第一篇:熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理(A參考答案)
寶雞文理學(xué)院試題
課程名稱 中學(xué)物理教育理論 適用時(shí)間與實(shí)踐研究
試卷類別A適用專業(yè)、年級、班專升本
一.填空題(本題共 7 題,每空 3 分,總共 21 分)
1.假設(shè)一物質(zhì)的體漲系數(shù)和等溫壓縮系數(shù)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測得為:,則該物質(zhì)的物態(tài)方程為:。
2.1 mol 理想氣體,保持在室溫下(K)等溫壓縮,其壓強(qiáng)從1 準(zhǔn)靜態(tài)變?yōu)?0,則氣體在該過程所放出的熱量為:焦耳。
3.計(jì)算機(jī)的最底層結(jié)構(gòu)是由一些數(shù)字邏輯門構(gòu)成的,比如說邏輯與門,有兩個(gè)輸入,一個(gè)輸出,請從統(tǒng)計(jì)物理的角度估算,這樣的一個(gè)邏輯與門,室溫下(K)在完成一次計(jì)算后,產(chǎn)生的熱量是:焦耳。
4.已知巨熱力學(xué)勢的定義為,這里是系統(tǒng)的自由能,是系統(tǒng)的粒子數(shù),是一個(gè)粒子的化學(xué)勢,則巨熱力學(xué)勢的全微分為:。
5.已知粒子遵從經(jīng)典玻耳茲曼分布,其能量表達(dá)式為子的平均能量為:。
6.溫度 時(shí),粒子熱運(yùn)動(dòng)的熱波長可以估算為:。
7.正則分布給出了具有確定的粒子數(shù)、體積、溫度 的系統(tǒng)的分布函數(shù)。假設(shè)系統(tǒng)的配分函數(shù)為,微觀狀態(tài) 的能量為,則處在微觀狀態(tài) 上的概率為:。
二.簡答題(本題共 3 題,總共 30 分)
1.請從微觀和統(tǒng)計(jì)物理的角度解釋:熱平衡輻射的吉布斯函數(shù)為零的原因。(10分)
2.請說說你對玻耳茲曼分布的理解。(10分)
3.等概率原理以及在統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中的地位。(10分)
三.計(jì)算題(本題共 4 題,總共 49 分)
1.一均勻桿的長度為 L,單位長度的定壓熱容量為,在初態(tài)時(shí)左端溫度為 T1,右端溫度為 T2,T1 < T2,從左到右端溫度成比例逐漸升高,考慮桿為封閉系統(tǒng),請計(jì)算桿達(dá)到均勻溫度分布后桿的熵增。(你可能要用到的積分公式為)(10分)
2.設(shè)一物質(zhì)的物態(tài)方程具有以下形式:,試證明其內(nèi)能和體積無關(guān)。(10分)
3.表面活性物質(zhì)的分子在液面上作二維自由運(yùn)動(dòng),可以看作是二維氣體。請用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論計(jì)算:
(1)二維氣體分子的速度分布和速率分布。(9分)
(2)二維氣體分子的最概然速率。(4分)
4.(1)證明,在二維情況下,對于非相對論粒子,壓強(qiáng)和內(nèi)能的關(guān)系為:
這里,是面積。這個(gè)結(jié)論對于玻爾茲曼分布、玻色分布和費(fèi)米分布都是成立的。(8分)
(2)假設(shè)自由電子在二維平面上運(yùn)動(dòng),電子運(yùn)動(dòng)為非相對論性的,面密度為,試求: 0 K 時(shí)電子氣體的費(fèi)米能量、內(nèi)能和簡并壓強(qiáng)。(8分)
熱力學(xué).統(tǒng)計(jì)物理(A卷)答案
一.填空題(本題共 7 題,每空 3 分,總共 21 分)
1.pVT
?const
2.RT ln 10?5.74?103 3.kT ln 2?2.87?10-21
4.dJ??SdT?pdV?Nd? 5.2kT 6.??
h2m?kT
ES
或者??
h2mkT
7.?s?
e
?
kT
Z
二.簡答題(本題共 3 題,總共 30 分)
1.請從微觀和統(tǒng)計(jì)物理的角度解釋:熱平衡輻射的吉布斯函數(shù)為零的原因。(10分)
答:(1)熱力學(xué)中研究的熱平衡輻射系統(tǒng),是一個(gè)和腔壁達(dá)到熱力學(xué)平衡的系統(tǒng),熱力學(xué)理論可以證明,它的吉布斯函數(shù)為零。……………………(2分)
(2)從微觀角度看,平衡輻射場可以認(rèn)為是光子氣體,每一個(gè)單色平面波對應(yīng)于一個(gè)能量和動(dòng)量確定的光子,腔壁中的輻射場對應(yīng)于能量和動(dòng)量從零到無窮大連續(xù)取值的光子氣體。輻射場和腔壁不斷發(fā)生熱交換,從微觀角度來看,相當(dāng)于交換光子,因此,腔壁中的光子數(shù)不守恒。(2分)
(3)光子是玻色子,滿足玻色分布。在確定玻色分布公式的時(shí)候,由于光子數(shù)不守恒,因此確定第一個(gè)拉氏乘子?的條件不存在,從物理上理解,這個(gè)拉氏乘子?就應(yīng)該為零,因?yàn)???勢為零。………………(4分)
(4)化學(xué)勢即為摩爾吉布斯函數(shù)(或者單個(gè)光子的吉布斯函數(shù)),光子氣體的吉布斯函數(shù)等于摩爾數(shù)(或者平均分子數(shù))乘上化學(xué)勢,因此光子氣體的吉布斯函數(shù)為零。…………………(2分)2.請說說你對玻耳茲曼分布的理解。(10分)
答:(1)系統(tǒng)各個(gè)能級中的粒子數(shù),構(gòu)成一個(gè)數(shù)列,稱為分布。物理上,需要在給定的分布下,確定系統(tǒng)的微觀狀態(tài)。…………………………………(3分)
(2)玻耳茲曼系統(tǒng)是這樣的一個(gè)系統(tǒng),它的各個(gè)粒子是可以分辨的,因此,要確定玻耳茲曼的微觀狀態(tài),就需要確定每一個(gè)粒子的微觀狀態(tài),給出玻耳茲曼系統(tǒng)的一個(gè)分布,只是確定了每一個(gè)能級的粒子數(shù),但是這些粒子是哪一些粒子并沒有確定。…………………………………(3分)
(3)由于等概率原理,在給定的宏觀狀態(tài)下,任何一種微觀狀態(tài)出現(xiàn)的概率是一樣的。不同的分布對應(yīng)的微觀狀態(tài)數(shù)是不一樣的,因此,對應(yīng)微觀狀態(tài)數(shù)最多的分布,出現(xiàn)的概率最大,這就是最概然分布。玻耳茲曼系統(tǒng)的最概然分布就是玻耳茲曼分布。……………………………(4分)3.等概率原理以及在統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中的地位。(10分)
答:(1)作為熱運(yùn)動(dòng)的宏觀理論,熱力學(xué)討論的狀態(tài)是宏觀狀態(tài),由幾個(gè)宏觀參量表征,例如對于一
?
