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第一章 热学基本概念和物质聚集态1

1.温度1

1.1 温度计和温标1

1.2 热力学第零定律3

1.3 理想气体状态方程和理想气体温标5

1.4 温度大观9

2.热量及其本质9

2.1 量热学 热质说与热动说9

2.2 原子论14

2.3 分子力与分子运动18

3.1 闭合系的p-V-T曲面21

3.物质聚集态随状态参量的转化与共存21

3.2 等温线 多相共存22

3.3 p-T三相图25

4.气体26

4.1 气体的微观模型和温度的微观意义26

4.2 理想气体压强公式28

4.3 理想气体定律的推导30

4.4 实际气体32

5.固体35

5.1 晶体结构35

5.2 非晶态与准晶态39

5.3 固体中分子的热运动42

6.1 离子键43

6.化学键43

6.2 共价键44

6.3 金属键48

6.4 范德瓦耳斯键49

6.5 氢键50

7.液体51

7.1 液体——稠密的实际气体51

7.2 液体——濒临瓦解的晶格55

7.3 表面张力的由来56

本章提要58

思考题60

习题62

1.1 统计规律与分布函数的概念66

第二章 热平衡态的统计分布律66

1.麦克斯韦速度分布律66

1.2 速度空间与速度分布函数68

1.3 麦克斯韦分布律的导出71

1.4 方均根速率73

1.5 平均速率77

1.6 泻流速率78

2.玻耳兹曼密度分布79

2.1 等温气压公式79

2.2 玻耳兹曼密度分布律81

2.3 麦克斯韦-玻耳兹曼能量分布律82

3.1 自由度83

3.能均分定理与热容量83

3.2 能量按自由度均分定理84

3.3 理想气体的热容量86

3.4 固体的热容量88

4.量子气体中粒子按能级的分布89

4.1 能级与量子态89

4.2 麦克斯韦-玻耳兹曼分布89

4.3 H定理93

4.4 能级的离散性对热容量的影响94

4.5 玻色-爱因斯坦分布和费米-狄拉克分布97

5.1 粒子之间的量子关联与量子简并99

5.量子理想气体的性质99

5.2 简并费米-狄拉克气体的定性讨论101

5.3 简并玻色-爱因斯坦气体的定性讨论103

5.4 量子态密度与对量子态求和106

5.5 简并量子理想气体特性的进一步研究107

6.费米气体实例108

6.1 金属中的自由电子气108

6.2 白矮星109

6.3 中子星110

7.玻色气体实例113

7.1 液氦的λ相变113

7.2 光子气体115

8.1 宏观态的概率117

8.宏观态的概率和熵117

8.2 玻耳兹曼熵关系式121

8.3 信息熵与遗传密码122

本章提要125

思考题128

习题131

第三章 热力学第一定律135

1.从能量守恒到热力学第一定律135

1.1 能量守恒定律的建立135

1.2 广义功136

1.3 内能是个态函数137

1.4 热力学第一定律的数学表述138

1.5 准静态过程139

2.气体的热容量内能和焓141

2.1 热容量焓141

2.2 焦耳实验及其改进143

2.3 焦耳-汤姆孙效应145

2.4 节流膨胀液化气体148

2.5 化学反应热和生成焓149

3.热力学第一定律对理想气体的应用152

3.1 等温过程152

3.2 绝热过程153

3.3 大气的垂直温度梯度157

3.4 多方过程161

4.1 循环过程163

4.循环过程和卡诺循环163

4.2 理想气体卡诺循环及其效率166

本章提要169

思考题171

习题173

第四章 热力学第二定律178

1.热力学第二定律的表述和卡诺定理178

1.1 自然现象的不可逆性178

1.2 热力学第二定律的语言表述178

1.3 卡诺定理180

1.4 热力学温标182

1.5 历史性的回顾184

2.1 内能和状态方程的关系186

2.卡诺定理的应用186

2.2 克拉珀龙方程及其在相变问题上的应用188

3.克劳修斯不等式与熵定理190

3.1 热力学第二定律的数学表述——克劳修斯不等式190

3.2 熵是态函数192

3.3 熵的计算194

3.4 熵增加原理199

3.5 热力学墒与玻耳兹曼熵的统一203

4.关于热力学第二定律的若干诘难和佯谬206

4.1 洛施密特的诘难206

4.3 吉布斯佯谬207

4.2 策尔梅洛的诘难207

4.4 麦克斯韦妖与信息208

5.热平衡与自由能208

5.1 孤立系的热平衡判据208

5.2 定温定体条件下的热平衡判据亥姆霍兹自由能209

5.3 定温定压条件下的热平衡判据吉布斯自由能210

5.4 物体系内各部分之间的平衡条件210

5.5 范德瓦耳斯气液相平衡214

5.6 混合气体的化学平衡219

6.连续相变超流223

6.1 有序-无序转变223

6.2 朗道二级相变理论224

6.3 液氦的超流现象226

6.4 唯象的二流体模型228

6.5 准粒子(元激发)的概念229

本章提要231

思考题234

习题236

第五章 非平衡过程242

1.近平衡态弛豫和输运过程242

1.1 经验定律242

1.2 平均自由程与碰撞频率246

1.3 分子自由程的概率分布248

1.5 初级气体动理论249

1.4 从量纲看输运系数249

1.6 与实验的比较252

1.7 稀薄气体中的输运过程253

2.涨落关联布朗运动254

2.1 涨落254

2.2 临界点的涨落257

2.3 布朗运动258

2.4 时间关联与涨落回归假说260

3.分形263

3.1 分形与分形维数263

3.2 布朗粒子轨迹的分形维数266

3.3 分形生长269

3.4 逾渗271

4.线性不可逆过程热力学275

4.1 局域热平衡概念275

4.2 熵流与熵产生275

4.3 输运过程的熵产生275

4.4 化学反应的熵产生277

4.5 广义流和广义力280

4.6 最小熵产生原理281

4.7 线性区耗散结构之不可能281

5.耗散结构282

5.1 化学振荡与螺旋波282

5.2 图灵斑图284

5.3 贝纳尔对流285

5.4 耗散结构的特征286

6.生命与生态环境287

6.1 生命的热力学基础287

6.2 地球生态环境的辐射收支与负熵流289

6.3 地球表面的温度与温室效应292

6.4 水是生命之源293

6.5 盖娅假说与新自然观295

6.6 地外生命与地外文明问题297

7.热宇宙模型298

7.1 大爆炸和决定早期宇宙历史的两个判据298

7.2 几个里程碑299

7.3 微波背景辐射的发现302

7.4 膨胀宇宙中的辐射与物质的热力学303

7.5 膨胀宇宙中的辐射与物质的动力学306

7.6 星系的形成307

7.7 热寂说的终结309

本章提要310

思考题313

习题314

数学附录318

A.高斯积分318

B.误差函数319

C.与黎曼ζ函数有关的积分319

索引321