偶极分享 http://blog.sciencenet.cn/u/instanton 理性是北极,感性是南极

博文

恰当处理热物理中的“热”与“统”之间的关系 精选

已有 1691 次阅读 2019-5-8 09:33 |系统分类:教学心得

国内高等学校本科阶段热物理的教学基本上只安排两门课:热学、热力学与统计物理(简称热统)。热学基本上是以实验现象为依据,以归纳的手段对宏观物理现象和物理规律进行初步认识的学科,而热统则主要是以演绎的手段对热物理规律进行更深一个层次的分析和探索的学科。一个经常被提出,但是鲜少得到满意解答的问题是:热力学与统计物理之间究竟是什么关系?对这个问题的解答直接关系到在教学和教材编写中如何衔接热力学和统计物理学这两个联系紧密但又截然不同的学科领域。


热力学是基于4个基本的经验定律之上完全通过演绎的手段来阐释宏观规律和宏观现象的科学,而统计物理学则是从微观原理出发通过演绎来揭示宏观规律、解释宏观现象的科学。基于以上认识来组织教学,有两种可能的备选方案:一是将热力学和统计物理学当作两个不同层面上各成体系的科学,两者之间只是拼合的关系。持这种观点的教材结构基本上就是“热”+“统”;二是将统计物理处理成具有微观基础的更深一个层次的热力学,两者之间有逻辑上的递进关系。


以上两种观点各有优点,并且都在具体的教学实践中广为传播,孰优孰劣并不好断然评判。不过,在多年的教学活动中,总是感觉到热力学规律的一个鲜明特征在以上两种观点下都难以突显出来,这就是宏观规律的普适性普适性意味着宏观规律无关于物理系统的微观细节,因此,通过微观第一性原理得到的宏观规律只是对普适规律在具体系统上可以发挥作用这一事实的验证,严格地说并不能被当作对普适规律的证明。这样说并不意味着本人更加倾向于将热统处理成“热”+“统”。事实上可能刚好相反:虽然本人并不认同将统计物理处理成对热力学的证明,但是“统”和“热”的确具有比想象中更加紧密的联系,在教学中不宜用简单的拼接进行处理了事。热力学通过演绎建立了各种宏观状态函数以及过程参量间的定量关系,特别是基于马修定理可以从一个事先给定的热力学势出发来实现上述演绎过程,但是所谓“事先给定的热力学势”从何而来却不是热力学本身能够回答的问题,恰恰是统计物理可以从微观原理出发给出具体系统的热力学势的定量取值。因此,愚以为热力学和统计物理的关系应该处理成这样:


统计物理 ----> 热力学势 ----> 热力学


也就是说统计物理学真正的任务就是给出具体系统的热力学势,而剩下的任务则应全部交给热力学去完成。换言之,热力学势实为联结统计物理与热力学的桥梁,是两者真正的交集所在。至于从统计物理的角度去验证热力学规律的准确性反而变得次要了,因为你就具体系统对热力学规律进行验证与否本质上根本无妨于热力学规律的普适性和正确性。


ThermalStat-Cover.png

本人基于以上认识编写的新热统教材《统计热物理学》近日已由科学出版社出版,欢迎广大读者,特别是有不同意见者批评指正。




http://blog.sciencenet.cn/blog-2381753-1177767.html

上一篇:分布函数与配分函数都是谁的函数?
下一篇:瞻前顾后话引力

1 王安良

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (2 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-12-16 18:31

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部