kT,故化學(xué)
個(gè)孤立系統(tǒng),可以用粒子數(shù)N、體積V 和能量E 來表征系統(tǒng)的平衡態(tài),狀態(tài)參量給定之后,處于平衡態(tài)的系統(tǒng)的所有宏觀物理量都具有確定值。…………………………………………(2分)
(2)系統(tǒng)的微觀狀態(tài)是指構(gòu)成系統(tǒng)的每一個(gè)粒子的力學(xué)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),顯然,在確定的宏觀狀態(tài)之下,系統(tǒng)可能的微觀狀態(tài)是大量的,而且微觀狀態(tài)不斷地發(fā)生及其復(fù)雜的變化,例如,對于一個(gè)沒有相互作用的系統(tǒng)中,總能量是由N 個(gè)單粒子能量的簡單求和得到的,因此,將會(huì)有大量不同的方式選擇個(gè)別粒子的能量使其總和等于總能量。………(2分)
(3)等概率原理認(rèn)為:在任意時(shí)刻,該系統(tǒng)處于各個(gè)微觀態(tài)中的任意一個(gè)狀態(tài)都是同等可能的,也就是概率是一樣的。對于一個(gè)孤立系統(tǒng),數(shù)學(xué)表述就是:設(shè)所有可能的微觀狀態(tài)的數(shù)目?是粒子數(shù)N、體積V 和能量E的函數(shù):???(N,V,E),則每一個(gè)微觀狀態(tài)的概率為?
。……(3分)
(4)統(tǒng)計(jì)物理認(rèn)為,宏觀物理量是相應(yīng)的微觀物理量的系綜平均值,要求系綜平均值,就必須知道系統(tǒng)在各個(gè)微觀狀態(tài)出現(xiàn)的概率。等概率原理給出了孤立系統(tǒng)的各個(gè)微觀狀態(tài)出現(xiàn)的概率,因此,只要知道總的微觀狀態(tài)數(shù),就可以計(jì)算各種宏觀物理量。這樣,等概率原理在連接宏觀物理量和相對應(yīng)的微觀物理量之間建立了一個(gè)可以計(jì)算的橋梁。當(dāng)然,實(shí)際上,對給定的孤立系統(tǒng),計(jì)算總的微觀狀態(tài)數(shù)一般是很困難的,但是它是分析其他問題(如分析正則分布和巨正則分布)的基礎(chǔ),等概率原理也稱為微正則分。……………………………………(3分)
三.計(jì)算題(本題共 4 題,總共 49 分)
1.一均勻桿的長度為L,單位長度的定壓熱容量為cp,在初態(tài)時(shí)左端溫度為 T1,右端溫度為T2,T1?T2,從左到右端溫度成比例逐漸升高,考慮桿為封閉系統(tǒng),請計(jì)算桿達(dá)到均勻溫度分布后桿的熵
增。(你可能要用到的積分公式為?ln x?dx?
T2?T1
L)(10分)?d?x?ln x?x?。T2?T
1答:設(shè)桿的初始狀態(tài)是左端l?0 溫度為 T1,右端l?L 為T2,從左到右端,位于l 到l?dl的初始溫度為T?T1?
l,達(dá)到平衡后溫度為
T1?T
2,這一小段的熵增加值為:
T1?T2
dTT
l
dS?cpdl
T1?
T2?T1
L
?
?cpdl?ln
T1?
T2?T1
L
………………………………(4分)
l
根據(jù)熵的可加性,整個(gè)均勻桿的熵增加值為
T1?T2?S?
?dS??
L0
cpdl?ln
T1?
T2?T1
L1
?l
?
L
L0
cpdl?ln
T1?T2
LT?T1?
??cpdl?ln?T1?2
0L??
l? ?
?cpL?ln
T1?T2
T1?T2
?cp?
T2?T1
L1
T2?T1
L
?
d(T2?T1
L
T?T1??
l)?ln?T1?2l?
L??
?cpL?ln?cp?
?
T2
T1
dx?ln x
?cpL?ln
T1?T2
?cpL?
1T2?T1
?T2ln T2?T1ln T1?T2?T1?……………(6分)
2.設(shè)一物質(zhì)的物態(tài)方程具有以下形式:p?f(V)T,試證明其內(nèi)能和體積無關(guān)。(10分)
證明:以(V,T)作為自變量,則熵的全微分為:
??S???S?dS???dT???dV………………………………(3分)
??T?V??V?T
利用熱力學(xué)基本微分方程,有:
dU?TdS?pdV
???S????S??T??dT?TdV?????pdV
??V?T???T?V????S????S?
