Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 物理学概览——热学，热力学和经典统计力学
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon May 12 21:03:47 2003) , 转信

 热学是研究热的产生和传导，研究物质处于热状态下的性质及其变化的学科。
人们很早就有冷热的概念。对于热现象的研究逐步澄清了关于热的一些模糊概念(
例如区分了温度和热量)，并在此基础上开始探索热现象的本质和普遍规律。关于
热现象的普遍规律的研究称为热力学。到19世纪，热力学已趋于成熟。

    物体有内部运动，因此就有内部能量。19世纪的系统实验研究证明：热是物体
内部无序运动的表现，称为内能，以前称作热能。19世纪中期，焦耳等人用实验确
定了热量和功之间的定量关系，从而建立了热力学第一定律：宏观机械运动的能量
与内能可以互相转化。就一个孤立的物理系统来说，不论能量形式怎样相互转化，
总的能量的数值是不变的，因此热力学第一定律就是能量守恒与转换定律的一种表
现。

    在卡诺研究结果的基础上，克劳修斯等科学家提出了热力学第二定律，表达了
宏观非平衡过程的不可逆性。例如：一个孤立的物体，其内部各处的温度不尽相同
，那么热就从温度较高的地方流向温度较低的地方，最后达到各处温度都相同的状
态，也就是热平衡的状态。相反的过程是不可能的，即这个孤立的、内部各处温度
都相等的物体，不可能自动回到各处温度不相同的状态。应用熵的概念，还可以把
热力学第二定律表达为：一个孤立的物理系统的熵不会着时间的流逝而减少，只能
增加或保持不变。当熵达到最大值时，物理系统就处于热平衡状态。

     深入研究热现象的本质，就产生了统计力学。统计力学应用数学中统计分析
的方法，研究大量粒子的平均行为。统计力学根据物质的微观组成和相互作用，研
究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律，是理论物理的一个重要分
支。

    非平衡统计力学所研究的问题复杂，直到20世纪中期以后才取得了比较大的进
展。对于一个包含有大量粒子的宏观物理系统来说，系统处于无序状态的几率超过
了处于有序状态的几率。孤立物理系统总是从比较有序的状态趋向比较无序的状态
，在热力学中，这就相应于熵的增加。

    处于平衡状态附近的非平衡系统的主要趋向是向平衡状态过渡。平衡态附近的
主要非平衡过程是弛豫、输运和涨落，这方面的理论逐步发展，已趋于成熟。近
20～30年来人们对于远离平衡态的物理系统，如耗散结构等进行了广泛的研究，取
得了很大的进展，但还有很多问题等待解决。

    在一定时期内，人们对客观世界的认识总是有局限性的，认识到的只是相对的
真理，经典力学和以经典力学为基础的经典统计力学也是这样。经典力学应用于原
子、分子以及宏观物体的微观结构时，其局限性就显示出来，因而发展了量子力学
。与之相应，经典统计力学也发展成为以量子力学为基础的量子统计力学。



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