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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