熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理？不是 統(tǒng)計(jì)物理學(xué) ，熱力學(xué)是用 宏觀 的方法研究 熱現(xiàn)象 ，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是用 微觀 的方法研究熱現(xiàn)象。雖然兩者都是研究熱現(xiàn)象的，但理論體系是完全不一樣的。熱力學(xué)是一門(mén)極其優(yōu)美的 理論 ，只使用最 簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué) 方法，通過(guò)四大基本定律，也就是熱零 定律 、熱一定律、熱二定律、熱三定律。那么，熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理？一起來(lái)了解一下吧。
熱力學(xué)世界中，三個(gè)基本物理量——壓強(qiáng)P、體積V和溫度T，以及定壓熱容和定容熱容，構(gòu)成了研究氣體行為的基石。今天，我們將探索氣體降溫的兩大手段：節(jié)流過(guò)程與絕熱膨脹過(guò)程。
節(jié)流降溫的藝術(shù)——焦耳-湯姆森效應(yīng)
想象一下，一個(gè)被絕熱材料包裹的管道，中間嵌著一粒多孔塞，兩側(cè)壓強(qiáng)存在顯著差異。左邊(壓強(qiáng)記為P1)的氣體緩緩流過(guò)，進(jìn)入壓強(qiáng)較低的右邊(P2)。在節(jié)流過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)了著名的焦耳-湯姆森效應(yīng)，它揭示了氣體溫度的微妙變化。
關(guān)鍵在于，當(dāng)我們對(duì)氣體的焓進(jìn)行微分并結(jié)合熱力學(xué)第一定律，定義一個(gè)關(guān)鍵系數(shù)，它決定了節(jié)流后溫度上升還是下降。在理想狀態(tài)下，如果氣體保持等溫，經(jīng)過(guò)計(jì)算，我們能得出：
溫度變化系數(shù) = (P1 - P2) / (Cv * T)
如果這個(gè)系數(shù)為正，說(shuō)明氣體在節(jié)流后溫度降低，反之則升高。
絕熱膨脹，熵的守恒
另一條降溫途徑是絕熱膨脹，其中氣體的熵保持不變。通過(guò)麥克斯韋關(guān)系式和氣體狀態(tài)方程，我們可以揭示絕熱膨脹下的壓強(qiáng)、體積和溫度之間的關(guān)系。
壓強(qiáng)變化與體積的關(guān)系 = -1 / (nR) * ?V
進(jìn)一步，結(jié)合絕熱條件下的熵守恒，我們得到
T * ?S = nR * ?V
這表明，隨著體積的增大，壓強(qiáng)(P)會(huì)相應(yīng)減小，而溫度(T)的下降則是必然的結(jié)果。
熱力學(xué)
不是
統(tǒng)計(jì)物理學(xué)
，熱力學(xué)是用
宏觀
的方法研究
熱現(xiàn)象
，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是用
微觀
的方法研究熱現(xiàn)象。雖然兩者都是研究熱現(xiàn)象的，但理論體系是完全不一樣的。
熱力學(xué)是一門(mén)極其優(yōu)美的
理論
，只使用最
簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)
方法，通過(guò)四大基本定律，也就是熱零
定律
、熱一定律、熱二定律、熱三定律。完全不依靠實(shí)驗(yàn)，僅從四大基本定律推導(dǎo)出整個(gè)理論體系。
統(tǒng)計(jì)物理學(xué)則要使用復(fù)雜的
數(shù)學(xué)方法
，還要依靠實(shí)驗(yàn)。
一、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理的研究對(duì)象、方法與特點(diǎn)
研究對(duì)象：宏觀物體熱性質(zhì)與熱現(xiàn)象有關(guān)的一切規(guī)律。
方法與特點(diǎn)：
熱力學(xué)：
以大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的幾條定律為基礎(chǔ)，應(yīng)用嚴(yán)密
邏輯推理和嚴(yán)格數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)研究宏觀物體熱性質(zhì)與
熱現(xiàn)象有關(guān)的一切規(guī)律。
較普遍、可靠，但不能求特殊性質(zhì)。
統(tǒng)計(jì)物理：
從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)，
通過(guò)求統(tǒng)計(jì)平均來(lái)研究宏觀物體熱性質(zhì)與熱現(xiàn)象有
關(guān)的一切規(guī)律。
可求特殊性質(zhì)，但可靠性依賴于微觀結(jié)構(gòu)的假設(shè)，
計(jì)算較麻煩。
兩者體現(xiàn)了歸納與演繹不同之處，可互為補(bǔ)充，取長(zhǎng)
補(bǔ)短。
宏觀與微觀的關(guān)系：
微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)與系統(tǒng)的各種宏觀熱
現(xiàn)象之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系。宏
觀量等于微觀量的統(tǒng)計(jì)平均
值。
宏觀與微觀
宏觀現(xiàn)象與宏觀量：
宏觀現(xiàn)象即一個(gè)系統(tǒng)所表現(xiàn)出來(lái)的各
種物理性質(zhì)以及這些性質(zhì)的變化規(guī)律。描述一個(gè)系統(tǒng)宏觀
性質(zhì)的物理量稱為宏觀量。例：
P
、
V、
T
、
E
、
C等。
微觀運(yùn)動(dòng)與微觀量：
微觀運(yùn)動(dòng)即系統(tǒng)內(nèi)部的微觀粒子的熱
運(yùn)動(dòng)。描述微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的
物理量稱為微觀量。例：
m
、
v
、
?
