热力学与统计力学导航

             

贡献者: _Eden_; addis

  • 本词条处于草稿阶段.

   在物理学本科的专业课程中,往往会先学习热力学再学习统计力学,后者高级难度更大.热力学几乎直接开始研究系统的宏观性质如温度,体积,压强等,而统计力学更强调如何由微观定律如经典力学和量子力学,用统计的方法导出宏观性质.统计力学对数学工具以及物理基础知识的要求上比热力学要更高,但也更能揭示宏观现象的本质.

1. 热力学 Ⅰ

   热力学最经典的入门内容莫过于理想气体及其状态方程.通过该模型,我们可以定义温度和温标.状态方程只能决定系统达到平衡后的状态,于是下一步就是学习系统宏观性质随时间缓慢变化的过程,也就是准静态过程.在该过程中,在每一个时刻都可以把系统视为热平衡的.于是我们可以研究理想气体的一些常见过程:等压过程,等体过程,等温过程,绝热过程.这些过程的背后都有一个基本定律支撑——热力学第一定律,也就是热力学中的能量守恒定律,它描绘了能量、吸热与做功之间的关系.

   为了用简洁的公式对气体的任意过程作分析计算,理想气体是非常好的模型.通过理想气体状态方程和理想气体内能公式和第一定律的运用,我们可以分析理想气体的任意过程以及循环,例如重要的卡诺热机.我们将发现,热机的效率与最高温度和最低温度的比值有关,而且效率总是小于 $1$.对卡诺热机的研究为热力学第二定律埋下了基础——我们对理想气体和可逆过程的研究启发了我们对不可逆过程的探索,而第二定律也意味着第二类永动机是不可能的.

   在热力学第二定律中,我们第一次提出了 的概念.这是一个极其重要的概念.随后我们要学习的是熵的宏观定义和微观定义 (我们将在统计力学中再次学习微观定义),这揭示了熵与系统吸热、系统混乱度的联系.熵与混乱度、时间箭头的联系使我们对宏观世界产生无穷的联想.

   在学习宏观性质的另一面,我们还要对热学物理量的微观图景有一定了解.我们需要掌握一定的概率知识,以对气体分子的速度分布的图景有一定把握.我们需要学习气体分子对容器壁的压强在微观上是怎样的,分子平均碰壁数的简要推导,以及重要的麦克斯韦——玻尔兹曼分布

未完成:微观块缺少大量词条,有待补充

2. 热力学 Ⅱ

   当我们有了热学基础以后,我们可以开始从理想气体过渡到真实气体或液体,真实气体比理想气体要复杂的多.为了对真实气体的不同状态有更深入的了解,我们也从热力学平衡态状态入手.我们需要重新审视态函数的概念,回顾关于热平衡的种种事实.热力学第零定律不再是无关紧要的事实,而是联系不同物质系统的桥梁.有了态函数的概念,我们可以通过定义亥姆霍兹自由能吉布斯自由能,来研究不同条件下热力学平衡的特征,即热动平衡判据.在学习过程中,我们经常要用到各种和偏导数的公式,我们必须要了解和全微分、泰勒展开有关的数学知识.麦克斯韦关系 是对态函数的偏导数进行分析而得出的重要热力学关系,有了麦克斯韦关系,我们可以对热力学平衡系统的状态作充分的计算.有了重要的数学工具和热力学关系,我们可以重新审视态函数熵,得出理想气体的熵关于温度和压强的具体表达式

   有了吉布斯函数、亥姆霍兹自由能和化学势的概念,以及重要的热动平衡判据,我们可以开启复相体系、多元体系的研究. ……

3. 统计力学

   ……


致读者: 小时百科一直以来坚持所有内容免费,这导致我们处于严重的亏损状态。 长此以往很可能会最终导致我们不得不选择大量广告以及内容付费等。 因此,我们请求广大读者热心打赏 ,使网站得以健康发展。 如果看到这条信息的每位读者能慷慨打赏 10 元,我们一个星期内就能脱离亏损, 并保证在接下来的一整年里向所有读者继续免费提供优质内容。 但遗憾的是只有不到 1% 的读者愿意捐款, 他们的付出帮助了 99% 的读者免费获取知识, 我们在此表示感谢。

         

友情链接: 超理论坛 | ©小时科技 保留一切权利