推荐热力学统计物理玻耳兹曼统计学习教案.pptx
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1、会计学1推荐热力学统计推荐热力学统计(tngj)物理玻耳兹曼统物理玻耳兹曼统计计(tngj)第一页,共63页。24、与经典、与经典(jngdin)描述之间的关系描述之间的关系对于宏观对于宏观(hnggun)大小的容积,大小的容积,是很小的量,量子是很小的量,量子(lingz)描述趋近于描述趋近于经典描述。经典描述。由于由于不确定关系不确定关系,。即在体积元即在体积元 h h 内的各运动状态,内的各运动状态,它们的差别都在测量误差之内,它们的差别都在测量误差之内,即被认为是即被认为是相同的相同的!以一维自由粒子为例,其相空间的体积元为以一维自由粒子为例,其相空间的体积元为 。一个量子态对应粒子相
2、空间的一一个量子态对应粒子相空间的一个个 h h 大小的体积元(相格)。大小的体积元(相格)。第2页/共63页第二页,共63页。3二、系统微观运动二、系统微观运动(yndng)的描述的描述1 1、全同和近独立粒子、全同和近独立粒子(lz)(lz)的宏观系统的宏观系统全同粒子全同粒子具有相同物理性质(质量、电荷具有相同物理性质(质量、电荷(dinh),自旋等)的,自旋等)的微观粒子微观粒子近独立粒子近独立粒子粒子之间的相互作用可以忽略不计。粒子之间的相互作用可以忽略不计。系统粒子数系统粒子数能量能量2 2、经典微观系统的运动状态经典微观系统的运动状态粒子可分辨。粒子可分辨。系统的微观状态系统的微
3、观状态确定确定,每个粒子的微观状态确定。,每个粒子的微观状态确定。NrNr 个广义坐标和个广义坐标和 NrNr 个广义动量都确定。个广义动量都确定。第3页/共63页第三页,共63页。4几何几何(j h)表示:表示:空间空间(kngjin)N(kngjin)N 个代表点。个代表点。玻耳兹曼分布玻耳兹曼分布(fnb)、玻耳兹曼粒子。、玻耳兹曼粒子。3 3、量子系统的微观状态量子系统的微观状态粒子不可区分,只知道几个粒子在哪个量子态,不粒子不可区分,只知道几个粒子在哪个量子态,不知道哪几个粒子在这个量子态。知道哪几个粒子在这个量子态。泡利泡利不相容原理:不相容原理:自旋半整数的粒子,在一个量子态自旋
4、半整数的粒子,在一个量子态不可能有一个以上的粒子。不可能有一个以上的粒子。自旋整数自旋整数的粒子,不受泡利原理限制的粒子,不受泡利原理限制玻色玻色分布分布、玻色玻色粒子。粒子。自旋整半数自旋整半数粒子粒子费米费米分布、分布、费米费米粒子。粒子。光子光子(自旋自旋 1 1 )、声子、声子(自旋自旋 1 1 )、等等电子、质子、夸克等电子、质子、夸克等(自旋(自旋 1/21/2 )第4页/共63页第四页,共63页。54、分布、分布(fnb)的定义的定义能级能级(nngj)简并度简并度粒子粒子(lz)数数确定的宏观态确定的宏观态表示一个分布,满足表示一个分布,满足分布对应的微观态数分布对应的微观态数
5、A.玻耳兹曼系统(玻耳兹曼分布)玻耳兹曼系统(玻耳兹曼分布)B.玻色分布C.费米分布第5页/共63页第五页,共63页。6玻色分布玻色分布(fnb)和费米分布和费米分布(fnb)趋向于玻耳兹曼分布趋向于玻耳兹曼分布(fnb)。满足经典极限条件时,玻色(费米)系统中的近独立粒子在满足经典极限条件时,玻色(费米)系统中的近独立粒子在平衡态遵从平衡态遵从(zncng)玻尔兹曼分布。玻尔兹曼分布。第6页/共63页第六页,共63页。7定域粒子组成的系统,如晶体中的原子或离子定域在其平衡位定域粒子组成的系统,如晶体中的原子或离子定域在其平衡位置附近作微振动。从其量子本性置附近作微振动。从其量子本性(bnxn
