統(tǒng)計物理與熱力學本課程將帶您深入了解統(tǒng)計物理和熱力學的基本概念，并探討其在現(xiàn)代物理學和相關(guān)學科中的應用。課程介紹課程名稱統(tǒng)計物理與熱力學授課教師陳培鋒課程目標1理解統(tǒng)計物理和熱力學的核心概念包括熱力學三大定律、熵、配分函數(shù)、統(tǒng)計分布等。2掌握統(tǒng)計物理方法解決實際問題例如理想氣體、實際氣體、固體的熱性質(zhì)、相變等。3了解統(tǒng)計物理在物理學和相關(guān)學科中的應用如化學、材料科學、生物物理學等。先修知識經(jīng)典力學牛頓定律、能量守恒、功和能等。熱力學溫度、熱量、比熱容、熱力學定律等。統(tǒng)計學概率、統(tǒng)計分布、平均值等。微積分導數(shù)、積分、微分方程等。課程內(nèi)容概述1熱力學基礎熱力學三大定律、熵、熱力學函數(shù)等。2統(tǒng)計物理配分函數(shù)、統(tǒng)計分布、理想氣體、實際氣體、固體熱性質(zhì)等。3相變和臨界現(xiàn)象相變、臨界點、臨界現(xiàn)象等。4非平衡態(tài)統(tǒng)計物理非平衡態(tài)、漲落、耗散等。熱力學第一定律能量守恒系統(tǒng)能量變化等于外界傳入的熱量與外界對系統(tǒng)所做的功之和。熱量傳遞熱量可以從高溫物體傳遞到低溫物體，但不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。熱力學第二定律熵增加原理孤立系統(tǒng)的熵總是趨向于增加，直到達到最大值。熱力學效率熱機不可能將全部熱能轉(zhuǎn)化為功，其效率受到卡諾循環(huán)效率的限制。熵概念1微觀狀態(tài)數(shù)系統(tǒng)處于某一宏觀狀態(tài)的微觀狀態(tài)數(shù)。2無序程度系統(tǒng)混亂程度的度量。3信息量系統(tǒng)所包含信息的多少。熱力學函數(shù)1內(nèi)能系統(tǒng)所有微觀粒子動能和勢能的總和。2焓系統(tǒng)的內(nèi)能加上壓強與體積的乘積。3吉布斯自由能衡量系統(tǒng)在恒溫恒壓條件下做功的能力。相平衡1固態(tài)分子排列有序，具有固定形狀和體積。2液態(tài)分子排列無序，具有流動性，體積固定。3氣態(tài)分子排列完全無序，沒有固定形狀和體積。理想氣體統(tǒng)計分子間無相互作用理想氣體分子之間沒有相互作用力。麥克斯韋速度分布理想氣體分子速度分布符合麥克斯韋速度分布規(guī)律。配分函數(shù)巨正則分布粒子數(shù)可變系統(tǒng)中粒子數(shù)可以發(fā)生變化?；瘜W勢描述粒子進入系統(tǒng)時的能量變化。實際氣體統(tǒng)計分子間相互作用考慮分子間吸引力和排斥力。范德華方程描述實際氣體的狀態(tài)方程。量子系統(tǒng)統(tǒng)計1量子效應描述量子系統(tǒng)的統(tǒng)計性質(zhì)。2費米-狄拉克分布適用于費米子系統(tǒng)。3玻色-愛因斯坦分布適用于玻色子系統(tǒng)。費米-狄拉克分布1費米子遵循泡利不相容原理，每個量子態(tài)只能容納一個費米子。2低溫性質(zhì)費米子系統(tǒng)在低溫下表現(xiàn)出獨特的性質(zhì)，例如超導現(xiàn)象。玻色-愛因斯坦分布1玻色子多個玻色子可以占據(jù)同一個量子態(tài)。2玻色-愛因斯坦凝聚在極低溫下，玻色子系統(tǒng)會發(fā)生玻色-愛因斯坦凝聚現(xiàn)象。固體的熱性質(zhì)晶格振動固體原子圍繞平衡位置振動。德拜模型描述固體熱容隨溫度變化的理論模型。黑體輻射理論普朗克公式描述黑體輻射能量譜的公式。量子化假設能量以量子化的形式被輻射和吸收。量子力學基礎波粒二象性光和物質(zhì)同時具有波動性和粒子性。量子疊加量子系統(tǒng)可以處于多個量子態(tài)的疊加態(tài)。不確定性原理不可能同時精確測量一個粒子的位置和動量。原子和分子統(tǒng)計1原子能級原子電子在特定能級上運動。2分子振動和轉(zhuǎn)動分子可以進行振動和轉(zhuǎn)動運動。3光譜學利用光譜學方法研究原子和分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。相變和臨界現(xiàn)象相變類型包括氣液相變、固液相變等。臨界點相變發(fā)生時的溫度和壓強。臨界現(xiàn)象臨界點附近出現(xiàn)的一些特殊現(xiàn)象，例如密度漲落。非平衡態(tài)統(tǒng)計物理1非平衡態(tài)系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)。2漲落系統(tǒng)內(nèi)部變量的隨機波動。3耗散系統(tǒng)能量損失。系統(tǒng)與環(huán)境的熱力學關(guān)系1開放系統(tǒng)系統(tǒng)可以與環(huán)境交換能量和物質(zhì)。2封閉系統(tǒng)系統(tǒng)可以與環(huán)境交換能量，但不能交換物質(zhì)。3孤立系統(tǒng)系統(tǒng)不能與環(huán)境交換能量和物質(zhì)。信息論與統(tǒng)計物理1信息熵描述信息系統(tǒng)中不確定性的度量。2最大熵原理在信息不完全的情況下，應該選擇熵最大的概率分布。統(tǒng)計物理在物理學中的地位粒子物理研究基本粒子的性質(zhì)和相互作用。凝聚態(tài)物理研究固體和液體等凝聚態(tài)物質(zhì)的性質(zhì)。宇宙學研究宇宙的起源、演化和結(jié)構(gòu)。統(tǒng)計物理在其他學科中的應用化學化學反應動力學、化學平衡等。材料科學材料的熱力學性質(zhì)、材料的相變等。生物物理學生物系統(tǒng)的熱力學性質(zhì)、生物分子動力學等。學習建議預習課本課前預習課本內(nèi)容，理解基本概念和理論。認真聽講課堂上認真聽講，積極思考問題。練習習題通過練習習題鞏固所學知識。積極提問如有疑問及時向老師