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热力学统计物理 总复习

热力学统计物理  总复习
热力学统计物理  总复习

热力学?统计物理

(汪志诚)

概 念 部 分 汇 总 复 习 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 =γTV ;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);

V p W d d -=

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。

17、无摩擦的准静态过程是可逆过程。

18、卡诺定理:所有工作于两个一定温度T 1与T 2之间的热机,以可逆机的效率为最高。并且所有的可逆机的效率η都相等2

11T T -=η,与工作物质无关,只与热源温度有关。 19、热机的效率:1

21Q Q -

=η,Q 1为热机从高温热源吸收的热量,Q 2为热机在低温热源放出的热量。 20、克劳修斯等式与不等式:02

211≤+T Q T Q 。 21、可逆热力学过程0=?T dQ ,不可逆热力学过程0

dQ 。 22、热力学基本方程:V p S T U d d d -=。

23、熵函数是一个广延量,具有可加性;对于可逆过程,熵S 是一个态函数,积分与路径无关;对于绝热过程中,熵永不减少。

24、理想气体的熵函数S :0ln ln S V nR T nC S V ++=;0ln ln S p nR T nC S p +-=。

25、熵增加原理:系统经过可逆绝热过程后熵不变,经过不可逆绝热过程后熵增加,在绝热条件下熵减少的过程是不可能实现的。熵增加原理用来判断过程进行的方向和限度。

26、孤立系统内所发生的过程的方向就是熵增加的方向,若系统经绝热过程后熵不变,则此过程是可逆的;若熵增加,则此过程是不可逆的。

27、熵是系统中微观粒子作无规则运动的混乱程度的量度。

28、在等温等容过程中,系统的自由能(TS U F -=)永不增加,系统发生的不可逆过程总是朝着自由能减少的方向进行;在等温等压过程中,吉布斯函数(pV TS U G +-=)永不增加,系统发生的不可逆过程总是朝着吉布斯函数减少的方向进行。

第二章 均匀物质的热力学性质

1

、内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分(记忆方法):

Vdp TdS dH +=;Vdp SdT dG +-=;pdV SdT dF --=;pdV TdS dU -=

2、麦氏关系:V S S p V T ??? ????-=??? ???? ;p

S S V p T ??? ????=???? ???? )

,(d +-G ),(d ++H ),(d --F ),(d -+U O

V T T p V S ??? ????=??? ???? ;T

p p S T V ???? ????-=??? ???? 3、获得低温的方法主要有节流过程和绝热膨胀过程;节流过程前后气体的温度发生了变化,这个效应称之为:焦耳-汤姆孙效应;对于理想气体,节流过程前后温度不变。

4、受热的物体会辐射电磁波,叫做热辐射;热平衡辐射体对电磁波的吸收和辐射达到平衡,热辐射的特性只取决于辐射体的温度,与辐射体的其他性质无关,所以说平衡辐射下,辐射体具有固定的温度。

第三章 单元系的相变

1、孤立系统达到平衡态的时候,系统的熵处于极大值状态,这是孤立系统平衡态的判据;如果极大值不止一个,则当系统处于较小的极大值的时候,系统处于亚稳平衡态。

2.孤立系统处在稳定平衡态的充要条件是:0?F ;等温等压系统处在稳定平衡态的充要条件是:0>?G 。

3、当系统对于平衡状态而发生某种偏离的时候,系统中将会自发地产生相应的过程,直到恢复系统的平衡。

4、开系的热力学基本方程:dn pdV TdS dU μ+-=

5、单元系的复相平衡条件:βαβαβαμμ===;;p p T T

6、汽化线、熔解线与升华线的交点称为三相点,在三相点固、液、气三相可以平衡共存。

7、单元系三相共存时,??

???========),(),(),(;;00p T p T p T p p p p T T T T γβαγβαγβαμμμ即三相(α β γ)的温度、压强和

化学势必须相等。

第四章 多元系的复相平衡和化学平衡

1、多元系是由含有两种或两种以上化学组分组成的系统,在多元系既可以发生相变,也可以发生化学变化。

2、在系统的T 和p 不变时,若各组元的摩尔数都增加λ倍,系统的V 、U 、S 也应增加λ倍。

3、多元系的热力学基本方程:∑+

-=i i i dn pdV TdS dU μ 4、吉布斯关系:0=+-∑i i i

d n Vdp SdT μ

5、多元系的复相平衡条件:整个系统达到平衡的时候,两相中各组元的化学势必须分别相等,即βαμμi i =。

6、化学反应(所有的反应物和生成物都在同一相):∑=i

i

i A 0ν;其化学平衡条件为:∑=i i i

0μν

7、道尔顿分压定律:混合理想气体的压强等于各组元的分压之和,即∑=i

i

p p 8、理想气体在混合前后的焓值相等,所以理想气体在等温等压下混合过程中与外界没有热

量交换。

9、偏摩尔体积、偏摩尔内能和偏摩尔熵:

