热力学与统计物理汪志诚第五版期末总复习课件

热力学与统计物理汪志诚第五版期末总复习热力学与统计物理汪志诚第五版期末总复习1考试地点：考试地点：316考试时间：考试时间：2015年年7月月2号（星期四）号（星期四）8:30-10:30答疑时间：答疑时间：2015年年7月月1号号答疑地点：文理楼答疑地点：文理楼-2862 2考试地点：316考试时间：2015年7月2号（星期四）8简单回顾简单回顾第一章：热力学的基本规律第一章：热力学的基本规律一、基本概念一、基本概念1、系统（孤立系、闭系、开系）、系统（孤立系、闭系、开系）2、平衡态及其描述（状态参量：压强、体积等）、平衡态及其描述（状态参量：压强、体积等）分布、系统微观状态分布、系统微观状态3、准静态过程、准静态过程绝热过程绝热过程 可逆过程可逆过程 不可逆过程不可逆过程 4、内能、焓、自由能、吉布斯函数、熵：状态函数、内能、焓、自由能、吉布斯函数、熵：状态函数功、热量：过程量功、热量：过程量5、物态方程、物态方程体胀系数、压缩系数、等温压缩系数体胀系数、压缩系数、等温压缩系数（微正则分布、正则分布、巨正则）（微正则分布、正则分布、巨正则）3 3简单回顾第一章：热力学的基本规律一、基本概念1、系统（孤立系3、理想气体的熵、理想气体的熵（混合理想气体）（混合理想气体）4 43、理想气体的熵（混合理想气体）4二、二、热平衡定律热平衡定律 热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律2、理想气体的绝热过程、理想气体的绝热过程内容及数学描述内容及数学描述三、热容量三、热容量1、理想气体的内能、焓、等容热容量、等压热容量、理想气体的内能、焓、等容热容量、等压热容量只适用于理想气体只适用于理想气体四、理想气体四、理想气体热力学第三定律热力学第三定律5 5二、热平衡定律 热力学第一定律热力学第二定律2、理4、理想气体的卡诺循环、理想气体的卡诺循环五、热机、制冷机五、热机、制冷机六、卡诺定理及推论六、卡诺定理及推论七、克劳修斯等式和不等式七、克劳修斯等式和不等式八、熵增原理及其应用八、熵增原理及其应用九、热力学基本方程九、热力学基本方程可逆可逆6 64、理想气体的卡诺循环五、热机、制冷机六、卡诺定理及推论七、二、麦氏关系二、麦氏关系第二章：均匀物质的热力学性质第二章：均匀物质的热力学性质一、全微分形式一、全微分形式（单元、单相、闭系）（单元、单相、闭系）三、热容量三、热容量7 7二、麦氏关系第二章：均匀物质的热力学性质一、全微分形式（单元三、链式关系、循环关系、倒数关系等三、链式关系、循环关系、倒数关系等 循环关系 倒数关系 链式关系角标变换关系8 8三、链式关系、循环关系、倒数关系等 循环关系 倒数关系 四、雅可比行列式四、雅可比行列式五、热力学关系式的证明五、热力学关系式的证明9 9四、雅可比行列式五、热力学关系式的证明9101010111111121212131313第三章：单元系相变第三章：单元系相变六、克拉伯龙方程六、克拉伯龙方程（单元复相系）（单元复相系）一、热动平衡判据一、热动平衡判据（1）熵判据）熵判据（2）自由能判据）自由能判据（3）吉布斯函数判据）吉布斯函数判据 (孤立系统）孤立系统）(等温等容）等温等容）(等温等压）等温等压）二、虚变动二、虚变动 （1）假想的）假想的 （3）满足约束条件的）满足约束条件的 （2）各种可能的）各种可能的四、单元系的复相平衡条件、单元化学反应的化学平衡条件四、单元系的复相平衡条件、单元化学反应的化学平衡条件三、开系热力学基本方程三、开系热力学基本方程五、相图、相变五、相图、相变1414第三章：单元系相变六、克拉伯龙方程（单元复相系）一、热动平衡3.1 3.1 证明下列平衡判据证明下列平衡判据（1 1）在）在 不变的情况下，稳定平衡态的不变的情况下，稳定平衡态的 最小。最小。为了判定在给定的外加约束条件下系统的某状态是否为稳为了判定在给定的外加约束条件下系统的某状态是否为稳定的平衡态，设想系统围绕该状态发生各种可能的定的平衡态，设想系统围绕该状态发生各种可能的自发虚自发虚变动。