热学

目前认识到的运动形式有机械的、热的、电磁(包括光) 的和“暗“的等. 热学是研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影响, 以及热运动与其他各种运动形式之间相互转化规律的物理学分支. 很显然, 热学的研究对象包括热运动的规律和物质的宏观性质. 宏观性质可以根据物质状态的特征分为静态的和动态的, 并可以根据物质的运动形式分为力的、热的和电磁(包括光) 的等. 物质系统(亦称为热力学系统) 的最重要特征之一是其由大量微观粒子组成, 也就是说热力学系统既可以是宏观上的大系统, 也可以是宏观小微观大的系统, 因此热学的研究对象不仅包括宏观可见的系统, 还包括通常意义上的微观系统. 再者, 物质的状态不仅包括固态、液态、气态、等离子体态、高压态、粉尘态等表观(平常可见) 的状态, 还包括仅微观上可分辨的由物质的组分粒子的关联(或构型、结构)决定的微观状态. 通常把仅宏观可见的状态简称物态,把考虑微观结构的状态简称物相, 例如, 常见的物质——铁, 由其分子(原子) 构成四种不同的晶体结构, 于是有体心立方δ铁、面心立方γ铁、体心立方β铁和体心立方α铁, 并且它们的性质有较大差异, 因此呈现为固态的铁有四种物相. 那么物相是具有更普遍意义的描述热力学系统状态的概念. 系统由一个物相向另一个物相的演化(变化) 统称为相变. 现代物理学研究表明, 在物质演化(包括宇宙等的演化) 过程中, 相变起着至关重要的作用, 因此物相结构与相变已成为现代物理学的重要研究领域.

根据热学的研究对象的上述特点, 在长期的研究中逐渐形成了由宏观入手和由微观入手两种方法, 并分别简称宏观方法和微观方法. 宏观方法是根据大量观测事实, 应用数学工具, 通过逻辑推理和演绎, 分析、总结、归纳出确定的、可观测的宏观物理量之间的关系及其变化规律. 由于观测事实既可以是静态的, 也可以是动态的, 因此这种方法既适用于研究状态方程等静态性质, 也适用于研究热力学定律等动态规律, 通常也称之为热力学方法. 显然, 这种方法具有唯象、可靠和普适的特点. 微观方法是根据物质微观结构学说, 从微观层次出发, 利用统计的方法阐述物质宏观性质的物理本质,因此通常也称之为统计物理方法. 显然, 这种方法具有唯理和基本的特点, 但由于受到对微观结构及组分粒子之间相互作用的认识水平和实际计算能力的限制, 这种方法被认为具有近似的特点. 由于宏观物理量是相应的微观物理量的统计平均值, 因此热力学(宏观)方法和统计物理(微观)方法相辅相成、互为补充.

再者, 与经典力学系统的性质类似, 热力学系统的性质也可大致分为静态性质和动态性质两部分, 所谓的静态性质包括状态方程(状态参量之间的关系)、微观状态的统计分布规律、态函数等, 动态性质包括热力学三大定律等. 作为基础物理课程“热学”的教材或参考书, 本书较系统地介绍热运动的基本性质、规律, 以及热学研究的基本方法及应用. 根据热学的研究对象和研究方法的上述特点, 本书内容共分九章. 第一章介绍基本概念和规律, 包括热力学系统及其平衡态的基本概念、状态参量的概念、热力学系统及热力学过程遵循的基本规律. 第二、第三和第四章介绍和讨论热力学系统的静态性质, 其中, 第二章主要介绍和讨论热力学系统的状态方程的概念及其确定;第三章介绍和讨论热平衡态下系统热运动的基本规律—— 按微观状态的统计分布规律; 第四章介绍和讨论热力学系统的态函数, 以使读者对热力学系统的统计物理研究方法和热力学研究方法的相辅相成性具有较具体的感性认识. 第五和第六章是传统的关于热力学系统的动力学性质和规律的内容, 具体深入地介绍和讨论热力学过程遵循的基本规律——热力学第一定律、第二定律和第三定律, 以及对热力学系统的态函数进行研究的热力学方法. 第七、第八和第九章是热力学系统和过程的性质和规律的应

用的内容, 其中, 第七章对偏离平衡态不大的系统(即近平衡系统) 中的输运现象予以简要介绍, 并说明输运现象的微观本质, 同时对非平衡过程中的基本规律予以简单介绍; 第八章介绍液体和固体的彻体和表面两方面的基本性质, 以使读者了解利用热学基本原理研究并解决实际物理问题的方法, 尤其是打破传统的热学基本原理的应用对象仅仅是气体系统的观念; 第九章介绍和讨论物相和相变的基本概念, 以及单元系中常见相变的现象、性质、规律及其唯象理论描述.