?T??dT??T???p?dV
??T?V???V?T?
因此有: ?
??U???S?
??T???p………………………………(3分)??V?T??V?T
??U???p?
??T???p ?V?T??T??V
由麥?zhǔn)详P(guān)系代入上式,可以得到: ?利用物態(tài)方程可以知:?故有:
??p?
??f(V)?T??V
??U???p?
???T???p?Tf(V)?p?0…………………………(4分)得證。?V?T??T??V
3.表面活性物質(zhì)的分子在液面上作二維自由運(yùn)動(dòng),可以看作是二維氣體。請用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論計(jì)算:
(1)二維氣體分子的速度分布和速率分布。(9分)(2)二維氣體分子的最概然速率。(4分)
答:玻耳茲曼分布的經(jīng)典表達(dá)式是
al?e
?????1
??lh0
r
…………………………………………(2分)
在沒有外場時(shí),二維情況下的分子質(zhì)心運(yùn)動(dòng)能量的經(jīng)典表達(dá)式為 2m2m
在面積A內(nèi),分子質(zhì)心平動(dòng)動(dòng)量在dpxdpy范圍內(nèi)的狀態(tài)數(shù)為
Ah
??
p
?
(px?py)
dpxdpy
因此,在面積A內(nèi),分子質(zhì)心平動(dòng)動(dòng)量在dpxdpy范圍內(nèi)的分子數(shù)為
Ah
e
???
12mkT
(px?py)
dpxdpy
參數(shù)由總分子數(shù)為N的條件定出
??
積分出,得
Ah
e
???
12mkT
(px?py)
dpxdp
y
?N
e
??
?
12?mkT
12mkT
NA
h0
因此,質(zhì)心動(dòng)量在dpxdpy范圍內(nèi)的分子數(shù)為
N
12?mkT
e
?
(px?py)
dpxdpy
用速度作為變量,px?mvx;py?mvy,上式化為:
N
m2?kT
e
?m2kT
(vx?vy)
dvxdvy
這就是在面積A內(nèi),分子在dvxdvy范圍內(nèi)的分子數(shù)。用n?N面積內(nèi),速度在dvxdvy范圍內(nèi)的分子數(shù)為
f(vx,vy)dvxdvy?n
m2?kT
e
?m2kT
(vx?vy)
A
表示單位面積內(nèi)的分子數(shù),則在單位
dvxdvy…………………………(5分)
這就是二維情況下的速度分布律。歸一化條件為:
??
f(vx,vy)dvxdvy?
??n2?kT
m
e
?
m2kT
(vx?vy)
dvxdvy?n
m2kT
化為極坐標(biāo),并對角度進(jìn)行積分,可得二維情況下的速率分布律
f(v)dv?n
最概然速率vm滿足條件:
df(v)dv
?n
mdkTdv
(e
?m2kT
v
mkT
e
?v
vdv…………………………………(2分)
v)?0
由此得到:
vm?
kTm
……………………………………………(4分)
在這個(gè)速率附近,分子數(shù)最多。
4.(1)證明,在二維情況下,對于非相對論粒子,壓強(qiáng)和內(nèi)能的關(guān)系為:
p?
UA
這里,A是面積。這個(gè)結(jié)論對于玻爾茲曼分布、玻色分布和費(fèi)米分布都是成立的。(8分)(2)假設(shè)自由電子在二維平面上運(yùn)動(dòng),電子運(yùn)動(dòng)為非相對論性的,面密度為n?N子氣體的費(fèi)米能量、內(nèi)能和簡并壓強(qiáng)。(8分)
A,試求 0 K 時(shí)電
答:(1)不妨假設(shè)二維空間為正方形,邊長為L,根據(jù)周期性邊界條件,二維自由粒子在x和y方向的動(dòng)量分量的可能取值為:
px?py?
hLhL
nx;nx?0,?1,?2,? ny;ny?0,?1,?2,?
1h
因此對于非相對論的自由粒子,能量為:
?n
xny
?
p
2m
?
2mL
(h)(nx?ny)?
222
2mA
(nx?ny)?aA
22?1
以單一指標(biāo)l代替(nx,ny),上式可以記為: ?l?aA?1 因此當(dāng)有N個(gè)粒子存在時(shí),產(chǎn)生的壓強(qiáng)為:
p???
l
??l?A
al??
?
l
(?1)aA
?2
al?A
?1
??lal?
l
UA
…………………(8分)
(2)在面積A?L2內(nèi),在p?p?dp內(nèi),自由粒子的量子態(tài)的數(shù)目為:
(Lh)2?pdp
由于電子自旋為
Ah,因此利用自由粒子的非相對論能量動(dòng)量關(guān)系??
p
2m,得到在????d?內(nèi),自由電子的量子態(tài)的數(shù)目為:
2?md??
4?Amh
d?
根據(jù)費(fèi)米分布,一個(gè)量子態(tài)上的平均電子數(shù)為:
f?
1e
????
?1
在面積A內(nèi),在????d?內(nèi),自由電子的數(shù)目為:
he?1he?1
在T?0K時(shí),對上式積分,可以確定費(fèi)米能量(零溫時(shí)的化學(xué)勢):
?(0)
dN?
4?Am
????
d??
4?Am
(???)
kT
d?
N?
?
4?Amh
d???F??(0)?
h
4?m
n……………(4分)
面積A內(nèi),在????d?內(nèi),自由電子的能量為:
h
在T?0KdU?
4?Am
1e
(???)
kT
?1
?d?
時(shí),對上式積分,得到自由電子的內(nèi)能為:
U(0)?
4?Amh
?(0)
??d??
N?(0)………………………………(2分)
在T?0K時(shí)的簡并壓強(qiáng)為:
p?