∑∑=???? ????=i v n n V n V i i n p T i i i j ,,;∑∑=???? ????=i i i n p T i i i u n n U n U j

,,;∑∑=???? ????=i i i n p T i i i s n n S n S j ,, 物理意义:在保持温度(T )、压强(p )和其他组元(n j )摩尔数不变的条件下,每增加1mol 的第i 组元物质,系统体积(或内能、熵)的增量。

10、混合理想气体的物态方程:∑=+++=i i k n RT

RT n n n pV )(21 ,由此可得摩尔分数i i

i

i i x n n p p ==∑。 11、混合理想气体的吉布斯函数[]∑∑+==

i i i i i i i p x RT n n G )ln(?μ,混合理想气体的内能[]

∑?+=i i i v i

u dT c n U 0(混合理想气体的内能等于分内能之和),混合理想气体的熵∑???

????+-=i i i pi i s p x R dT T c n S 0)ln(

统计物理学部分

第六章 近独立粒子的最概然分布

1、粒子的能量是粒子的广义坐标和广义动量的函数),,;,,,(2121r r p p p q q q εε=,某一时刻粒子的运动状态),,;,,,(2121r r p p p q q q 可以用μ空间的一点来表示,注意,粒子在μ空间的轨迹并不是粒子的实际运动轨迹。

2、自由粒子自由度3,空间维数6,能量(球))(21222z y x p p p m

++=ε;线性谐振子自由度1,空间维数2,能量(椭圆)2222

12x m m p ωε+=;(长度一定轻杆连接质点)转子自由度2,空间维数4,能量I

M 2 2

=ε。 3、粒子运动状态的量子描述: ω =E ;k p =(德布罗意关系)自旋磁量子数2

1±=s m 4、粒子的自由度为r ,各自由度的坐标和动量的不确定值i q ?和i p ?满足海森伯不确定关系h p q i i ≈??,相格的大小为r r r h p p q q ≈???? 11。

5、近独立粒子系统:系统中粒子之间的相互作用很弱,相互作用的平均能量远小于单个粒子的平均能量,忽略粒子之间的相互作用,系统的能量就简单地认为是单个粒子的能量之和。

6、经典物理:全同粒子可以分辨,可以跟踪粒子的轨道运动轨迹;量子物理:全同粒子不可分辨,不可能跟踪粒子的运动(不确定关系)。

7、费米子:自旋量子数为半整数的基本粒子或复合粒子,如:电子、质子、中子等。玻色子:自旋量子数为整数的基本粒子或复合粒子,如:光子、π介子等。

8、玻耳兹曼系统:粒子可以分辨,不满足泡利不相容原理,对三个粒子两个能级体系,有

9个不同的量子态;

玻色系统:粒子不可以分辨,不满足泡利不相容原理,有6个不同的量子态;

费米系统:粒子不可以分辨,满足泡利不相容原理,有3个不同的量子态。

9、统计物理的根本问题:确定各微观状态出现的概率;宏观状态量是相应微观物理量的统计平均值。

10、等概率原理:对于平衡态的孤立系统,系统各个可能的微观状态出现的概率是相等的,等概率原理是统计热力学的基本原理。

11、玻耳兹曼分布:l l

l a ω=e ;玻色分布:1e -=+l l

l a ω;费米分布:1e +=+l l

l a ω

第七章 玻耳兹曼统计

1、内能是系统中粒子无规则运动总能量的统计平均值,其统计表达式为: 1ln Z N U β??-=,其中配分函数∑-=l

l l Z βεωe 1,1Z e N α-=。 2、(玻耳兹曼系统)熵的统计物理意义:熵是混乱度的量度,某个宏观状态对应的微观状态数越多,它的混乱度就越大,熵就越大。 熵的统计表达式:???