按前述热力学系统状态的性质, 本书内容的展开方式是, 先将静态性质与动态性质两部分大致分开、分别讨论, 然后讨论基本原理的应用. 第二、第三和第四章讨论静态性质和规律, 第五、第六和第七章重点讨论动态性质和规律, 第八章讨论常见系统的静态和动态性质, 第九章讨论特殊过程的性质、规律及相应研究方法之概要. 按原理、方法及应用的著录展开方式来看本书的内容, 即第一章介绍和讨论最基本的概念和原理, 第二至第七章主要介绍较具体的原理、规律和方法, 并穿插介绍一些应用, 第八和第九章主要介绍前述规律和方法的应用. 为展示宏观方法与微观方法之间的关系, 在各章节的介绍和讨论中都兼顾两种方法. 当然, 考虑各课程内容划分的惯例, 本书对微观方法的介绍和讨论仅在分子动理论的框架下展开, 不采用标准的统计物理的系综理论方法. 全书的内容和分量与基础物理课程“热学“的约45 ~54 学时相匹配, 可作为相应的教材或参考书, 其基本内容也可供30~40 学时的“热学“课程的教学使用. 因为本书涉及内容较宽广全面, 讨论较系统深入, 其中的一些内容可以选讲, 还有一些内容仅供读者扩展阅读, 窃以为可以这样处理的内容在其节标题(或小节标题、问题序号) 处分别做了标记*和**.

关于教学, 尤其是基础物理课程的教学, 经过多年的努力, 人们基本上已经将目标定位由单纯向同学们传授知识转变到了提高同学们自己获取知识的能力、提高同学们批判性思维的能力和创新性研究的能力. 为真正实现这一目标定位, 作者认为至少应该注意下述事项或环节: (1) 准确把握并宣扬物理学的内涵和外延, 避免物理学被认为是“纯粹理论"" 科学, 甚至因所谓的加强应用技术而将基础物理课程边缘化; (2) 着重于对基本概念的准确论述和讲解, 着重于对物理原理和机制的基础性及其寻根求源的探索性, 切莫让人们将“物理"" 误认为是”无理""; (3) 着重于对物理图像和知识体系的构建, 着重于培养同学们的解析计算能力和数据分析能力, 着重于对定理、定律及公式的实质及适用条件的分析, 避免生搬硬套, 甚至误导同学们; (4) 积极调动和激发同学们探索未知的兴趣和欲望, 培养并提高同学们批判性思维的能力和创新性研究的能力, 切忌抹杀同学们的好奇心和批判精神. 然而, 在目前的情况下, 让同学们广泛查阅研读繁多的原始文献仍不现实.

众所周知, 教育的目标是立德树人, 专业是教育和人才培养的平台, 课程是教育和人才培养的抓手, 教材则是课程构架和教学内容的系统性载体、是同学们学习的依托、是教师们讲授的主线. 因此, 为实现潜移默化、润物无声地既启迪智慧又立德树人的作用, 要求课程和相应的教材必须以科学观(包括科学精神、科学素养和科学方法等) 作为它们的魂. 具体到热学, 它是同学们接触、了解组分单元极多、宏观规律不完全遵守决定论的动力学规律的第一门课程, 并且热学中关于热与功(能) 之间关系的认识是物理学基本概念的升华, 是质的飞跃, 其他概念和方法的建立及其应用和启示也都具有重大意义. 这表明, 热学不仅具有基础性的特点, 还是充满前沿性和创新性的学科, 相应的课程当然必须体现该学科的基础性、前沿性和创新性. 因此同学们学习和教师们讲授的难度都很大. 考虑预期目标与现实状况的契合, 在本书的编写过程中, 作者始终贯彻“崇尚结构、力求平实、承袭传统、注意扩展"" 的方针, 具体的着力点包括: (1) 切实注意阐述理论及其导出或证明过程, 尤其是热学的热力学和统计物理两种研究方法的相辅相成、相得益彰之处, 以使同学们不仅尽快适应热学的特点和研究方法, 而且构建起系统完整的热学知识体系; 同时还重视对实验及应用的描述和分析, 以使同学们可以由之体会到物理学不仅是深化并提高人类对自然界的认识的科学, 更是几乎所有高新技术的源泉的科学, 从而窥得物理学是”见物讲理、依理造物"" 的科学的学科真谛. (2) 关于概念的准确性及学科本身的基础性、前沿性和创新性, 对于定理、定律及公式等, 本书尽量在预判的同学们已经具备的知识储备的基础上给出完整的论述、论证或证明, 避免“可以证明"" 的字样. 对于远远超出同学们知识储备基础和本课程范畴的问题, 本书明确说明在后续的课程中可以得以解决或处于正在研究的阶段. 例如, 对于熵及热力学第二定律, 尽可能从多方面、多视角展开论述和介绍, 尤其是清晰地给出了克劳修斯熵与玻尔兹曼熵的等价性的论证, 避免学术上有”一言堂"" 或“强词夺理"", 甚至”无理取闹"" 的嫌疑. 关于热学的研究对象及热学原理的使用范围, 强调其核心在于由大量微观粒子(微观状态) 组成的特点, 而不在于其是否宏观可见. 在具体的介绍和讨论中, 除了以宏观系统为实例外, 还适时提及

