本書系統(tǒng)簡明地介紹熱運動的基本性質(zhì)、規(guī)律及物理熱學研究的基本方法及其應用。內(nèi)容共7章：熱力學系統(tǒng)的平衡態(tài)及狀態(tài)方程、熱平衡態(tài)下微觀狀態(tài)的統(tǒng)計分布、近平衡態(tài)中的輸運程過程、熱力學第一定律、熱力學第二定律和第三定律、液體的性質(zhì)、單元系的相變與復相平衡。
熱物理學是研究熱運動的規(guī)律及其對物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響、以及熱運動與其它各種運動形式之間相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律的物理學分支。
熱物理學學科建立過程中的重大事件不乏科學技術發(fā)展歷史上的里程碑，例如：能量守恒定律、熵增加原理是基本的物理學原理，蒸汽機是第一次工業(yè)革命的標志，內(nèi)燃機是多數(shù)運輸工具的動力源泉，制冷設備是目前科研、生產(chǎn)、生活的必需品，相、相變及相應的研究方法是目前表征和揭示物質(zhì)起源和結(jié)構(gòu)的基本方法等等。
本書是為大學物理系熱學課程編寫的的教材，系統(tǒng)簡明地介紹熱運動的基本性質(zhì)、規(guī)律以及熱物理學研究的基本方法及其應用，其內(nèi)容分七章：第一章介紹熱力學系統(tǒng)及平衡態(tài)的基本概念和狀態(tài)方程，第二章介紹熱平衡系統(tǒng)中微觀粒子按微觀運動狀態(tài)的統(tǒng)計分布，第三章介紹偏離平衡態(tài)不太的系統(tǒng)中的輸運現(xiàn)象及其本質(zhì)，第四章和第五章介紹熱力學過程的動力學規(guī)律，第六章介紹液體的基本性質(zhì)，第七章介紹相和相變的基本概念以及單元系中常見相變的現(xiàn)象、性質(zhì)、規(guī)律及其唯象理論描述方法。并配置230多道習題，其中相當一部分具有研究層面的意味，由之可以加強訓練、提高能力。
本書對材料內(nèi)容的選取,力求系統(tǒng)全面，著重理論與應用的有機結(jié)合；對論述分析力求循序漸進、準確嚴謹，著重物理圖像和知識體系的建立，并適時聯(lián)系前沿研究現(xiàn)狀。整體以求窺得物理學"見物講理、依理造物"的學科真諦，相信讀者自容易領略其中別樣之處。
劉玉鑫，博士，北京大學物理系教授，國家杰出青年基金獲得者；現(xiàn)任北京大學物理學院副院長、教育部全國高等學校物理類專業(yè)教學指導委員會秘書長，中國物理學會物理教學委員會秘書長；長期從事原子核奇異運動形態(tài)及不同模式形態(tài)間的相變、QCD相變及早期宇宙強相互作用物質(zhì)的演化、致密核天體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、少體及多體系統(tǒng)的代數(shù)研究方法等方面的研究工作，并取得一系列原創(chuàng)性成果；長期從事熱學、原子物理學、李群與李代數(shù)、原子核理論、平衡態(tài)統(tǒng)計物理、量子力學等核心課程的建設和講授工作。曾獲國家自然科學獎三等獎（1997年）、全國高校青年教師獎（2002年）、北京市教學名師獎（2007年）、北京市優(yōu)秀教師稱號（2013年）等；負責組織實施的北京大學物理學院教學改革工作，獲國家教學成果獎二等獎（2005年）。
目錄
第一章熱力學系統(tǒng)的平衡態(tài)及狀態(tài)方程 1
1.1
物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本圖像 1
1.1.1
物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子分子學說 1
1.1.2
物質(zhì)分子處于不停頓的無規(guī)則運動狀態(tài) 2
1.1.3
分子之間存在相互作用 3
1.2
熱力學系統(tǒng)及其狀態(tài)參量 5
1.2.1
熱力學系統(tǒng)及其分類 5
1.2.2
熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)參量 6
1.3
平衡態(tài)的概念 7
1.4
溫度與溫標 9
1.4.1
溫度的概念 9
1.4.2
