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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 10

2.1　量热学　热质说与热动说 10

2.2　原子论 14

2.3　分子力与分子运动 18

3．物质聚集态随状态参量的转化与共存 21

3.1　闭合系的p-V-T曲面 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 27

4.3　理想气体定律的推导 29

4.4　实际气体 32

5．固体 34

5.1　晶体结构 34

5.2　非晶态与准晶态 38

5.3　固体中分子的热运动 40

6．化学键 42

6.1　离子键 42

6.2　共价键 43

6.3　金属键 46

6.4　范德瓦耳斯键 48

6.5　氢键 48

7．液体 49

7.1　液体——稠密的实际气体 49

7.2　液体——濒临瓦解的晶格 53

7.3　表面张力的由来 54

本章提要 56

思考题 58

习题 60

第二章 热平衡态的统计分布律 64

1．麦克斯韦速度分布律 64

1.1　统计规律与分布函数的概念 64

1.2　速度空间与速度分布函数 66

1.3　麦克斯韦分布律的导出 69

1.4　方均根速率 71

1.5　平均速率 75

1.6　泻流速率 76

2．玻耳兹曼密度分布 77

2.1　等温气压公式 77

2.2　玻耳兹曼密度分布律 78

2.3　麦克斯韦-玻耳兹曼能量分布律 79

3．能均分定理与热容量 80

3.1　自由度 80

3.2　能量按自由度均分定理 81

3.3　理想气体的热容量 83

3.4　固体的热容量 85

4．量子气体中粒子按能级的分布 86

4.1　能级与量子态 86

4.2　麦克斯韦-玻耳兹曼分布 86

4.3　H定理 90

4.4　能级的离散性对热容量的影响 91

4.5　玻色-爱因斯坦分布和费米-狄拉克分布 93

5．费米气体 97

5.1 T=0K的简并费米气体 97

5.2 T＞0K的简并费米气体 98

5.3　粒子之间的量子关联与量子简并 99

5.4　金属中的自由电子气 101

5.5　白矮星 102

5.6　中子星 103

6．玻色气体 106

6.1　简并玻色气体的化学势　玻色-爱因斯坦凝聚 106

6.2　激发态上的粒子数与能量 108

6.3　从液氦的λ相变到理想气体BE凝聚的实现 109

6.4　光子气体 112

7．宏观态的概率和熵 113

7.1　宏观态的概率 113

7.2　玻耳兹曼熵关系式 117

7.3　信息熵与遗传密码 118

本章提要 121

思考题 124

习题 127

第三章 热力学第一定律 130

1．从能量守恒到热力学第一定律 130

1.1　能量守恒定律的建立 130

1.2　广义功 131

1.3　内能是个态函数 132

1.4　热力学第一定律的数学表述 133

1.5　准静态过程 134

2．气体的热容量　内能和焓 136

2.1　热容量焓 136

2.2　焦耳实验及其改进 137

2.3　焦耳-汤姆孙效应 139

2.4　节流膨胀液化气体 142

2.5　化学反应热和生成焓 143

3．热力学第一定律对理想气体的应用 146

3.1　等温过程 146

3.2　绝热过程 147

3.3　大气的垂直温度梯度 150

3.4　多方过程 154

4．循环过程和卡诺循环 157

4.1　循环过程 157

4.2　理想气体卡诺循环及其效率 159

本章提要 162

思考题 164

习题 166

第四章 热力学第二定律 170

1．热力学第二定律的表述和卡诺定理 170

1.1　自然现象的不可逆性 170

1.2　热力学第二定律的语言表述 170

1.3　卡诺定理 172

1.4　热力学温标 173

1.5　历史性的回顾 176

2．卡诺定理的应用 177

2.1　内能和状态方程的关系 177

2.2　克拉珀龙方程及其在相变问题上的应用 179

3．克劳修斯不等式与熵定理 181

3.1　热力学第二定律的数学表述——克劳修斯不等式 181

3.2　熵是态函数 183

3.3　熵的计算 185

3.4　熵增加原理 190

3.5　热力学熵与玻耳兹曼熵的统一 194

4．关于热力学第二定律的若干诘难和佯谬 196

4.1　洛施密特的诘难 196

4.2　策尔梅洛的诘难 197

4.3　吉布斯佯谬 197

4.4　麦克斯韦妖与信息 198

5．热平衡与自由能 198

5.1　孤立系的热平衡判据 198

5.2　定温定体条件下的热平衡判据　亥姆霍兹自由能 199

5.3　定温定压条件下的热平衡判据　吉布斯自由能 200

5.4　物体系内各部分之间的平衡条件 201

5.5　范德瓦耳斯气液相平衡 204

5.6　混合气体的化学平衡 208

6．连续相变　超流 212

6.1　有序-无序转变 212

6.2　朗道二级相变理论 213

6.3　液氦的超流现象 215

6.4　唯象的二流体模型 217

6.5　准粒子（元激发）的概念 218

本章提要 220

思考题 222

习题 224

第五章 非平衡过程 230

1．近平衡态弛豫和输运过程 230

1.1　经验定律 230

1.2　平均自由程与碰撞频率 234

1.3　分子自由程的概率分布 236

1.4　从量纲看输运系数 237

1.5　初级气体动理论 237

1.6　与实验的比较 240

1.7　稀薄气体中的输运过程 241

2．涨落　关联　布朗运动 241

2.1　涨落 241

2.2　临界点的涨落 244

2.3　布朗运动 245

2.4　时间关联与涨落回归假说 246

3．分形 250

3.1　分形与分形维数 250

3.2　布朗粒子轨迹的分形维数 254

3.3　分形生长 256

3.4　逾渗 258

4．线性不可逆过程热力学 261

4.1　局域热平衡概念 261

4.2　熵流与熵产生 262

4.3　输运过程的熵产生 262

4.4　化学反应的熵产生 264

4.5　广义流和广义力 266

4.6　最小熵产生原理 267

4.7　线性区耗散结构之不可能 268

5．耗散结构 268

5.1　化学振荡与螺旋波 268

5.2　图灵斑图 270

5.3　贝纳尔对流 271

5.4　耗散结构的特征 272

6．生命与生态环境 273

6.1　生命的热力学基础 273

6.2　地球生态环境的辐射收支与负熵流 275

6.3　地球表面的温度与温室效应 277

6.4　水是生命之源 279

6.5　盖娅假说与新自然观 280

6.6　地外生命与地外文明问题 282

7．热宇宙模型 284

7.1　大爆炸和决定早期宇宙历史的两个判据 284

7.2　几个里程碑 285

7.3　微波背景辐射的发现 287

7.4　膨胀宇宙中的辐射与物质的热力学 289

7.5　膨胀宇宙中的辐射与物质的动力学 291

7.6　星系的形成 292

7.7　热寂说的终结 294

本章提要 295

思考题 298

习题 300

数学附录 304

A．高斯积分 304

B．误差函数 305

习题答案 306

索引 310