由大量微观粒子(微观状态)组成的微观系统, 并专门列出了附录C 来介绍一个实例.(3) 关于知识体系构建及物理实质、使用范围等, 无论是对表征静态性质的状态方程、统计分布规律、态函数, 还是对表征动态性质的热力学三大定律、近平衡态中的输运过程和相变, 本书始终在物理学本质上是实验科学这一认识的基础上来展开内容, 尤其是对于认识过程和升华飞跃, 尽量以从无到有、不断深化、实现升华的顺序表述, 具体即以遇到问题、发现问题、提出问题作为开端来展开, 然后对解决问题的方案和方法予以具体分析和介绍, 再对新建立方法的成功、适用范围和尚存问题等进行分析, 以使同学们具有身临其境之感. 一方面, 使同学们切身感受到自己不仅是知识的接受者和储藏器, 更是经验尚且不足的解释者、发现者和创造者, 从而更新身份定位, 自觉自愿地接受严格的训练和培养, 实现由要我学到我要学的转变, 为实现研究性学习奠定基础. 另一方面, 通过这样的分析和讨论, 使同学们的以实事求是、热爱科学、坚持真理等为核心的科学精神和以科学判断、批判能力和科学应用等为核心的科学素养得以训练和培养. 再一方面, 以之作为实例, 见习、研判利用实验探究、模型假设、理论分析、演绎推理、归纳总结、类比推广、顿悟突破、融合集成等科学研究方法进行创新性研究的过程, 对同学们发现问题和提出问题的能力、分析问题和解决问题的能力等进行训练, 从而使同学们的创造性思维和创新性工作能力, 以及科学方法及相关品质, 尤其是应对未来未知因素的能力, 得以培养和提高, 对当代物理学人才的创新能力, 以及更进一步的引领未来的能力的培养有所帮助. (4) 尽可能在不超出同学们知识储备水平层次上自然地引入前沿研究和发展现状的介绍, 以激发同学们的兴趣和积极性, 并以其为基础进行展开和深化. (5) 关于解析计算和数据分析, 除了在正文和例题中尽量完整严格展现之外, 本书还引用、改编和新编习题两百多道, 其中约四分之一是根据目前人们广泛关心的自然现象和学术问题, 以及正在致力研究的问题或提出的方法而改编和新编的, 难度较大, 尤其是对解析计算、数值分析、物理直觉及合理近似的要求较高, 以期由之激发同学们的兴趣, 培养并提高同学们的能力. 此外, 本书还附有一百八十多道思考题, 以帮助同学们掌握课程主要内容, 并训练培养同学们扩展建立新的研究方案或模型的思路.

尽管本书是基于作者在北京大学物理系和物理学院讲授热学二十多年的讲义整理而成, 并经多位同人和多个兄弟单位使用, 但是, 由于其中蕴含的材料不仅信息量较大, 而且知识跨度也较大, 尤其是探索之处甚多, 加上作者水平所限, 书中一定存在很多不妥和错误之处, 恳请读者不吝赐教.

在本书编著过程中, 北京大学的高原宁院士、欧阳颀院士、李定平教授、刘川教授、马中水教授、穆良柱教授、全海涛教授、舒幼生教授、王稼军教授等, 以及北京师范大学的涂展春教授和严大东教授、重庆大学的秦思学教授、大连理工大学的付伟杰教授、东北师范大学的马剑钢教授、国防科技大学的陈平形教授、哈尔滨工业大学的隋郁教授、辽宁师范大学的张宇教授、南开大学的常雷教授和李勇男教授、浙江大学的李敬源教授、中山大学的姚道新教授等认真阅读了书稿, 并多次与作者进行深入具体的讨论, 提出了许多宝贵的修改意见. 北京大学理论物理研究所、北京大学普通物理教学中心, 以及其他单位的很多同人也提出了许多宝贵的意见和建议. 穆良柱教授还核对了所有习题的参考答案, 秦思学教授还提供了部分宝贵的资料. 在此, 作者对诸位同人表示衷心感谢!