变动。由于不存在自发的可逆变动，由于不存在自发的可逆变动，则有则有 和和 是虚变动前后系统内能和熵的改变是虚变动前后系统内能和熵的改变 是虚变动中外界所做的功是虚变动中外界所做的功（P42P42，1.16.4)1.16.4)15153.1 证明下列平衡判据（1）在 不变的情况下，稳（1 1）在）在 不变的情况下，不变的情况下，如果系统达到了如果系统达到了 为极小的状态，它的内能就不再减少，为极小的状态，它的内能就不再减少，系统就不可能自发发生任何宏观的变化而处在稳定的平衡系统就不可能自发发生任何宏观的变化而处在稳定的平衡状态。状态。在在 不变的情况下，稳定平衡态的不变的情况下，稳定平衡态的 最小。最小。1616（1）在 不变的情况下，如果系统达到了 为极小的状（2 2）在）在 不变的情况下，稳定平衡态的不变的情况下，稳定平衡态的 最小。最小。不变不变不变不变则有则有而而在在 不变的情况下，稳定平衡态的不变的情况下，稳定平衡态的 最小。最小。1717（2）在 不变的情况下，稳定平衡态的 最小。不变不第四章：多元系的相变第四章：多元系的相变一、齐次函数的欧勒定理一、齐次函数的欧勒定理如果函数如果函数 满足以下关系式满足以下关系式则称此函数为则称此函数为 的的 m 次齐函数次齐函数.二、多元系的热力学基本方程二、多元系的热力学基本方程1818第四章：多元系的相变一、齐次函数的欧勒定理如果函数 四、吉布斯相律四、吉布斯相律五、单相化学反应的化学平衡条件五、单相化学反应的化学平衡条件三、多元复相系的平衡条件三、多元复相系的平衡条件六、混合理想气体性质六、混合理想气体性质1919四、吉布斯相律五、单相化学反应的化学平衡条件三、多元复相系的七、理想气体的化学平衡七、理想气体的化学平衡反应度反应度定压平衡常量定压平衡常量习题习题4.9，试求，在，试求，在 NH3 分解为分解为N2和和H2的反应中的定压（的反应中的定压（p）平衡常量）平衡常量 解：解：（初始时，有（初始时，有n0摩尔的摩尔的NH3)初始时的物质的量：初始时的物质的量：平衡时的物质的量改变：平衡时的物质的量改变：平衡时的物质的量：平衡时的物质的量：（反应度为（反应度为 )平衡时的物质的量改变：平衡时的物质的量改变：2020七、理想气体的化学平衡反应度定压平衡常量习题4.9，试求，在平衡时的物质的量：平衡时的物质的量：平衡时的物质的量：平衡时的物质的量：平衡时总的物质的量：平衡时总的物质的量：2121平衡时的物质的量：平衡时的物质的量：平衡时总的物质的量：21第六章第六章 近独立粒子的最概然分布近独立粒子的最概然分布一、粒子一、粒子(力学力学)运动状态的描述运动状态的描述三、重要问题三、重要问题1、经典描述、经典描述2、量子描述、量子描述（个量子数）个量子数）量子态量子态二、二、空间空间:1、经典：、经典：粒子的运动状态可用粒子的运动状态可用 空间中的一点来描述。空间中的一点来描述。2、量子：、量子：粒子的量子态可用粒子的量子态可用 空间中的一个大小为空间中的一个大小为 相格来描相格来描述。述。在体积在体积 内，在内，在 或或 的动量范围内自由粒子的动量范围内自由粒子的量子态数？的量子态数？1、在体积在体积 内，在内，在 的动量大小及方向范围内自由粒子的量的动量大小及方向范围内自由粒子的量子态数？子态数？2、以以 为直角坐标轴张成为直角坐标轴张成的空间的空间 2222第六章 近独立粒子的最概然分布一、粒子(力学)运动状态的描在体积在体积 内，在内，在 的动量大小范围内自由粒子的量子态数的动量大小范围内自由粒子的量子态数？