? ????-=11ln ln Z Z Nk S ββ,其中kT 1=β;玻耳兹曼关系式:Ω=ln k S 3、理想气体的物态方程:V

NkT Z V N p =??=1ln β 4、气体满足经典极限条件(非简并条件):1e >>α,即要求(1)气体要稀薄;(2)温度

要高;(3)分子的质量m 要大。

5、麦克斯韦速度分布:z y x v v v kT m

z y x z y x dv dv dv e kT m n dv dv dv v v v f z y x )(222

22/3)2(),,(++-=π; 麦克斯韦速率分布:dv v kT

m n fdv v kT m 2222/3e )2(4-=ππ 6、最概然速率:m

kT v m 2=;平均速率:m kT v π8=;方均根速率:m kT v s 3= 7、单位时间内碰到单位面积器壁上的分子数(碰壁数):v n 4

1=Γ 8、能量均分定理:对于处在温度为T 的平衡状态的经典系统,粒子能量中每一个平方项的平均值的平均值等于

kT 21。根据能量均分定理,单原子分子的平均能量为kT 2

3=ε,双原子分子的平均能量kT 25=ε【平动能+转动能+0振动能(相对运动动能+相对运动势能)】。

第八章 玻色统计和费米统计

1、当系统不满足非简并性条件,而且也不是定域系统时,需要采取玻色统计或费米统计的方法来处理。微观粒子全同性原理决定了二者与玻耳兹曼系统不同的宏观性质。

2、巨配分函数:()l l l l l ωβε

αΞΞ---∏∏-==e 1

3、熵与微观状态数的关系:()ΩβαΞln ln k U N k S =++=

4、巨热力势和巨配分函数的关系:Ξln kT J -=

5、当理想玻色气体的612.23≥λn 的临界值的时候将会出现玻色-爱因斯坦凝聚现象。

6、光子气体 特征1:自旋量子数为1;

特征2:所有光子速度均为常数c ,具有极端相对论的能量动量关系;

特征3:光子系统的总粒子数不固定;

能量动量关系:cp =ε(用德布罗意关系证明:cp h

c c

h h ====λλνε)

7、辐射场普朗克公式:ωωπωωεωωωd c V d )(D d )T ,(U kT /1

e 3

32-== 8、普朗克假说:能量是一份份传播的,即能量量子化,每一份光子的能量为νh ,称为能量子,这是物理革命性的飞跃。

9、光子气体(极端相对论粒子)状态方程:V

U p 31= 第九章 系综理论

1、 统计热力学的基本原理是:等概率原理;

宏观体系的性质是微观性质的综合体现;

体系的热力学量等于其微观量的统计平均。

由微观量求取宏观量的基本手段:系综理论,可适用有相互作用体系

2、 微正则系综:无数宏观上完全相似的体系的集合,体系与环境之间没有物质和能量的交换;(孤立系统的集合,N 、E 、V 不变)

正则系综:无数宏观上完全相似的体系的集合,体系与环境只有热量的交换,没有功和物质的交换;(封闭系统的集合,N ,V ,T 不变)

巨正则系综:无数宏观上完全相似的体系的集合,体系与环境之间既有物质也有能量的交换。(开放系统的集合,V 、T 、μ不变)

3、刘维尔定理:系统从初态出发沿着正则方程确定的轨道运动,概率密度ρ在运动中不随时间改变,即0d d =t

ρ。 4、等概率原理的量子表达式:Ωρ1=s 。

5、几率归一化条件:因为体系在任何时间均一定会处于某一微观运动状态,所以,体系的所有可达微观运动状态出现的几率之和应等于1。即?=1d ),,(Ωρt p q 。

6、正则系综配分函数∑-=s E s Z β

e 是统计热力学中最重要的函数。

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)

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 <

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;

热力学与统计物理学基础

热力学与统计物理学基础 Classical Thermodynamics and Statistical Physics 课程编号:课程属性:学科基础课课时/学分:50/2.5 预修课程:高等数学 教学目的和要求: 本课程为力学学科博士研究生的学科基础课,也可为物理学以及其它应用科学研究生的选修课。 通过本课程的学习,学生不仅能掌握热力学和统计物理学的一般知识并熟练运用,而且还能系统地学习到从宏观上和微观上描述热力学系统热现象和热性质的方法。这些有助于学习和掌握其它课程,并大大开拓学生的研究思路。 内容提要: 引言 第一章热力学的基本规律 热力学系统的平衡状态及其描述,热平衡定律和温度,物态方程,热力学第一定律,热容量、焓、内能,卡诺循环,热力学第二定律,热力学第三定律。 第二章热力学基本微分方程 熵,自由能、吉布斯函数,基本热力学函数的确定,特性函数 第三章单元系的相变 热动平衡判据,开系的热力学基本方程,复相平衡条件,单元复相系的平衡性质,临界点和气液两相的转变。 第四章多元系的复相平衡和化学平衡 多元系的热力学函数和热力学方程,多元系的复相平衡条件,吉布斯相律,化学平衡条件,混合理想气体的性质,理想气体的化学平衡。 第五章统计物理学基本理论 统计规律性,概率分布,统计平均值,等概率原理,近独立粒子系统的经典统计理论。 第六章平衡态统计物理学 系统微观状态的描述,统计系综,刘维尔定律,微正则系综,正则系综,巨正则系综,正则分布对近独立粒子系统的应用,能量均分定律和理想气体比热容,实际气体的物态方程。 第七章涨落理论 涨落的准热力学方法,涨落的空间关联与时间关联,布朗运动,仪器的灵敏度,电路中的热噪声。 第八章非平衡态热力学与统计物理简介 不可逆过程与偏离平衡态的物质,昂萨格关系,波尔兹曼积分微分方程,H定理与细致平衡原理,气体的黏滞性,输运过程的动理论。 主要参考书: 1. Ashley H. Carter, Classical and Statistical Thermodynamics(热力学与统计物