溫度相同的判定原則—— 熱力學第零定律 9
1.4.3
溫度高低的數(shù)值標定—— 溫標 10
1.5
狀態(tài)方程及一些系統(tǒng)的狀態(tài)方程的唯象確定 14
1.5.1
狀態(tài)方程的基本概念 14
1.5.2
理想氣體的狀態(tài)方程 17
1.5.3
實際氣體狀態(tài)方程簡介 23
1.5.4
確定狀態(tài)方程的唯象方法的一般討論 26
1.6
理想氣體狀態(tài)方程的初級微觀理論 31
1.6.1
理想氣體的微觀模型 31
1.6.2 理想氣體的壓強公式 31
1.6.3
溫度的本質(zhì) 34
習題 36
第二章熱平衡態(tài)下微觀狀態(tài)的統(tǒng)計分布律 43
2.1
統(tǒng)計規(guī)律與分布函數(shù)的概念 43
2.1.1
事件及其概率 43
2.1.2
統(tǒng)計規(guī)律及其伽爾頓板實驗演示 44
2.1.3
隨機變量與分布函數(shù) 45
2.1.4
一些常見的分布律 49
2.2
麥克斯韋分布律 52
2.2.1
速度空間與速度分布律的概念 52
2.2.2
麥克斯韋速度分布律和速率分布律 54
2.2.3
麥克斯韋分布律的實驗檢驗 57
2.2.4
麥克斯韋分布律的一些應用舉例 61
2.3
麥克斯韋– 玻爾茲曼分布律 68
2.3.1
重力場中微粒密度隨高度的等溫分布 68
2.3.2
玻爾茲曼密度分布律及麥克斯韋– 玻爾茲曼分布律 69
2.4
能量均分定理與熱容量 72
2.4.1
分子的自由度 72
2.4.2
能量均分定理 72
2.4.3
理想氣體的內(nèi)能及熱容量 75
2.4.4
固體的內(nèi)能及熱容量 81
2.5
粒子按微觀運動狀態(tài)的分布規(guī)律 82
2.5.1
微觀粒子運動狀態(tài)的描述及微觀粒子系統(tǒng)的分類 82
2.5.2
三類系統(tǒng)的微觀態(tài)數(shù)目 85
2.5.3
近獨立粒子系統(tǒng)的粒子按能量的最概然分布 88
2.6
氣體分子的碰撞及其概率分布 101
2.6.1
氣體分子的平均自由程與平均碰撞頻率 101
2.6.2
氣體分子碰撞的概率分布 105
習題 108
第三章近平衡態(tài)中的輸運過程 114
3.1
近平衡態(tài)中的輸運過程及其宏觀規(guī)律 114
3.1.1
黏滯現(xiàn)象及其宏觀規(guī)律 114
3.1.2
熱傳導現(xiàn)象及其宏觀規(guī)律 116
3.1.3
擴散現(xiàn)象及其宏觀規(guī)律 117
3.2
氣體中輸運現(xiàn)象的微觀解釋 120
3.2.1
輸運過程中的流 120
3.2.2
黏滯、熱傳導及擴散現(xiàn)象的微觀解釋及相應系數(shù)的確定 121
3.3
稀薄氣體中的輸運現(xiàn)象 126
3.4
布朗運動及其引起的擴散 127
3.4.1
布朗運動的理論描述 127
3.4.2
布朗粒子的擴散舉例 129
3.5
非平衡過程中的一些常見現(xiàn)象簡介 131
3.5.1 分岔、分形與自相似結(jié)構(gòu) 131
3.5.2
耗散結(jié)構(gòu)與自組織現(xiàn)象 133
習題 136
第四章熱力學第一定律 139
4.1 熱力學過程和準靜態(tài)過程 139
4.1.1
熱力學過程及準靜態(tài)過程的概念 139
4.1.2
實現(xiàn)準靜態(tài)過程的可能性及條件 140
4.2
熱力學第一定律 141
4.2.1 能量守恒定律 141
4.2.2 功—— 力學作用下轉(zhuǎn)移的能量 142
4.2.3
熱量—— 熱學相互作用下轉(zhuǎn)移的能量 144
4.2.4 內(nèi)能—— 熱力學系統(tǒng)的內(nèi)部能量 145
4.2.5
功、熱量及內(nèi)能間的關系—— 熱力學第一定律 145
4.3
熱力學第一定律在物體性質(zhì)描述中的簡單應用 147
4.3.1
物體的熱容量 147
4.3.2
物體的內(nèi)能和焓 148
4.3.3
焦耳定律及其實驗檢驗 150
4.4
熱力學第一定律對理想氣體的應用 159
4.4.1
理想氣體的等體過程 159
4.4.2
理想氣體的等壓過程 161
4.4.3
理想氣體的等溫過程 162
4.4.4
理想氣體的絕熱過程 163
4.4.5