3、四、全同、近独立粒子系统四、全同、近独立粒子系统五、系统微观运动状态的描述五、系统微观运动状态的描述1、经典描述、经典描述在在 空间中对应着空间中对应着 个点个点2、量子描述、量子描述（1）、粒子可分辨（定域）、粒子可分辨（定域）（2）、粒子不可以分辨（非定域）、粒子不可以分辨（非定域）2、个体量子态上容纳的量子数是否受限制、个体量子态上容纳的量子数是否受限制六、玻尔兹曼系统、玻色系统、费米系统六、玻尔兹曼系统、玻色系统、费米系统1、粒子是否可分辨、粒子是否可分辨需要确定每个粒子的量子态需要确定每个粒子的量子态需要确定每个量子态上的粒子数需要确定每个量子态上的粒子数2323在体积 内，在 的动量大小九、对应于分布九、对应于分布 ，系统的微观状态数，系统的微观状态数在在 时，时，1、玻尔兹曼分布、玻尔兹曼分布2、玻色分布、玻色分布3、费米分布、费米分布在在 时，时，此时，玻色、费米分布都过渡到玻尔兹曼分布此时，玻色、费米分布都过渡到玻尔兹曼分布七、等概率原理七、等概率原理-平衡态统计物理的基础平衡态统计物理的基础八、系统的宏观状态、分布、系统的微观状态八、系统的宏观状态、分布、系统的微观状态十、最概然分布十、最概然分布1、玻尔兹曼分布、玻尔兹曼分布2424九、对应于分布 ，系统的微观状态数在 一、玻尔兹曼统计及粒子配分函数一、玻尔兹曼统计及粒子配分函数三、热力学量的统计表达式三、热力学量的统计表达式二、玻尔兹曼关系式及熵的意义二、玻尔兹曼关系式及熵的意义粒子不可分辨时粒子不可分辨时粒子可分辨时粒子可分辨时第七章：玻尔兹曼统计第七章：玻尔兹曼统计3维维 粒子粒子 3维维 粒子粒子 2维维 粒子粒子 1维维 粒子粒子 n维维 粒子粒子 2525一、玻尔兹曼统计及粒子配分函数三、热力学量的统计表达式二、玻（3）速度分布函数速度分布函数一个粒子处在一个粒子处在 中中的概率。的概率。（4）速率分布函数速率分布函数一个粒子处在一个粒子处在 中中的概率。的概率。四、麦克斯韦速度分布律四、麦克斯韦速度分布律（1）也是一个粒子出现在能级也是一个粒子出现在能级 上的概率上的概率（2）动量分布函数动量分布函数一个粒子处于一个粒子处于空间中的体积元空间中的体积元 中的概率中的概率一个粒子处在一个粒子处在 中中的概率。的概率。2626（3）速度分布函数一个粒子处在 五、能量均分定理五、能量均分定理-经典统计理论重要结论经典统计理论重要结论六、理想气体的熵六、理想气体的熵主要的不足之处：主要的不足之处：1.能量均分定理应用于固体热容量时理论与实验不相符。能量均分定理应用于固体热容量时理论与实验不相符。2.解释不了原子内电子对气体的热容量为什么没有贡献。解释不了原子内电子对气体的热容量为什么没有贡献。3.解释不了双原子分子的振动为什么对系统的热容量没有贡献。解释不了双原子分子的振动为什么对系统的热容量没有贡献。2727五、能量均分定理-经典统计理论重要结论六、理想气体的第八章：玻色和费米统计第八章：玻色和费米统计一、配分函数一、配分函数二、统计表达式二、统计表达式2828第八章：玻色和费米统计一、配分函数二、统计表达式28三、玻色爱因斯坦凝聚三、玻色爱因斯坦凝聚显然显然 是非负的，是非负的，这要求这要求玻色分布：玻色分布：则有则有表明：在表明：在 时宏观量级的粒子在能级时宏观量级的粒子在能级 凝聚。凝聚。费米分布：费米分布：不管不管 取什么值，取什么值，总为非负。总为非负。2929绝对零度时呢？绝对零度时呢？三、玻色爱因斯坦凝聚显然 是非负的，这要求玻色分布：表示温度为表示温度为 时，处在能级时，处在能级 的一个量子态上的平均费米子数的一个量子态上的平均费米子数四、四、T=0K 时费米子分布时费米子分布 表示表示0K时费米子气体的化学势时费米子气体的化学势 在在0K时，费米子将尽可能的占据能量最低的状态，但泡利时，费米子将尽可能的占据能量最低的状态，但泡利不相容原理限制每一个量子态上最多只能容纳一个费米子，不相容原理限制每一个量子态上最多只能容纳一个费米子，因此电子从因此电子从 的量子态依次填充至的量子态依次填充至 为止。为止。在在T=0k时费米子可能的最大能量。时费米子可能的最大能量。定义：定义：为费米能量。为费米能量。五、光子气体、普朗克公式五、光子气体、普朗克公式3030表示温度为 时，处在能级 的一个量子态上的平均费米子、玻色、费米、玻色、费米、正正 则则、巨正则、巨正则第九章第九章 系综理论系综理论3131、玻色、费米、正 则、巨正则第九章 系综理