U(0)A
?12
n?(0)………………………………………(2分)
第二篇:熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理
熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理(目錄)
第一章 熱力學(xué)的基本規(guī)律
第二章 均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)
第三章 單元系的相變
第四章 多元系的復(fù)相變平衡和化學(xué)平衡 熱力學(xué)平衡
第五章 不可逆過程熱力學(xué)簡介
第六章近獨(dú)立粒子的最概然分布
第七章 波爾茨曼統(tǒng)計(jì)
第八章 玻色統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米統(tǒng)計(jì)
第九章 系宗理論
第十章 漲落理論
第十一章 非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)理論初步
第三篇:《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》教學(xué)大綱[范文]
《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》教學(xué)大綱
學(xué)分:學(xué)時(shí):審 核 人:執(zhí) 筆 人:面向?qū)I(yè):物理學(xué)
一、課程定位
教學(xué)對象:物理專業(yè)本科生
課程類型:理論物理方向必修課
二、教學(xué)目標(biāo)
通過本課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生初步掌握與熱現(xiàn)象有關(guān)的、物質(zhì)的宏觀物理性質(zhì)的唯象理論與統(tǒng)計(jì)理論,并對二者的特點(diǎn)與聯(lián)系有一較全面的認(rèn)識(shí)。為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和獨(dú)立解決實(shí)際問題打下必要的基礎(chǔ)。
三、教學(xué)內(nèi)容及要求
大綱基本內(nèi)容(不帶*號部分)可在規(guī)定的72學(xué)時(shí)內(nèi)完成。各章所注學(xué)時(shí)前一個(gè)數(shù)字為講授課時(shí)數(shù)后者為習(xí)題課、討論課等學(xué)時(shí)數(shù)。各節(jié)所附數(shù)字為講授時(shí)數(shù)。
第一章 熱力學(xué)的基本規(guī)律(10+0)
1.熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)及其描述
2.熱平衡定律和溫度
3.物態(tài)方程
4.功l
5.熱力學(xué)第一定律
6.熱容量和焓
7.理想氣體的內(nèi)能
8.理想氣體的絕熱過程
9.理想氣體的卡諾循環(huán)
10.熱力學(xué)第二定律l
11.卡諾定理
12.熱力學(xué)溫標(biāo)(*)
13.克勞修斯等式和不等式l
14.熵的熱力學(xué)基本方程1
15.理想氣體的熵1
16.熱力學(xué)第二定律的普遍表述1
17.熵增加原理的簡單應(yīng)用1
18.自由能和吉布斯函數(shù)1
說明:在克勞修斯等式和不等式之前的內(nèi)容與《熱學(xué)》課重復(fù)較多,除基本概念外可做復(fù)習(xí)性簡述,可避免重復(fù)。同時(shí)又能保證熱力學(xué)基本概念與規(guī)律的嚴(yán)格性與系統(tǒng)性.重點(diǎn)應(yīng)放在熵的性質(zhì),熵增加原理的應(yīng)用上。
第二章 均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)(6+2)
1.能、焓、自由能和吉布斯函數(shù)的全微分
2.麥?zhǔn)详P(guān)系的簡單應(yīng)用
3.氣體的節(jié)流過程和絕熱彭脹過程
14.基本熱力學(xué)函數(shù)的確定1
5.特性函數(shù)l
6.平衡輻射的熱力學(xué)1
7.磁介質(zhì)的熱力學(xué)1
說明:本章是熱力學(xué)部分的重點(diǎn),要求在講清輔助函數(shù)的性質(zhì)及麥?zhǔn)详P(guān)系的基礎(chǔ)上.通過對各類體系的應(yīng)用體現(xiàn)熱力學(xué)函數(shù)的應(yīng)用方法和熱力學(xué)函數(shù)應(yīng)用的普遍性;本章習(xí)題較多,安排2學(xué)時(shí)的習(xí)題課。
第三章 單元系的相變(8+0)
1.熱動(dòng)平衡判據(jù)1
2.開系的基本熱力學(xué)方程1
3.單元系的復(fù)相平衡條件1
4.單元復(fù)相系的平衡性質(zhì)1
5.臨界點(diǎn)和氣液兩相的轉(zhuǎn)變1
6.液滴的形成2
7.相變的分類1
8.臨界現(xiàn)象和I臨界指數(shù)(*)
9.朗道連續(xù)相變理論(*)
第四章 多元系的復(fù)相平衡和化學(xué)平衡(4+0)
1.多元系的熱力學(xué)函數(shù)和熱力學(xué)方程l
2.多元系的復(fù)相平衡條件1
3.吉布斯相律1
4.熱力學(xué)第三定律1
第五章 不可逆熱力學(xué)簡介(*)
第六章近獨(dú)立粒子的最概然分布
1.系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述1
2.等概率原理
3.分布和微觀狀態(tài)2
4.玻爾茲曼分布2
5.粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的經(jīng)典描述
6.粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子描述
7.玻色分布和費(fèi)米分布l
8.三種分布的關(guān)系1
第七章 玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)(14+2)
1.熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式2
2.理想氣體的物態(tài)方程2
3.麥克斯韋速度分布律2
4.能量均分定理2(10+0)
5.理想氣體的內(nèi)能和熱容量(*)
6.理想氣體的熵2
7.固體熱容量的愛因斯坦理論2
8.順磁性固體(*)
9.負(fù)溫度狀態(tài)2
說明:這一部分是經(jīng)典統(tǒng)計(jì)的重點(diǎn),內(nèi)容較多,安排2學(xué)時(shí)的習(xí)題課。
第八章 玻色統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米統(tǒng)計(jì)(8+0)
1.熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式1
2.弱簡并玻色氣體和費(fèi)米氣體(*)
3.光子氣體2
4.玻色一愛因斯坦凝聚2
5.金屬中的自由電子氣體2
6.簡并理想費(fèi)米氣體簡例l
7.二維電子氣體與量子霍爾效應(yīng)(*)
說明:這部分是量子統(tǒng)計(jì)的重點(diǎn),在實(shí)際中應(yīng)用廣泛而重要,對深化人們對量子世界的認(rèn)識(shí)非常有意義,可對學(xué)生提高要求。
