热力学与统计物理导论

本书为中国科学技术大学交叉学科基础物理教程之一，主要内容包括：热力学系统及其热力学势，典型经典热力学系统，相变和临界现象，理想经典气体和量子气体的统计理论，统计系综理论，气体动力论。本书适合物理专业以及天文学、空间科学等交叉学科专业的本科生学习使用。

袁业飞，中国科学技术大学物理学院天文学系教授、博士生导师。曾任天文学系执行主任，2017年获国家杰出青年科学基金项目资助。长期承担本科生基础课“热力学与统计物理”“理论力学”“广义相对论”等主讲任务，主要从事相对论天体物理领域的研究，系统研究了相对论吸积盘动力学及其辐射，预言了银心黑洞在毫米波段的射电图像。参与人类首张黑洞照片工作，分享了2020年基础物理突破奖。兼任中国天文学会副理事长，安徽省天文学会理事长。

总序
前言

第1章 热力学系统及其热力学势
1.1热力学系统及其平衡态
1.2热力学第零定律与温度
1.2.1热力学第零定律：温度
1.2.2状态方程及其测量
1.3热力学第一定律与内能
1.3.1功
1.3.2能量守恒定律
1.3.3焦耳热功当量实验：内能
1.3.4理想气体的内能
1.4热力学第二定律与熵
1.4.1理想气体的绝热过程
1.4.2卡诺循环
1.4.3热力学第二定律
1.4.4卡诺定理：绝对温标与熵
1.4.5熵增原理：热力学第二定律的数学表述
1.5热力学势
1.5.1自由能、焓和吉布斯自由能
1.5.2热力学势与参量变换
1.5.3开放系统:化学势与巨热力学势
1.6热力学第三定律与绝对熵
1.6.1热力学第三定律的不同表述
1.6.2热力学第三定律推论
1.6.3气体的绝对熵

第2章 典型热力学系统
2.1理想单原子分子气体
2.1.1理想气体状态方程
2.1.2理想气体的热力学特性函数
2.2范德瓦尔斯气体
2.2.1范德瓦尔斯气体的状态方程
2.2.2范德瓦尔斯气体的特性函数
2.2.3绝热节流过程
2.2.4绝热膨胀
2.3磁介质系统
2.4光子气体
2.5固体比热
2.6等离子体

第3章 相变和临界现象
3.1单元系的平衡条件
3.1.1热平衡与动力学平衡
3.1.2化学(相)平衡条件
3.2多元系的平衡条件
3.2.1多元系的复相平衡条件
3.2.2吉布斯相律
3.3气液相变
3.3.1汽液共存：相平衡
3.3.2克劳修斯克拉佩龙方程
3.4临界点和临界指数
3.4.1临界点
3.4.2临界指数
3.5铁磁顺磁相变
3.6朗道理论
3.7对称性自发破缺
3.7.1希格斯机制
3.7.2宇宙暴胀
3.7.3金兹堡朗道理论

第4章 理想经典气体的统计理论
4.1统计物理的基本思想
4.1.1等概率原理:从抛硬币谈起
4.1.2热力学的统计解释
4.1.3玻尔兹曼分布
4.1.4热力学第零定律的统计意义
4.1.5热力学第一定律的统计意义
4.1.6热力学第二、三定律的统计意义
4.1.7热力学势的统计表达式
4.1.8信息论与香农熵
4.2理想经典气体的统计理论
4.2.1经典粒子微观状态描述
4.2.2热力学系统微观状态的描述
4.2.3理想气体的热力学势
4.3理想单原子分子气体的统计理论
4.3.1单原子分子气体的热力学势
4.3.2粒子的不可分辨性与吉布斯佯谬
4.3.3麦克斯韦速度分布律
4.3.4能均分定理与瑞利金斯公式
4.4理想双原子分子气体的统计理论
4.5理想气体的化学反应
4.6固体比热的爱因斯坦理论
4.7顺磁性固体

第5章 理想量子气体的统计理论
5.1量子系统微观状态描述
5.1.1粒子微观物理态的量子描述
5.1.2量子系统微观状态的描述
5.1.3能级分布与系统的微观状态数
5.1.4经典极限
5.2玻色气体理论
5.3费米气体理论
5.4典型理想量子气体
5.4.1光子气体
5.4.2玻色爱因斯坦凝聚：强简并玻色气体
5.4.3强简并自由电子气体
5.4.4金属中的电子
5.4.5白矮星与中子星
5.4.6相对论性正负电子对气体
5.5宇宙热历史
5.5.1宇宙大爆炸的观测证据
5.5.2宇宙热演化历史
5.5.3宇宙中微子背景
5.5.4宇宙原初核合成
5.5.5宇宙微波背景辐射：光子退耦

第6章 系综理论
6.1统计系综的基本思想
6.2刘维尔定理
6.3微正则系综
6.3.1热力学特性函数：熵
6.3.2理想气体
6.3.3谐振子系统
6.4正则系综
6.4.1热力学特性函数：自由能
6.4.2理想单原子分子气体
6.4.3经典谐振子系统
6.4.4系统能量涨落
6.4.5实际气体：两体近似
6.4.6固体比热的德拜理论
6.4.7铁磁顺磁相变
6.5巨正则系综
6.5.1热力学特性函数：巨热力学势
6.5.2理想单原子分子气体
6.5.3近独立粒子系统
6.5.4巨正则系综的涨落
6.5.5实际气体：迈耶集团展开
6.6量子系综

第7章 气体动力论
7.1BBGKY方程链
7.2玻尔兹曼方程
7.3等离子体动力学
7.3.1等离子体基本概念
7.3.2等离子体中的碰撞
7.3.3弗拉索夫方程
7.4玻尔兹曼H定理与不可逆性
7.5细致平衡与平衡态
7.6流体近似
7.6.1流体元的宏观性质
7.6.2守恒律
7.7气体输运
7.7.1零阶流体动力学
7.7.2一阶流体动力学：气体输运

习题
附录A 拉格朗日未定乘子法
附录B 常用积分
附录C 物理天文常数与单位转换
参考文献
名词索引