理想氣體的多方過程 170
4.5 循環(huán)過程和卡諾循環(huán) 176
4.5.1
循環(huán)過程的概念、性質(zhì)和效率 176
4.5.2
理想氣體的卡諾循環(huán)及其效率 181
4.5.3
內(nèi)燃機的理想循環(huán) 183
4.5.4
制冷設備與制熱設備 185
習題 187
第五章熱力學第二定律和第三定律 194
5.1
可逆過程與不可逆過程 194
5.1.1
可逆過程與不可逆過程的概念 194
5.1.2
可逆過程與不可逆過程舉例及區(qū)分 195
5.2
熱力學第二定律的兩種語言表述 196
5.2.1
熱力學第二定律的克勞修斯表述 196
5.2.2
熱力學第二定律的開爾文表述 197
5.2.3
克勞修斯表述與開爾文表述的等價性 197
5.3
熱力學第二定律的數(shù)學表述 199
5.3.1 卡諾定理 199
5.3.2
熱力學第二定律的數(shù)學表述 201
5.3.3
卡諾定理應用舉例 203
5.4
熵與熵增加原理 205
5.4.1
熵的概念 205
5.4.2
熵變的計算 207
5.4.3
熵增加原理 215
5.5
熵及熱力學第二定律的統(tǒng)計意義 217
5.5.1
微觀熵—— 玻爾茲曼熵 217
5.5.2
微觀熵與宏觀熵的關系 218
5.5.3
熵及熱力學第二定律的統(tǒng)計意義 221
5.5.4
熵與信息 225
5.6
熱力學第二定律的應用舉例 226
5.6.1
卡諾定理的另一種證明 226
5.6.2
熱力學溫標的建立 228
5.7
自由能、自由焓、化學勢及熱力學方程 232
5.7.1
自由能 232
5.7.2
自由焓 234
5.7.3
熱力學系統(tǒng)的態(tài)函數(shù)及其間的一些關系 236
5.7.4
化學勢 243
5.8
熱力學第三定律 246
5.8.1
規(guī)定熵的標準參考點的必要性 246
5.8.2
選取熵的標準參考點的可能性 246
5.8.3
標準參考點的選取及普朗克絕對熵 247
5.8.4
熱力學第三定律 247
習題 248
第六章液體的性質(zhì) 253
6.1
液體的徹體性質(zhì) 253
6.1.1
液體及其分類 253
6.1.2
液體的微觀結(jié)構(gòu)及關于液體的研究方法 254
6.1.3
液體的熱容量 258
6.1.4
液體的可壓縮性和熱膨脹 260
6.1.5
液體的輸運性質(zhì) 262
6.2
液體表面的性質(zhì) 264
6.2.1
表面與表面張力 264
6.2.2
表面張力系數(shù) 267
6.2.3
表面能與表面內(nèi)能 270
6.2.4
彎曲液面內(nèi)外的壓強差 274
6.3
潤濕現(xiàn)象與毛細現(xiàn)象 280
6.3.1
潤濕、不潤濕及接觸角 280
6.3.2
毛細現(xiàn)象 287
習題 292
第七章單元系的相變與復相平衡 298
7.1
相、相變及相平衡的概念 298
7.1.1
相的概念與相穩(wěn)定條件 298
7.1.2
相變及其分類 303
7.1.3
相平衡及相圖 306
7.2
單元系的復相平衡 307
7.2.1
單元系復相平衡的條件 307
7.2.2
單元系復相平衡的性質(zhì) 309
7.3
一級相變及其基本特征 314
7.3.1
常見一級相變概述 314
7.3.2
飽和蒸氣壓與飽和蒸氣壓方程 317
7.3.3
相平衡曲線 319
7.3.4
相平衡時兩相的物質(zhì)的量之間的關系 322
7.3.5
熱力學函數(shù)的特征 323
7.3.6
相變方式 325
7.4
連續(xù)相變的基本特征及熱力學描述 332
7.4.1
有序-無序相變概述 332
7.4.2
超導相變及其熱力學描述 333
7.4.3 超流相變的基本特征 339
7.5 相變的唯象理論描述 341
7.5.1
熱力學勢的特點與描述方案概述 342
7.5.2
二級相變的朗道理論描述 343
7.5.3
二級和一級相變的朗道理論統(tǒng)一描述 347
習題 351
附錄A 常見高斯積分表 355
附錄B 二級和一級相變的朗道理論統(tǒng)一描述的一個實例簡介 356
主要參考書目 360
部分習題參考答案 362
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