热学

　　全书共分7章，各章内容包括：1.热力学系统的平衡态及状态方程；2.热平衡态下微观状态的统计分布；3.近平衡态中的输运程过程；4.热力学苐一定律；5.热力学第二定律和第三定律；6.液体的性质；7.单元系的相变与复相平衡。 本书附有习题和部分参考答案。 本书可作为高等学校物理类各专业'热学'的教材或教学参考书。

　　刘玉鑫，博士，北京大学物理系教授，国家杰出青年基金获得者；现任北京大学物理学院副院长、教育部全国高等学校物理类专业教学指导委员会秘书长，中国物理学会物理教学委员会秘书长；长期从事原子核奇异运动形态及不同模式形态间的相变、QCD相变及早期宇宙强相互作用物质的演化、致密核天体的结构与性质、少体及多体系统的代数研究方法等方面的研究工作，并取得一系列原创性成果；长期从事热学、原子物理学、李群与李代数、原子核理论、平衡态统计物理、量子力学等核心课程的建设和讲授工作。曾获国家自然科学奖三等奖（1997年）、全国高校青年教师奖（2002年）、北京市教学名师奖（2007年）、北京市优秀教师称号（2013年）等；负责组织实施的北京大学物理学院教学改革工作，获国家教学成果奖二等奖（2005年）。

目录
第一章热力学系统的平衡态及状态方程\t1
1.1\t
物质结构的基本图像 1
1.1.1
物质结构的原子分子学说\t1

1.1.2
物质分子处于不停顿的无规则运动状态\t2
1.1.3
分子之间存在相互作用 3
1.2
热力学系统及其状态参量 5
1.2.1
热力学系统及其分类 5
1.2.2
热力学系统的状态参量 6
1.3
平衡态的概念 7
1.4\t
温度与温标 9
1.4.1
温度的概念\t9

1.4.2
温度相同的判定原则—— 热力学第零定律\t9
1.4.3\t
温度高低的数值标定—— 温标 10
1.5
状态方程及一些系统的状态方程的唯象确定\t14
1.5.1
状态方程的基本概念 14
1.5.2
理想气体的状态方程 17
1.5.3\t
实际气体状态方程简介 23
1.5.4
确定状态方程的唯象方法的一般讨论\t26
1.6
理想气体状态方程的初级微观理论 31
1.6.1
理想气体的微观模型\t 31
1.6.2 理想气体的压强公式 31
1.6.3
温度的本质 34
习题\t 36
第二章热平衡态下微观状态的统计分布律\t43
2.1
统计规律与分布函数的概念 43
2.1.1\t
事件及其概率 43
2.1.2
统计规律及其伽尔顿板实验演示\t44
2.1.3
随机变量与分布函数\t 45
2.1.4
一些常见的分布律 49
2.2\t
麦克斯韦分布律 52
2.2.1
速度空间与速度分布律的概念\t52

2.2.2
麦克斯韦速度分布律和速率分布律\t54
2.2.3\t
麦克斯韦分布律的实验检验 57
2.2.4
麦克斯韦分布律的一些应用举例\t61
2.3\t
麦克斯韦– 玻尔兹曼分布律 68
2.3.1
重力场中微粒密度随高度的等温分布\t68

2.3.2
玻尔兹曼密度分布律及麦克斯韦– 玻尔兹曼分布律\t69
2.4
能量均分定理与热容量\t 72
2.4.1
分子的自由度 72
2.4.2\t
能量均分定理 72
2.4.3
理想气体的内能及热容量\t75
2.4.4\t
固体的内能及热容量 81
2.5
粒子按微观运动状态的分布规律\t82

2.5.1
微观粒子运动状态的描述及微观粒子系统的分类\t82
2.5.2\t
三类系统的微观态数目 85
2.5.3
近独立粒子系统的粒子按能量的最概然分布\t88
2.6\t
气体分子的碰撞及其概率分布 101
2.6.1
气体分子的平均自由程与平均碰撞频率\t101
2.6.2
气体分子碰撞的概率分布 105
习题\t 108
第三章近平衡态中的输运过程\t114

3.1
近平衡态中的输运过程及其宏观规律\t114
3.1.1
黏滞现象及其宏观规律 114
3.1.2
热传导现象及其宏观规律 116
3.1.3
扩散现象及其宏观规律 117
3.2
气体中输运现象的微观解释\t 120
3.2.1\t
输运过程中的流 120
3.2.2
黏滞、热传导及扩散现象的微观解释及相应系数的确定\t121
3.3
稀薄气体中的输运现象\t 126
3.4
布朗运动及其引起的扩散 127
3.4.1
布朗运动的理论描述 127
3.4.2\t
布朗粒子的扩散举例 129
3.5
非平衡过程中的一些常见现象简介\t131
3.5.1 分岔、分形与自相似结构 131
3.5.2
耗散结构与自组织现象 133
习题\t 136
第四章热力学第一定律\t139