第九章 系綜理論(8+0)
1.相空間劉維爾定理1
2.微正則分布l
3.微正則分布的熱力學(xué)公式1
4.正則分布l
5.正則分布的熱力學(xué)公式1
6.實(shí)際氣體的物態(tài)方程1
7.巨正則分布1
8.巨正則分布的熱力學(xué)公式1
9.巨正則分布的簡單應(yīng)用(*)
說明:微正則系綜可以作為基本假設(shè)而省去劉維爾定理,巨正則分布的分布函數(shù)及熱力學(xué)公式也可以不做推導(dǎo)只給出結(jié)果,闡明意義。
第十章 漲落理論(*)
第十一章 非平衡態(tài)的統(tǒng)計(jì)理論(*)
四、考核方式、方法
閉卷考試,平時(shí)成績30%,卷面成績70%。
五、主要參考書
(1)龔昌德《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》高等教育出版社,1982年
(2)蘇汝鏗《統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》復(fù)旦大學(xué)出版社,1990年
(3)鐘云霄《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》科學(xué)出版杜,1988年
(4)陳光旨《熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理基礎(chǔ)》廣西師范大學(xué)出版社,1989年
第四篇:熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理名字解釋
名字解釋
1、熱力學(xué)平衡態(tài)(P2)
性質(zhì)不隨時(shí)間改變
2廣延量
物理量與系統(tǒng)的質(zhì)量或物質(zhì)的量成正比
3準(zhǔn)靜態(tài)過程
準(zhǔn)靜態(tài)過程:過程由無限靠近的平衡態(tài)組成,過程進(jìn)行的每一步,系統(tǒng)都處于平衡態(tài)。
6、可逆過程
熱力學(xué)系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā),經(jīng)過某一過程到達(dá)另一狀態(tài)后,如果存在另一過程,它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原,即使系統(tǒng)回到原來狀態(tài),同時(shí)又完全消除原來過程對外界所產(chǎn)生的一切影響,則原來的過程稱為可逆過程。反之,如果無論采用何種辦法都不能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原,則原來的過程稱為不可逆過程。
7、絕熱過程
氣體與外界無熱量交換時(shí)的狀態(tài)變化過程,9、等概率原理
對于處在平衡狀態(tài)的孤立系統(tǒng),系統(tǒng)各個(gè)可能的微觀狀態(tài)出現(xiàn)的概率是相等的!
12、粒子全同性原理
全同粒子不可分辨,任意交換一對粒子不改變系統(tǒng)狀態(tài)
13、最概然分布
根據(jù)等概率原理,對于處在平衡狀態(tài)的孤立系統(tǒng),系統(tǒng)各個(gè)可能的微觀狀態(tài)出現(xiàn)的概率是相等的,那么微觀狀態(tài)數(shù)最多的分布,出現(xiàn)的概率最大,稱為最可幾分布(最概然分布)。
14玻耳茲曼分布(玻色分布
費(fèi)米分布)
玻耳茲曼系統(tǒng)粒子的最概然分布——玻耳茲曼分布
第一部分。
1熵增原理0
2特性函數(shù)3熱力學(xué)第二定律的兩種表述及其本質(zhì)
4熵判據(jù)
5單元系、單元復(fù)相系o
6單元復(fù)相系平衡條件包括哪些
7等幾率原理
8空間0
9近獨(dú)立粒子系統(tǒng)
10全同性粒子系統(tǒng)
11玻色子、費(fèi)米子0
12統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的最根本觀點(diǎn)是什么
玻耳茲曼分布、玻色分布和費(fèi)米分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式0
簡并條件(經(jīng)典極限條件)、弱簡并條件、強(qiáng)簡并條件
15微正則分布、正則分布和巨正則分布分別適用于什么樣的系
16系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述
1.(P42)在絕熱過程中,系統(tǒng)的熵永不減少,對于可逆絕熱過程,系統(tǒng)的熵不變;對于不可逆絕熱過程,系統(tǒng)的熵總是增加,這個(gè)結(jié)論叫做熵增加原理。
2.(P63)如果適當(dāng)選擇獨(dú)立變量(稱為自然變量),只要知道一個(gè)熱力學(xué)函數(shù),就可以通過求偏導(dǎo)數(shù)而求得均勻系統(tǒng)的全部熱力學(xué)函數(shù),從而把均勻系統(tǒng)的平衡性質(zhì)完全確定。這樣的熱力學(xué)函數(shù)稱為特性函數(shù)。以、為變量的特征函數(shù)是內(nèi)能。
3.(P30)熱力學(xué)第二定律的克氏表述:不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化;開氏表述:不可能從單一熱源吸熱使之完全變成有用功而不引起其他變化。
4.(P76)如果孤立系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了熵為極大的狀態(tài),就不可能在發(fā)生任何宏觀變化,系統(tǒng)就達(dá)到了平衡態(tài)。我們可以利用熵函數(shù)這一性質(zhì)來判定孤立系統(tǒng)的平衡態(tài),這稱為熵判據(jù)。
5.(P80)單元系是指化學(xué)上純的物質(zhì)系統(tǒng),它只含一種化學(xué)組分(一個(gè)組元)。如果一個(gè)單元系不是均勻的,但可以分為若干個(gè)均勻的部分,該系統(tǒng)稱為單元復(fù)相系。比如水和水蒸汽共存構(gòu)成一個(gè)單元兩相系。
6.(P82)單元復(fù)相系達(dá)到平衡條件必須同時(shí)滿足熱學(xué)平衡條件、力學(xué)平衡條件和相平衡條件。
7.(P178)對于處在平衡狀態(tài)的孤立系統(tǒng),系統(tǒng)各個(gè)可能的微觀態(tài)出現(xiàn)的幾率是相等的。這是統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中的基本假設(shè)。
8.(P165)為了形象地描繪粒子的力學(xué)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),用共個(gè)變量為直角坐標(biāo),構(gòu)成一個(gè)維空間,稱為空間。粒子在某一時(shí)刻的力學(xué)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用空間中一點(diǎn)表示,稱為粒子力學(xué)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)代表點(diǎn)。
9.(P174)近獨(dú)立粒子系統(tǒng)是指系統(tǒng)中的粒子之間相互作用很弱,相互作用的平均能量遠(yuǎn)小于單個(gè)粒子的平均能量,因而可以忽略粒子間的相互作用,將整個(gè)系統(tǒng)的能量表達(dá)為單個(gè)粒子的能量之和。