6、g)来说不可分辨,但可来说不可分辨,但可以根据其平衡位置而加以区分。在这意义下可以将定域粒子看以根据其平衡位置而加以区分。在这意义下可以将定域粒子看做可以分辨的粒子,因此由定域粒子组成的系统(定域系统)做可以分辨的粒子,因此由定域粒子组成的系统(定域系统)遵从玻尔兹曼分布。遵从玻尔兹曼分布。玻耳兹曼系统玻耳兹曼系统(xtng)(玻耳兹曼分布)(玻耳兹曼分布)第7页/共63页第七页,共63页。8一、玻耳兹曼分布一、玻耳兹曼分布(fnb)令令则则叫叫配分函数配分函数7.1 7.1 热力学量的统计热力学量的统计热力学量的统计热力学量的统计(tngj)(tngj)表达式表达式表达式表达式第8页/共63
7、页第八页,共63页。9二、热力学量二、热力学量1.1.内能内能(ni nn)(ni nn)2.2.功功能级能级(nngj)不变不变分布变分布变能级能级(nngj)变变分布不变分布不变统计表达式统计表达式第9页/共63页第九页,共63页。10能级能级(nngj)不变不变分布变分布变能级能级(nngj)变变分布不变分布不变能级能级 的值,是力学的值,是力学(l xu)方程方程在指定的边界条件下的解。在指定的边界条件下的解。力学系统不变,方程不变,力学系统不变,方程不变,能级变,只有边界条件变。能级变,只有边界条件变。改变边界,即做功。改变边界,即做功。外界对系外界对系统的力统的力每个粒子受力:每个
8、粒子受力:功功广义力统计表达式广义力统计表达式第10页/共63页第十页,共63页。113.3.熵熵由由得得等式等式(dngsh)(dngsh)两边同两边同乘乘:而而且且所以所以(suy(suy)第11页/共63页第十一页,共63页。12熵熵其中其中(qzhng)(qzhng)令令求全求全(qiqun)(qiqun)微分微分之前之前(zhqin)(zhqin)求得求得由由得到得到第12页/共63页第十二页,共63页。13三、熵的统计三、熵的统计(tngj)意义意义玻尔兹曼关系玻尔兹曼关系(gun x)第13页/共63页第十三页,共63页。14说明:说明:1、统计意义,熵、统计意义,熵混乱度混乱度
9、微观微观(wigun)状态数状态数 2、满足经典极限条件的不可分辨(玻色,费米)系统、满足经典极限条件的不可分辨(玻色,费米)系统对于玻色、费米对于玻色、费米(fi m)分布分布第14页/共63页第十四页,共63页。15自由自由(zyu)能能对于对于(duy)定域系统定域系统满足经典满足经典(jngdin)极限条件的玻色、费米极限条件的玻色、费米系统系统第15页/共63页第十五页,共63页。16四、经典四、经典(jngdin)统计表达式统计表达式所有热力学量都可以所有热力学量都可以(ky)通过配分函数表示。通过配分函数表示。经典经典(jngdin)表达式表达式第16页/共63页第十六页,共63
10、页。17h0对经典对经典(jngdin)统计结果的影响统计结果的影响与与h0无关无关(wgun)与与h0有关有关(yugun)对经典分布对经典分布不含有不含有第17页/共63页第十七页,共63页。18一、理想气体一、理想气体(l xin q t)气体分子气体分子(fnz)之间的相互作用势能被忽略。之间的相互作用势能被忽略。二、配分函数二、配分函数7.2 7.2 理想气体理想气体理想气体理想气体(l xin q t)(l xin q t)的物态方程的物态方程的物态方程的物态方程第18页/共63页第十八页,共63页。19三、物态方程三、物态方程四、内能四、内能(ni nn)经典极限经典极限(jxi
11、n)条件条件经典条件经典条件(tiojin)下:下:1、N/V愈小,即气体愈稀薄愈小,即气体愈稀薄2、温度愈高、温度愈高3、分子的质量愈大、分子的质量愈大第19页/共63页第十九页,共63页。20能量能量(nngling)分布分布速度速度(sd)分布分布出发点:出发点:7.3 7.3 麦克斯韦速度麦克斯韦速度麦克斯韦速度麦克斯韦速度(sd)(sd)分布率分布率分布率分布率一、思路一、思路第20页/共63页第二十页,共63页。21二、速度二、速度(sd)分布率分布率是能量是能量(nngling)在在 粒子数目粒子数目,求动量,求动量(dngling)在在中粒子数目,对空间积分中粒子数目,对空间积
