闻道，勤而行之； 中士闻道，若存若亡；
下士闻道，大笑之。不笑不足以为道。
2019/2/5
4
A. Einstein
The development of general ability for independent thinking and judgment should always be placed foremost, not the acquisition of special knowledge.
Why ?
1819 Oersted
Why ?
1831 Fraday
B
7
教什么？
Bertrand Russell
It is not the function of a university to cram the heads of students with as many facts as can be squeezed in. Its proper task is to lead them into habits of critical examination and an understanding of canons and criteria which bear on all subject matters. 9
自然和自然律隐没在黑暗中： 神说，让牛顿去吧！万物遂成光明。
1 2 QR = at 2
F = ma
F = 2m
QR t
2
cB = BA
cC // bB
Cb // cB
Cb = cB = BA
CbB = ABb bB = bB CbB = ABb
F = 2m
QR t
2
QR QT SP
This physical entity is called electric charge !
1780s Luigi Galvani “Animal Electricity” 1800 Alessandro Volta “Electromotive Force”
Zn Ag Ag Zn
Why ?
6
Bertrand Russell
But learning to think independently is not an ability that comes all of a piece. It must be acquired by dint of personal effort and with the help of a mentor who can direct these efforts. This is the method of research under supervision as we know it today in our universities.
1 2 h = at 2
地上的实验
t (s)
1/ 2
“地心说”
天上的迷惑
T /a =C
2 3
Alexander Pope:
Nature, and Nature’s Laws lay hid in night: God said, let Newton be! And all was light.
11
A. Einstein
Teaching should be such that what is offered is perceived as a valuable gift and not as a hard duty.
12
William Arthur Ward
The mediocre teacher tells.
5
E.H. Gombrich
What the student should learn are facts and doubts. For the facts he need only memorize textbooks. But the doubts can be conveyed and instilled only by those who work at the frontiers of knowledge and have re-examined the evidence.”
The important truth which seems to have been understood, implicitly at least, from the very beginning is that learning is not a process of dishing out information. Some of this, of course, there must be. But it is neither the sole function of the teacher, not yet the most important one.
James P. Sethna
The purview of science grows rapidly with time. It is the responsibility of each generation to join new insights to old wisdom, and to distill the key ideas for the next generation.
Paul E. Pfeiffer
While a knowledge of the history of the subject is often important, it seems more fruitful to look at that history from the perspective of modern formulation and development. Such a perspective can often sharpen our perceptions of concepts and relations; frequently, significant advances result from fresh investigation of avenues that once seemed closed or of little promise.
二.已学内容小结
Questions
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. What is motion and why ? Why doesn’t the moon fall ? What is a wave ? What is electricity ? What is magnetism and why ? What is light ? What is the nature of matter ? What is heat ?
A.B. Pippard
The pursuit of rigor involves almost inevitably abandoning the historical approach. Great ideas are more often arrived at by a combination of intuition and a judicious disregard of niceties than by a systematic and logical development of explicitly formulated premises,… But once the goal has been attained it is possible to go back over the road and see how the same end could have been reached more logically.
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This is indeed more evident today than it was at that time, for written records were rarer and harder to find than they are now. With us, it stands to reason that anyone who can read can collect information from a library. Less than ever before should a teaformation… The role of the teacher is one of guidance, of brining the pupil to see for himself.
in “Positive Philosophy”
James Clark Maxwell
It is of great advantage to the student of any subject to read the original memoirs on that subject, for science is always most completely assimilated when it is in the nascent state.
The good teacher explains.
The superior teacher demonstrates. The great teacher inspires.
13
怎么学与怎么教？
August Comte
(1789-1857)
“To understand a science it is necessary to know its history.”