10.(P174)全同性粒子系統(tǒng)是指由具有完全相同的內(nèi)稟屬性(相同的質(zhì)量、電賀、自旋等等)的同類粒子組成的系統(tǒng)。
11.(P175)自然界中的基本粒子可分為兩類,自旋量子數(shù)為半整數(shù)的稱為費(fèi)米子;自旋量子數(shù)為整數(shù)的稱為玻色子。
12.(P178)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的一個(gè)最根本的觀點(diǎn)是,宏觀物質(zhì)系統(tǒng)的特性是大量微觀粒子運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn),宏觀物理量是相應(yīng)微觀物理量的統(tǒng)計(jì)平均值。
13.(P187)玻耳茲曼分布:;玻色分布與費(fèi)米分布
14.(P187、P196)簡并條件(經(jīng)典極限條件):或者或者氣體越稀薄,溫度越高,分子質(zhì)量越大越容易滿足。P228)若簡并條件:或雖小但不可忽略;P239)強(qiáng)簡并條件:或者
15.P253)微正則分布------系統(tǒng)給定的宏觀條件是具有確定的粒子數(shù)N、體積V和能量E;P261)正則分布---------系統(tǒng)給定的宏觀條件是具有確定的粒子數(shù)N、體積V和溫度T;P290)巨正則分布---------系統(tǒng)給定的宏觀條件是具有確定的體積V、溫度T和化學(xué)勢。
16.P175)系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述:假如全同粒子可以分辨,確定全同近獨(dú)立粒子組成的系統(tǒng)的微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)歸結(jié)為確定每一個(gè)粒子的個(gè)體量子態(tài);對于不可分辨的全同粒子,確定由全同近獨(dú)立粒子組成的系統(tǒng)的微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)歸結(jié)為確定每一個(gè)個(gè)體量子態(tài)上的粒子數(shù)。
1、孤立系統(tǒng)的熵增加原理可用公式表示為(dS≥
0)。
2、一孤立的單元兩相系,若用指標(biāo)α、β表示兩相,則系統(tǒng)平衡時(shí),其相變平衡條件可表示為()P66。
3、熱力學(xué)第二定律告訴我們,自然界中與現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際過程都是(不可逆過程)。
4、在一般情況下,整個(gè)多元復(fù)相系不存在總的焓,僅當(dāng)各相的(壓強(qiáng))相同時(shí),總的焓才有意義。
5、如果某一熱力學(xué)系統(tǒng)與外界有物質(zhì)和能量的交換,則該系統(tǒng)稱為(開放系統(tǒng))。
6、熱力學(xué)基本微分方程dU=(TdS-pdV)。
7、單元系開系的熱力學(xué)微分方程dU=(Dq+dW)。
8、在s、v不變的情形下,平衡態(tài)的(內(nèi)能)最小。
9、在T、V不變的情形下,可以利用(自由能判據(jù))作為平衡判據(jù)。P26
1.熱力學(xué)第二定律的兩種表述及其本質(zhì):克勞修斯(Clausius)的說法不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體,而不引起其它變化,開爾文(Kelvin)的說法:“不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣Γ话l(fā)生其它的變化。”
后來被奧斯特瓦德(Ostward)表述為:“第二類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的”
其本質(zhì)是一切實(shí)際過程都是不可逆的,都具有方向性。
2.熵判據(jù):孤立系統(tǒng)中發(fā)生的不可逆過程,一定是朝著熵增加的方向進(jìn)行的,當(dāng)熵達(dá)到極大時(shí),系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)平衡態(tài),孤立系統(tǒng)中的熵的這一性質(zhì)可以作為判定系統(tǒng)是否處于熱平衡狀態(tài)的依據(jù),故稱之為熵判據(jù)。
3.單元復(fù)相系平衡條件包括哪些?1、由等溫等壓系統(tǒng)---吉布斯判據(jù)(當(dāng)吉布斯函數(shù)減至最小時(shí),系統(tǒng)達(dá)到平衡;整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí),兩相中的化學(xué)勢都必須相等。
4.近獨(dú)立粒子系統(tǒng):粒子之間的相互作用很弱,相互作用的平均能量遠(yuǎn)小于單個(gè)粒子的平均能量,因而可以忽略粒子之間的相互作用。
5.全同性粒子系統(tǒng):由具有完全相同屬性(相同的質(zhì)量、自旋、電荷等)的同類粒子所組成的系統(tǒng)。
6.統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的最根本觀點(diǎn)是什么?宏觀性質(zhì)是大量微觀粒子運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)。
宏觀物理量是相應(yīng)微觀物理量的統(tǒng)計(jì)平均值。
7.玻耳茲曼分布、玻色分布和費(fèi)米分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式:5.5.11式;5.10.4式;5.10.5式。
8.系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述:系統(tǒng)的微觀狀態(tài)是指系統(tǒng)的力學(xué)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由同一時(shí)刻各粒子的瞬時(shí)狀態(tài)決定,系統(tǒng)的微觀狀態(tài)也有經(jīng)典描述和量子描述;
經(jīng)典描述:系統(tǒng)由N個(gè)粒子組成,每個(gè)粒子的微觀態(tài)可用相空間的一個(gè)代表點(diǎn)表示,系統(tǒng)的微觀態(tài)可用相空間同一時(shí)刻的N個(gè)代表點(diǎn)描述
量子描述:對于N個(gè)粒子的系統(tǒng),就是確定各個(gè)量子態(tài)上的粒子數(shù)。
9.平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理的一個(gè)基本假設(shè)是什么?答:是等概率原理
第三部分
單選題
1、彼此處于熱平衡的兩個(gè)物體必存在一個(gè)共同的物理量,這個(gè)物理量就是(③)
①態(tài)函數(shù)②內(nèi)能
③溫度
④熵
2、熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫為(①)
①
②
③
④
3、在氣體的節(jié)流過程中,焦湯系數(shù)=,若體賬系數(shù),則氣體經(jīng)節(jié)流過程后將(②)
①溫度升高
②溫度下降
③溫度不變
④壓強(qiáng)降低
4、空窖輻射的能量密度u與溫度T的關(guān)系是(④)
①
②
③
④
5、熵增加原理只適用于(②)
①閉合系統(tǒng)
