具体描述
经典热力学与统计物理：从宏观现象到微观图景 著者： [此处可填写虚构的作者姓名，例如：阿德里安·福尔曼] 译者： [此处可填写虚构的译者姓名，例如：李文涛] ISBN： [此处可填写虚构的ISBN号码，例如：978-7-5350-1234-5] 出版社： [此处可填写虚构的出版社名称，例如：科学前沿出版社] 字数： 约 50 万字 开本与装帧： 16 开，精装 --- 内容简介 《经典热力学与统计物理：从宏观现象到微观图景》是一部系统而深入的教材，旨在为物理学、化学、材料科学及工程学领域的学生和研究人员，构建一座连接宏观热力学定律与微观粒子行为的坚实桥梁。本书的核心目标是清晰阐述热力学四大基本定律的物理意义及其数学形式，并在此基础上，引入统计物理学的基本概念，探究如何利用概率和统计方法解释宏观系统的所有热力学性质。 本书的叙事结构经过精心设计，力求逻辑严密，层层递进。我们首先从经验观察出发，详细剖析经典热力学的基石——温度、热量、功以及熵的概念。 第一部分：经典热力学的基础（宏观描述） 在这一部分，我们严格遵循历史发展的脉络和逻辑推导的需要，深入讲解了热力学的第一定律（能量守恒）和第二定律（熵增原理）。 第一章：热力学系统与基本概念。 详细界定了热力学系统、环境、平衡态、过程（可逆与不可逆）等核心术语。我们着重讨论了状态函数与过程函数的区别，并引入了大量实际工程和实验中的实例，如等温、等压、绝热过程的分析。 第二章：热力学第一定律。 能量是系统的基本属性。本章深入探讨了内能的概念，并详尽分析了功的各种形式——压力-体积功、表面功、电功等。通过对理想气体、真实气体的演化过程进行详细的能量平衡分析，为后续的熵引入做好铺垫。 第三章：热力学第二定律的表述与熵。 这是全书的理论核心之一。我们从卡诺循环的理想化分析出发，系统阐述了克劳修斯不等式和开尔文-普朗克表述的等价性。熵的引入并非空泛的数学操作，而是被赋予了深刻的物理意义——衡量系统微观无序性的指标。我们通过对不可逆过程的分析，确立了熵增原理在自然界中的普适性。 第四章：热力学第三定律与热力学势。 第三定律，即绝对零度不可达到性，为量化熵提供了基准。在此基础上，我们发展了赫姆霍兹自由能（$F$）、吉布斯自由能（$G$）以及焓（$H$）等一系列热力学势。这些势函数极大地简化了化学平衡、相变和过程自发性的判断。本章包含了大量利用偏微分关系和麦克斯韦关系式解决复杂热力学问题的实例。 第五章：相平衡与化学热力学。 我们利用吉布斯自由能的极小原理，导出了相律，并详细分析了单组分（如水的三相点）和多组分系统的相图。随后，我们将焦点转向化学反应：平衡常数、反应的吉布斯能变（$Delta G$），以及勒夏特列原理的统计学解释。 第二部分：统计物理学的建立（微观基础） 在对宏观现象进行了彻底的经典描述后，本书的第二部分转向微观世界，探讨原子和分子层面的运动如何涌现出这些宏观的热力学规律。 第六章：概率论基础与系综理论。 统计物理学的语言是概率。本章复习了必要的高级概率论知识，如大数定律和中心极限定理，并引入了统计物理学的核心工具——系综概念。我们详细区分了微正则系综、正则系综和宏正则系综，并明确了连接微观状态数（$Omega$）与宏观熵（$S=k_B ln Omega$）的玻尔兹曼公式。 第七章：经典统计力学：麦克斯韦-玻尔兹曼分布。 针对宏观系统中粒子数量极多的情况，我们利用正则系综，推导了粒子速度的麦克斯韦分布，并计算了平均速度、均方根速度等关键参数。随后，我们应用此分布来重新计算理想气体的内能、比热容以及压力，首次在微观层面验证了经典热力学的结论。 第八章：量子统计力学导论：费米子与玻色子。 随着量子力学的发展，经典统计的局限性暴露无遗（如黑体辐射和固体比热问题）。本章系统地引入了量子统计的概念，特别是费米-狄拉克（FD）分布和玻色-爱因斯坦（BE）分布。 第九章：量子统计的应用：理想气体与简并态。 费米气体： 详细分析了零温下的费米简并现象，计算了费米能和费米动量，并将此应用于金属的电子比热计算，成功解决了经典理论的“电子热容之谜”。 玻色气体： 深入探讨了玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）现象的理论基础。我们详细推导了临界温度的条件，并讨论了液氦-4的超流性与BEC的深刻联系。 第十章：振子、辐射场与涨落现象。 我们转向处理辐射场。普朗克对黑体辐射的革命性假设被完整阐述，并推导出瑞利-金斯斯定律和维恩位移定律的局限性，最终确立了普朗克黑体辐射定律。此外，本章还探讨了量子谐振子模型在固体比热（德拜模型）中的应用，并引入了涨落-耗散定理的初步概念，展示了统计平均量之外的微观随机性对宏观系统的影响。 --- 本书特色与读者对象 创新之处： 1. 严谨的数学推导与直观的物理图像相结合： 本书避免了纯粹的形式主义，每一个数学工具（如配分函数）的引入都伴随着对其实际物理意义的深入阐释。 2. 强调热力学与统计物理的互逆联系： 我们不只是简单地将两部分内容堆砌，而是通过大量的“再现式”练习，让读者在第二部分中亲手“推导出”第一部分中的经典结论。 3. 丰富的现代案例： 除了经典的理想气体和范德华气体，本书还包含了对半导体中的载流子统计、激光原理中的粒子分布、以及低温物理中超导和超流现象的初步理论探讨，增强了教材的前沿性。 目标读者： 本书适合物理学、应用物理学、化学物理学专业本科高年级学生，以及研究生入门课程。对于需要利用热力学和统计物理学原理解决工程或材料问题的研究人员，本书亦是极佳的参考资料。本书假定读者已掌握普通物理学和微积分、线性代数的基础知识。 --- > “热力学是关于‘我们知道什么’的科学，而统计物理是关于‘我们如何知道’的科学。唯有理解了后者，我们才能真正掌握前者。” —— 作者序言摘录。
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