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出版者:Springer Verlag

作者:Koechner, Walter

出品人:

页数:766

译者:

出版时间:2006-4

价格:$ 281.37

装帧:HRD

isbn号码:9780387290942

丛书系列:

图书标签:

• 固体激光器
• 激光工程
• 光子学
• 激光物理
• 光学
• 半导体激光器
• 激光技术
• 材料科学
• 量子电子学
• 非线性光学

经典热力学与统计物理学：从微观到宏观的统一视角 本书深入探讨了热力学与统计物理学的核心原理，旨在为读者构建一个从微观粒子行为到宏观系统性质的完整、严谨的理论框架。全书内容丰富，结构清晰，力求在保持物理图像直观性的同时，提供必要的数学深度和逻辑严密性。 第一部分：经典热力学的基石与应用 本部分聚焦于宏观现象的描述和定律的建立，这是理解所有物理系统的基础。 第一章：热力学的基本概念与零定律 本章首先界定了热力学系统的基本要素，包括系统、环境、边界、状态变量（如温度、体积、压力）以及过程（可逆与不可逆）。我们详细阐述了热平衡的概念，并严谨地推导了热力学零定律，确立了温度作为描述热平衡状态的普适量表的地位。讨论了理想气体状态方程作为理想化模型的有效性及其局限性。 第二章：功、热量与热力学第一定律 本章是热力学能量守恒的体现。我们详细区分了功和热量这两种能量传递形式，强调它们是过程量而非状态量。通过对各种形式功（如体积功、表面功、电功）的精确计算，推导出热力学第一定律。结合内能的概念，我们分析了等温、等容、等压、绝热过程中的能量平衡，并引入了焓（H）作为方便的焓变计算工具，特别是在化学反应和相变中的应用。 第三章：熵、热力学第二定律与过程的方向性 熵是理解自然过程不可逆性的关键概念。本章从卡诺循环出发，构建了热力学第二定律的多种等价表述（克劳修斯、开尔文-普朗克）。我们首次引入了熵（S）的概念，并推导出$mathrm{d}S ge frac{delta Q}{T}$的不等式，明确了孤立系统熵增的原理。通过分析热机的效率极限和制冷机的性能系数，展示了第二定律在工程应用中的约束作用。本章还探讨了熵在不可逆过程（如热传导、自由膨胀）中的增长。 第四章：热力学第三定律与绝对熵 在建立了熵的概念后，本章致力于确定熵的绝对值。我们阐述了热力学第三定律——在绝对零度（$T o 0$ K）时，完美晶体的熵趋于零。讨论了第三定律在确定物质热力学性质中的重要性，以及在极低温下物质行为的特殊性。 第五章：热力学关系式与麦克斯韦关系 本部分将前述定律整合进一套强大的数学工具中。我们利用热力学势（内能U、焓H、亥姆霍兹自由能F、吉布斯自由能G）的定义，推导出基于偏导数的麦克斯韦关系式。这些关系式允许我们用易于测量的量（如体积、压力、比热）来推导难以直接测量的量（如熵变、内能变）。本章还深入分析了化学势的概念，并探讨了相平衡条件。 第六章：相变与多相平衡 本章专门研究物质状态的突变现象。我们详细分析了一级相变（如熔化、汽化）和二级相变（如超导转变、铁磁-顺磁转变）的特征。核心内容包括克拉佩龙方程（描述压力对相变温度的影响）和克劳修斯-克拉佩龙方程（处理液-气相变）。对于多组分系统，我们引入了吉布斯相律 $F = C - P + 2$，并用它来系统分析不同类型的相图和三相点、临界点等关键特征。 第二部分：统计物理学的微观基础 本部分从微观粒子的随机运动和量子力学的基本假设出发，为宏观热力学定律提供微观解释。 第七章：统计方法与概率回顾 在进入正式的统计力学之前，本章复习了必要的概率论基础，包括均值、方差、分布函数的概念。引入了排列组合的数学工具，为玻尔兹曼统计奠定基础。重点讨论了“大数定律”和“涨落”的概念，解释了为何宏观量是确定的，而微观量是随机的。 第八章：相空间与经典系综理论 本章构建了描述大量粒子系统的数学框架——相空间。我们定义了微观状态和宏观状态。核心是系综的概念： 1. 微正则系综 (Microcanonical Ensemble): 适用于孤立系统（能量、体积、粒子数固定）。推导出熵与可能状态数 $Omega$ 的关系 $S = k_B ln Omega$，这是连接统计力学与热力学的桥梁。 2. 正则系综 (Canonical Ensemble): 适用于与恒温热库接触的系统。引入配分函数（Partition Function, Z）作为核心工具，展示如何从Z导出所有宏观热力学量（内能、自由能、熵、压力）。 3. 巨正则系综 (Grand Canonical Ensemble): 适用于与恒温恒化学势热库接触的系统。 第九章：理想玻尔兹曼气体 应用正则系综理论，本章专门分析了理想玻尔兹曼气体（即经典粒子系统）。通过计算配分函数，推导了理想气体的状态方程（重新验证第一定律的结果），并精确计算了其平均动能、内能和热容。我们探讨了双原子分子和多原子分子在不同温度下的自由度激发情况（如振动能级的忽略）。 第十章：量子统计力学：费米-狄拉克与玻色-爱因斯坦统计 随着温度降低，粒子的量子特性变得不可忽略。本章引入量子统计的必要性。 1. 费米-狄拉克统计 (Fermions): 适用于具有半整数自旋的粒子（如电子）。详细讨论了费米能级的概念、费米面以下的粒子填充情况，并应用于分析导体中的电子比热（解释了低温下电子对总热容的贡献很小）。 2. 玻色-爱因斯坦统计 (Bosons): 适用于具有整数自旋的粒子（如光子、声子）。推导了普朗克辐射定律（从光子在谐振腔内的统计分布导出）和玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）现象的理论基础，包括临界温度的计算。 第十一章：气体动力学理论的再审视 本章回到对气体运动的经典描述，使用动力学方法来补充热力学和系综方法的不足。我们推导了麦克斯韦速率分布，并用它来计算平均速率、均方速率等。进一步，我们讨论了气体分子碰撞理论，推导出粘滞系数、扩散系数和热导率，并展示了这些输运系数与分子平均自由程之间的定量关系。 附录 包含必要的数学工具，如高斯积分、斯特林近似、广义积分和拉普拉斯近似的详细推导，以支撑正文中的复杂计算。 本书的结构设计确保了读者能够从宏观现象的经验总结（热力学）平稳过渡到微观机制的精确描述（统计物理学），最终理解物理世界在不同尺度上的统一规律。

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