②孤立系統(tǒng)
③均勻系統(tǒng)
④開放系統(tǒng)
6、在等溫等容的條件下,系統(tǒng)中發(fā)生的不可逆過程,包括趨向平衡的過程,總是朝著(②)P25
①G減少的方向進(jìn)行
②F減少的方向進(jìn)行
③G增加的方向進(jìn)行
④F增加的方向進(jìn)行
7、從微觀的角度看,氣體的內(nèi)能是(④)
①氣體中分子無規(guī)運(yùn)動(dòng)能量的總和
②氣體中分子動(dòng)能和分子間相互作用勢能的總和
③氣體中分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的能量總和
④氣體中分子無規(guī)運(yùn)動(dòng)能量總和的統(tǒng)計(jì)平均值
9、根據(jù)熱力學(xué)第二定律可以證明,對任意循環(huán)過程L,均有(①)
①
②
③
④
10、理想氣體的某過程服從PVr=常數(shù),此過程必定是(④)
①等溫過程
②等壓過程
③絕熱過程
④多方過程
11、卡諾循環(huán)過程是由(①)
①兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成②兩個(gè)等壓過程和兩個(gè)絕熱過程組成③兩個(gè)等容過程和兩個(gè)絕熱過程組成④兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成12、下列過程中為可逆過程的是(③)
①準(zhǔn)靜態(tài)過程
②氣體絕熱自由膨脹過程
③無摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程
④熱傳導(dǎo)過程
13、理想氣體在節(jié)流過程前后將(③)P48
①壓強(qiáng)不變
②壓強(qiáng)降低
③溫度不變
④溫度降低
14、氣體在經(jīng)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程后將(④)
①保持溫度不變
②保持壓強(qiáng)不變
③保持焓不變
④保持熵不變
15、熵判據(jù)是基本的平衡判據(jù),它只適用于(①)
①孤立系統(tǒng)
②閉合系統(tǒng)
③絕熱系統(tǒng)
④均勻系統(tǒng)
16、描述N個(gè)三維自由粒子的力學(xué)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的μ空間是(③)
①6維空間
②3維空間
③6N維空間
④3N維空間
17、描述N個(gè)自由度為1的一維線性諧振子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的μ空間是(2N)
①1維空間
②2維空間
③N維空間
④2N維空間
18、由兩個(gè)粒子構(gòu)成的費(fèi)米系統(tǒng),單粒子狀態(tài)數(shù)為3個(gè),則系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)為(②)
①3個(gè)
②6個(gè)
③9個(gè)
④12個(gè)
19、由兩個(gè)玻色子構(gòu)成的系統(tǒng),粒子的個(gè)體量子態(tài)有3個(gè),則玻色系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)為(①)
①3個(gè)
②6個(gè)
③9個(gè)
④12個(gè)
第五篇:熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理習(xí)題
《熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理2》教學(xué)大綱
課程名稱(英文):熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理2(Thermodynamics and Statistical Mechanics Ⅱ)
課程代碼:0612933
課程類別:提高拓寬課程
學(xué)時(shí):34學(xué)時(shí)
學(xué)分:2學(xué)分
考核辦法:考查
適用對象:物理學(xué)本科專業(yè)
一、課程簡介
《熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理2》課程是高等學(xué)校物理學(xué)專業(yè)本科選修的課程。是在《熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理1》的基礎(chǔ)上進(jìn)一步掌握熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理的基本概念和原理,加深與擴(kuò)展熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理的內(nèi)容,使學(xué)生對熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理的概念、原理與基本理論有更透徹的理解與掌握。同時(shí)掌握用熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理解決實(shí)際問題的方法,進(jìn)一步提高學(xué)生的解題技巧與能力。為進(jìn)一步學(xué)習(xí)現(xiàn)代物理學(xué)和科學(xué)技術(shù)奠定基礎(chǔ),并滿足一部分學(xué)生考研的需要。
二、教學(xué)目的及要求
1、掌握多元系熱力學(xué)函數(shù)的一般性質(zhì)和多元系的熱力學(xué)方程,了解多元系的化學(xué)平衡條件。
2、系綜理論可以應(yīng)用于有相互作用粒子組成的系統(tǒng)。掌握系綜理論的基本概念,以及微正則系綜、正則系綜和巨正則系綜。
3、進(jìn)一步提高學(xué)生的解題技巧與能力。為進(jìn)一步學(xué)習(xí)現(xiàn)代物理學(xué)和科學(xué)技術(shù)奠定基礎(chǔ),并滿足一部分學(xué)生考研的需要。
三、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)
教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn):多元系的熱力學(xué)方程及復(fù)相平衡條件,熱力學(xué)第三定律;相空間,劉維定理,微正則系綜,正則系綜,巨正則系綜。
四、與其它課程的關(guān)系
1、前期課程:力學(xué)、熱學(xué)、原子物理、量子力學(xué)、高等數(shù)學(xué),《熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理(1)》。
2、材料物理和固體物理等課程的先行課。
五、教學(xué)內(nèi)容
第四章多元系的復(fù)相平衡和化學(xué)平衡(10學(xué)時(shí))
本章主要教學(xué)內(nèi)容:
4.1 多元系的熱力學(xué)函數(shù)和熱力學(xué)方程:
(1)多元單相系的熱力學(xué)函數(shù):歐勒定律 偏摩爾量;
(2)多元單相系的熱力學(xué)基本方程:多元方程 吉布斯關(guān)系;
(3)多元復(fù)相的系熱力學(xué)函數(shù)與基本方程。
4.2 多元系的復(fù)相平衡條件:
力學(xué)平衡條件:Pα=Pβ;熱平衡條件:Tα =Tβ;相平衡條件:μα i =μβi(i=1,2,3,...)