等。
二、熱力學(xué)理論的發(fā)展
1 經(jīng)典熱力學(xué)
1824
年：
卡諾定理：
卡諾（Carnot）
1840’s：熱力學(xué)第一定律：
能量守恒定律
邁爾（Mayer）、焦耳(Joule)
1850’s：熱力學(xué)第二定律、熵增加原理：
克勞修斯（Clausius）、開(kāi)爾文（Kelvin）：
1906
年：
熱力學(xué)第三定律：
能斯特定理，能斯特（Nernst）
Sadi Carnot
(1796-1832 )
J.R.Mayer
(1814-1878)
J.P.Joule
(1818-1889)
R. Clausius
(1822-1888)
W. T. Kelvin
(1824-1907)
W. H. Nernst
(1864-1941)
?
不涉及時(shí)間與空間；
?
以平衡態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程、可逆過(guò)程為模型；
?
經(jīng)典熱力學(xué)
?
靜熱力學(xué)。
五小力學(xué)：力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、原子物理。四大力學(xué)：理論力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)。
量子力學(xué)：
量子力學(xué)是研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，它主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論，它與相對(duì)論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。
量子力學(xué)的基本原理包括量子態(tài)的概念，運(yùn)動(dòng)方程、理論概念和觀測(cè)物理量之間的對(duì)應(yīng)規(guī)則和物理原理。
熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理：
該部分是研究熱運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和熱運(yùn)動(dòng)對(duì)物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響。熱力學(xué)是熱運(yùn)動(dòng)的宏觀理論，用“唯象”的方法，回避了宏觀物體的微觀結(jié)構(gòu)，使用有限的宏觀量（如溫度、能量、體積、熵、比熱等）來(lái)描述，這種描述的基礎(chǔ)是能量守恒等幾個(gè)來(lái)自實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的宏觀基本規(guī)律（熱力學(xué)第零~第三定律）。
統(tǒng)計(jì)物理是熱運(yùn)動(dòng)的微觀理論，它用統(tǒng)計(jì)的方法去處理復(fù)雜的微觀運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為物質(zhì)的宏觀性質(zhì)可看成是大量粒子運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，宏觀量是微觀量的某種統(tǒng)計(jì)平均值。熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理是針對(duì)宏觀和微觀這兩個(gè)端點(diǎn)情形發(fā)展起來(lái)的，是相輔相成的。
理論力學(xué)：
討論經(jīng)典力學(xué)問(wèn)題。用分析力學(xué)（即拉格朗日力學(xué)和哈密頓力學(xué)）的觀點(diǎn)處理牛頓力學(xué)問(wèn)題，并加入混沌等較新的內(nèi)容。
熱力學(xué)，統(tǒng)計(jì)力學(xué)不包括在力學(xué)中。
熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象中物質(zhì)系統(tǒng)在平衡時(shí)的性質(zhì)和建立能量的平衡關(guān)系，以及狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)與外界相互作用(包括能量傳遞和轉(zhuǎn)換)的學(xué)科。
統(tǒng)計(jì)力學(xué)(又叫統(tǒng)計(jì)物理學(xué))是研究大量粒子(原子、分子)集合的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。統(tǒng)計(jì)力學(xué)運(yùn)用的是經(jīng)典力學(xué)原理。由于粒子的量大，存在大量的自由度，雖然和經(jīng)典力學(xué)應(yīng)用同樣的力學(xué)規(guī)律，但導(dǎo)致性質(zhì)上完全不同的規(guī)律性。不服從純粹力學(xué)的描述，而服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，用量子力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，得出和用經(jīng)典力學(xué)方法計(jì)算相似的結(jié)果。從這個(gè)角度來(lái)看，統(tǒng)計(jì)力學(xué)的正確名稱應(yīng)為統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。
以上就是熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理的全部?jī)?nèi)容，等概率原理。平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理的基本假設(shè)是等概率原理。等概率原理認(rèn)為，對(duì)于處于平衡狀態(tài)的孤立系統(tǒng)，系統(tǒng)各個(gè)可能的微觀狀態(tài)出現(xiàn)的概率是相等的。它是統(tǒng)計(jì)物理的基本假設(shè)，它的正確性由它的種種推論都與客觀實(shí)際相符而得到肯定。