4.1 热力学过程和准静态过程\t139

4.1.1
热力学过程及准静态过程的概念\t139
4.1.2\t
实现准静态过程的可能性及条件 140
4.2
热力学第一定律\t141

4.2.1 能量守恒定律\t141

4.2.2 功—— 力学作用下转移的能量\t142

4.2.3
热量—— 热学相互作用下转移的能量\t144
4.2.4\t内能—— 热力学系统的内部能量 145
4.2.5
功、热量及内能间的关系—— 热力学第一定律\t145
4.3
热力学第一定律在物体性质描述中的简单应用 147
4.3.1
物体的热容量\t 147
4.3.2\t
物体的内能和焓 148
4.3.3
焦耳定律及其实验检验\t150

4.4
热力学第一定律对理想气体的应用\t159
4.4.1
理想气体的等体过程 159
4.4.2
理想气体的等压过程 161
4.4.3
理想气体的等温过程 162
4.4.4
理想气体的绝热过程 163
4.4.5
理想气体的多方过程 170
4.5\t循环过程和卡诺循环 176
4.5.1
循环过程的概念、性质和效率\t176
4.5.2
理想气体的卡诺循环及其效率 181
4.5.3
内燃机的理想循环\t 183
4.5.4
制冷设备与制热设备 185
习题\t 187
第五章热力学第二定律和第三定律\t194
5.1\t
可逆过程与不可逆过程 194
5.1.1
可逆过程与不可逆过程的概念\t194

5.1.2
可逆过程与不可逆过程举例及区分\t195
5.2\t
热力学第二定律的两种语言表述 196
5.2.1
热力学第二定律的克劳修斯表述\t196
5.2.2\t
热力学第二定律的开尔文表述 197
5.2.3
克劳修斯表述与开尔文表述的等价性\t197
5.3
热力学第二定律的数学表述 199
5.3.1\t卡诺定理 199
5.3.2
热力学第二定律的数学表述\t201
5.3.3
卡诺定理应用举例 203
5.4
熵与熵增加原理 205
5.4.1
熵的概念 205
5.4.2
熵变的计算 207
5.4.3\t
熵增加原理 215
5.5
熵及热力学第二定律的统计意义\t217
5.5.1
微观熵—— 玻尔兹曼熵 217
5.5.2\t
微观熵与宏观熵的关系 218
5.5.3
熵及热力学第二定律的统计意义\t221
5.5.4\t
熵与信息 225
5.6
热力学第二定律的应用举例\t226
5.6.1
卡诺定理的另一种证明 226
5.6.2\t
热力学温标的建立 228
5.7
自由能、自由焓、化学势及热力学方程\t232
5.7.1
自由能\t 232
5.7.2\t
自由焓 234
5.7.3
热力学系统的态函数及其间的一些关系\t236
5.7.4
化学势\t 243
5.8\t
热力学第三定律 246
5.8.1
规定熵的标准参考点的必要性\t246
5.8.2\t
选取熵的标准参考点的可能性 246
5.8.3
标准参考点的选取及普朗克绝对熵\t247
5.8.4
热力学第三定律\t 247
习题\t 248
第六章液体的性质\t253
6.1\t
液体的彻体性质 253
6.1.1
液体及其分类\t253

6.1.2
液体的微观结构及关于液体的研究方法\t254
6.1.3\t
液体的热容量 258
6.1.4
液体的可压缩性和热膨胀\t260
6.1.5
液体的输运性质 262
6.2\t
液体表面的性质 264
6.2.1
表面与表面张力\t264
6.2.2\t
表面张力系数 267
6.2.3
表面能与表面内能\t270

6.2.4
弯曲液面内外的压强差\t274
6.3\t
润湿现象与毛细现象 280
6.3.1
润湿、不润湿及接触角\t280
6.3.2
毛细现象\t 287
习题\t 292
第七章单元系的相变与复相平衡\t298
7.1\t
相、相变及相平衡的概念 298
7.1.1
相的概念与相稳定条件\t298
7.1.2\t
相变及其分类 303
7.1.3
相平衡及相图\t306
7.2\t
单元系的复相平衡 307
7.2.1
单元系复相平衡的条件\t307
7.2.2
单元系复相平衡的性质 309
7.3
一级相变及其基本特征 314
7.3.1\t
常见一级相变概述 314
7.3.2
饱和蒸气压与饱和蒸气压方程\t317
7.3.3\t
相平衡曲线 319
7.3.4
相平衡时两相的物质的量之间的关系\t322
7.3.5
热力学函数的特征\t 323
7.3.6\t
相变方式 325
7.4
连续相变的基本特征及热力学描述\t332
7.4.1\t
有序-无序相变概述 332
7.4.2
超导相变及其热力学描述\t333
7.4.3 超流相变的基本特征\t 339
7.5\t相变的唯象理论描述 341
7.5.1
热力学势的特点与描述方案概述\t342
7.5.2\t
二级相变的朗道理论描述 343
7.5.3
二级和一级相变的朗道理论统一描述\t347
习题\t 351
附录A 常见高斯积分表\t355

附录B 二级和一级相变的朗道理论统一描述的一个实例简介\t356

主要参考书目\t360

部分习题参考答案\t362