4.3 吉布斯相律:證明吉布斯相律
*4.5 化學(xué)平衡條件:
化學(xué)反應(yīng)式一般表達(dá)式;化學(xué)反平衡條件。
4.6 混合理想氣體的性質(zhì):
混合理想氣體的物態(tài)方程;混合理想氣體的熱力學(xué)基本方程。
4.8 熱力學(xué)第三定律:
能斯脫定理與熱力學(xué)第三定律;由能斯脫定理推導(dǎo)熱學(xué)第三定律;絕對熵。
本章的教學(xué)目的及要求:掌握多元系熱力學(xué)函數(shù)的一般性質(zhì)和多元系的熱力學(xué)方程,了解多元系的化學(xué)平衡條件。
本章的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn):多元系的熱力學(xué)方程及復(fù)相平衡條件,熱力學(xué)第三定律。
第九章 系統(tǒng)理論(10學(xué)時(shí))
本章主要教學(xué)內(nèi)容:
9.1 系統(tǒng), 相空間,列維定理:
(1)系統(tǒng),系統(tǒng)法與幾率法,μ空間與r空間;
(2)系統(tǒng)微觀狀態(tài)的描述;
(3)列維定理。
9.2 微正則分布:
(1)微正則系綜 ;
(2)微正則分布(等幾率原理):①經(jīng)典表達(dá)式,②量子表達(dá)式,③能量在E-E+dE殼層內(nèi)的微觀狀態(tài)數(shù)公式。
9.3 微正則分布的熱力學(xué)公式:
(1)求內(nèi)能,廣義力,熵的公式 ;
(2)求能量的相對漲落。
9.10 巨正則分布:開放系統(tǒng),配分函數(shù),巨正則分布。
9.11巨正則分布的熱力學(xué)函公式:
(1)求內(nèi)能、廣義力、熵的公式;
(2)求粒子數(shù)漲落和相對漲落。
本章的教學(xué)目的及要求:系綜理論可以應(yīng)用于有相互作用粒子組成的系統(tǒng)。掌握系綜理論的基本概念,以及微正則系綜、正則系綜和巨正則系綜。
本章的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn):相空間,劉維定理,微正則系綜,正則系綜,巨正則系綜
習(xí)題講解(14學(xué)時(shí))
1、關(guān)于麥?zhǔn)详P(guān)系應(yīng)用(2學(xué)時(shí))
2、有關(guān)多元復(fù)相系平衡的計(jì)算(2學(xué)時(shí))
2、量子態(tài)的計(jì)算(或微觀狀態(tài)數(shù)的計(jì)算)(2學(xué)時(shí))
3、能量均分定理的應(yīng)用:(2學(xué)時(shí))
4、關(guān)于光子氣和電子氣的計(jì)算(2學(xué)時(shí))
5、系綜理論的計(jì)算(4學(xué)時(shí))
本講的教學(xué)目的及要求:加深與擴(kuò)展熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理內(nèi)容,使學(xué)生對熱力
學(xué)統(tǒng)計(jì)物理的概念、原理與基本理論有更透徹的理解與掌握,掌握用熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理解決實(shí)際問題的方法,提高學(xué)生的解題技巧與能力。
六、教材及參考書目
1、教材:
①《熱力學(xué).統(tǒng)計(jì)物理》(第三版),汪志誠,高等教育出版社,2003②自編講義
2、教學(xué)參考書:
①《熱力學(xué)簡程》(第二版),王竹溪,高等教育出版社,1978
②《統(tǒng)計(jì)物理學(xué)導(dǎo)論》(第二版),王竹溪,人民教育出版社,1964
③《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》(第一版),馬本、高尚惠、孫煜,人民教育出版社,2003
④《熱力學(xué)》(第三版),熊吟濤,高等學(xué)校出版社,1979
⑤《統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》,熊吟濤,高等學(xué)校出版社,1981
⑥《相對論物理.統(tǒng)計(jì)物理》(統(tǒng)計(jì)物理部分),張家鋁、曹烈兆、陳兆甲,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1991
⑦Fundamentals of statishical and Thermal physics ,Kdif F, Mc Graw-Hill Book company.⑧《統(tǒng)計(jì)物理學(xué)基礎(chǔ)》(第一版),朱文浩、顧毓沁,清華大學(xué)出版社,1983
七、教學(xué)方法與建議
主要采用講授課,注意培養(yǎng)學(xué)生思維和獨(dú)立思考能力,注意各章之間的聯(lián)系。