(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

热力学统计物理试题

.填空题 1.设一多元复相系有个「相,每相有个k组元,组元之间不起化学反应。此系统平 衡时必同时满足条件:________ 、________ 、__________ 。 2.热力学第三定律的两种表述分别叫做:________ 和______ 。 3.假定一系统仅由两个全同玻色粒子组成,粒子可能的量子态有4种。则系统可能 的微观态数为:_______ 。 5.均匀系的平衡条件是_______ ;平衡稳定性条件是_______ 。 7.玻色分布表为___ ;费米分布表为______ ;玻耳兹曼分布表为______ 。当满足条 件________ .时,玻色分布和费米分布均过渡到玻耳兹曼分布。 8.热力学系统的四个状态量S、V、P、T所满足的麦克斯韦关系 为________ ,_________ ,__________ ,_________ 。 9?玻耳兹曼系统粒子配分函数用乙表示,内能统计表达式为____________ ,广义力统计表达式为________ ,熵的统计表达式为________ ,自由能的统计表达式 为________ 。 11.单元开系的内能、自由能、焓和吉布斯函数所满足的全微分 ^是:_____ , ___ ,_____ ,_____。 12?均匀开系的克劳修斯方程组包含如下四个微分方 程:________ ,________ ,________,_______ 。 13.等温等压条件下系统中发生的自发过程,总是朝着_________ 方向进行,当_______ 时,系统达到平衡态;处在等温等压条件下的系统中发生的自发过程,总是朝 着____ , ____ 方向进行,当________ 时,系统达到平衡态。 14.对于含N个分子的双原子分子理想气体,在一般温度下,原子内部电子的运动 对热容量_______ ;温度大大于振动特征温度时,热容量为__________ ;温度小小于转动特征温度时,热容量为__________ 。温度大大于转动特征温度而小小于振动特征温度时,热容量为__________ 。 15.玻耳兹曼系统的特点是:系统由______ 粒子组成;粒子运动状态用_______ 来描写; 确定______ 即可确定系统的微观态;粒子所处的状态_________ 的约束。

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 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

热力学统计物理

热力学与统计物理学(Thermodynamics and Statistical Physics)

课程内容第0章导论 热力学 第一章热力学的基本规律 第二章均匀物质的热力学性质 *第三章单元系的相变 第四章多元系的复相平衡和化学平衡 *第五章不可逆过程热力学简介 统计物理学 第六章统计规律性与概率统计分布 第七章近独立粒子系统的最概然分布 第八章玻耳兹曼统计理论 第九章费米统计和玻色统计理论 *第十章系综理论 *第十一章涨落理论 *第十二章非平衡态统计理论初步

教材与参考书 教材: 1. 汪志诚,《热力学·统计物理》(第三版),高等教育出版社,2003年(兰州大学) 参考书: 1. 汪志诚,《热力学·统计物理(第3版)学习辅导书》,高等教育出版社,2004年 2. 马本堃,《热力学与统计物理学》(第二版),高等教育出版社,1995年(北京师范大学) 3. 钟云霄,《热力学与统计物理学》,科学出版社,1988年(北京大学) 4. 苏汝铿,《统计物理学》(第二版),高等教育出版社,2004年(复旦大学) 5. 龚昌德,热力学与统计物理学,(南京大学) 6. 王诚泰,统计物理学,(清华大学) 7. [美]L.E.雷克,《统计物理现代教程(上)》,北京大学出版社,1983年 8. L. E. Reichl, A Modern Course in Statistical Physics (2nd Edition), 1998,University of Texas 9. R. K. Pathria, Statistical Mechanics (2nd Edition), 2003, University of Waterloo, Canada 10. 中国科技大学物理班,《美国物理试题与解答第五卷热力学与统计物理学》,中国科技大学出版社,1986年 11. 李湘如、彭匡鼎,《热力学与统计物理学例题和习题(热力学分册)》,高等教育出版社,1988年 12. 彭匡鼎、李湘如,《热力学与统计物理学例题和习题(统计物理学分册)》,高等教育出版社,1988年

热力学和统计物理的答案解析第二章

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 ????= ? ??????= ??

热力学与统计物理答案第二章

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 ????= ? ??????= ??

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