12、分第21页/共63页第二十一页,共63页。22在速度在速度(sd)区间区间的粒子的粒子(lz)数数单位体积内在单位体积内在(nizi)速度区间速度区间的粒子数的粒子数即即 麦克斯韦速度分布率麦克斯韦速度分布率为单位体积内粒子数为单位体积内粒子数第22页/共63页第二十二页,共63页。23三、速率三、速率(sl)分布分布速率与方向无关速率与方向无关(wgun),故需对上式进行角度积分。,故需对上式进行角度积分。物理含义:粒子物理含义:粒子(lz)速率在速率在v-v+dv之间的粒子之间的粒子(lz)数目数目第23页/共63页第二十三页,共63页。24四、特征四、特征(tzhng)速率速率最概然速率
13、:使速率分布函数最概然速率:使速率分布函数(hnsh)取极大值的速率;取极大值的速率;把速率分为相等的间隔,把速率分为相等的间隔,vm所在间隔分子数最多。所在间隔分子数最多。第24页/共63页第二十四页,共63页。25用分布函数计算用分布函数计算(j sun)(j sun)与速率有关的物与速率有关的物理量在速率理量在速率 0 0 区间内的平区间内的平均值均值第25页/共63页第二十五页,共63页。26平均(pngjn)速率方均根速率(sl)第26页/共63页第二十六页,共63页。27五、泻流五、泻流单位时间单位时间(shjin)碰到单位面积器壁的碰到单位面积器壁的粒子数单位时间粒子数单位时间(
14、shjin)从器壁上单从器壁上单位面积空洞逃逸的粒子泻流位面积空洞逃逸的粒子泻流第27页/共63页第二十七页,共63页。28一、经典一、经典(jngdin)统计证明统计证明 对于处在温度为对于处在温度为 T 的平衡状态的经典系统,粒子能量的平衡状态的经典系统,粒子能量(nngling)中每中每一个平方项的平均值为一个平方项的平均值为 。A.A.与动能有关与动能有关(yugun)(yugun)部分部分7.4 7.4 能量均分定理能量均分定理能量均分定理能量均分定理粒子的能量粒子的能量=动能动能+势能势能某一个方向的动能的平均值为:某一个方向的动能的平均值为:第28页/共63页第二十八页,共63页
15、。29由于由于(yuy)(yuy)结果结果(ji gu)(ji gu)代入下式代入下式第29页/共63页第二十九页,共63页。30B.B.与势能有关与势能有关(yugun)(yugun)部分部分证明证明(zhngmng)与上面同。与上面同。二、经典二、经典(jngdin)统计理论的困难统计理论的困难A.A.单原子分子理想气体单原子分子理想气体P202P202,表表 7.27.2考察几个经典系统考察几个经典系统没有考虑原子内的电没有考虑原子内的电子运动子运动第30页/共63页第三十页,共63页。31B.B.双原子双原子(yunz)(yunz)分子理想气体分子理想气体刚性连接刚性连接(linji)
16、:r=常量常量P203P203,表表 7.37.3不能解释低温氢气不能解释低温氢气(qn q)的性质和柔的性质和柔性连接情况性连接情况第31页/共63页第三十一页,共63页。32C.C.理想理想(lxing)(lxing)固体固体所有理想固体所有理想固体(gt)有有相同的热容量!相同的热容量!三维线性振子三维线性振子(zhn z)电子呢?电子呢?经典理论不能解释经典理论不能解释实际结果实际结果第32页/共63页第三十二页,共63页。33D.D.空腔空腔(kn qin)(kn qin)内辐射场内辐射场辐射辐射(fsh)场形成驻波,单场形成驻波,单色平面波的电场分量色平面波的电场分量波矢波矢色散色
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