复旦大学：《统计热力学》课程教学资源（课件讲稿）Introduction

Laboratory of Molecular Catalysis&Innovative Material Outline 简个 ■ 数学基础 系徐理论 ■ 经典统计和量子统计 ■ 配分画数和热力学岛数 ■ 统计热力学的应用 气体（理想气体，真实气体) 液体和溶液 固体（表面，相变) 动力学 ■ Monte Carlo和分子动力学模拟 振华 9/12/2018 统计热力学第一章 8 造

李振华制 9/12/2018 统计热力学 -第一章 8 造 Outline  简介  数学基础  系综理论  经典统计和量子统计  配分函数和热力学函数  统计热力学的应用  气体（理想气体，真实气体）  液体和溶液  固体（表面，相变）  动力学  Monte Carlo和分子动力学模拟

Laboratory of Molecular Catalysis &Innovative Material Chapter1.Introduction:问题思考 为什么会有统计热力学这门学科7 它主要想解决什么问题？ 它不能解决什么问题7 有哪些科学家对统计热力学的发展做出了巨大贡献 我学习统计热力学可能遇到的最大因难是什么？打 算怎么解决？ 在我的研究方向中，能用到统计热力学吗？有什么 地方可能会用到？对我的研究有什么帮助？ 这部分有那些概念我理解有困难的？把他们列出来 振华制 9/12/2018 统计热力学第一章 造

李 振 华 制 造 Chapter 1. Introduction：问题思考  为什么会有统计热力学这门学科？  它主要想解决什么问题？  它不能解决什么问题？  有哪些科学家对统计热力学的发展做出了巨大贡献 ？  我学习统计热力学可能遇到的最大困难是什么？打 算怎么解决？  在我的研究方向中，能用到统计热力学吗？有什么 地方可能会用到？对我的研究有什么帮助？  这部分有哪些概念我理解有困难的？把他们列出来 9/12/2018 统计热力学-第一章 9

Laboratory of Molecular Catalysis Innovative Material Chapter 1.Introduction ■ Aims and Subjects ■为什么要学习统计热力学 History Methods ■统计热力学可怕吗？ 振华制 9/12/2018 统计热力学第一章 10造

李 振 华 制 9/12/2018 统计热力学-第一章 10 造 Chapter 1. Introduction  Aims and Subjects  为什么要学习统计热力学  History  Methods  统计热力学可怕吗？

Laboratory of Molecular Catalysis Innovative Material §1-1研究对象和目的 热力学： ■大量粒子组成的宏观对象的宏观热力学性质 (能量，熵，压力，温度，体积，热容等等) 之间的关系： 热力学三大定律： ■ 第零定律：若A和C同时与B达到热平衡，则A和C也 达到热平衡。 ■第一定律：能量守恒，dQ=dU+dW ■第二定律：不可能造出第二类永动机，热不可能全 部转化为功 ■第三定律：等温过程的熵变在T趋于OK时也趋于零 态：平衡态；近平衡态；远离平衡态；驰豫 振华制 9/12/2018 统计热力学第一章 11

李 振 华 制 9/12/2018 统计热力学-第一章 11 造 §1-1 研究对象和目的  热力学：  大量粒子组成的宏观对象的宏观热力学性质 （能量，熵，压力，温度，体积，热容等等） 之间的关系：  热力学三大定律：  第零定律：若A和C同时与B达到热平衡，则A和C也 达到热平衡。  第一定律：能量守恒，dQ = dU + dW  第二定律：不可能造出第二类永动机，热不可能全 部转化为功  第三定律：等温过程的熵变在T趋于0K时也趋于零  态：平衡态；近平衡态；远离平衡态；驰豫

Laboratory of Molecular Catalysis Innovative Material 热力学的缺点 热力学只能把问题归猪为一些带有物性参数(C卫 Cv,卫)的方程式，这些参数不能通过理论计算给出 只能依靠实验得到。 忽略了物质的原始结构，把物质作为连猿体看待， 物质性质用确定的连续函数表达，无法解释褚如布 朗运动等中的涨落现象。 李振华制 9/12/2018 统计热力学第一章 12

李 振 华 制 9/12/2018 统计热力学-第一章 12 造 热力学的缺点  热力学只能把问题归结为一些带有物性参数（Cp, Cv, p）的方程式，这些参数不能通过理论计算给出， 只能依靠实验得到。  忽略了物质的原始结构，把物质作为连续体看待， 物质性质用确定的连续函数表达，无法解释诸如布 朗运动等中的涨落现象

Laboratory of Molecular Catalysis Innovative Material 热力学的缺点-一个解决方案 还原论的做法：求解大量粒子的运动方程。 ■数学上的困难：三体问题到现在还没有解决。 方程的解的状况会非常复杂，以至于对于给定的初始条件，几乎是没 有办法预测当时间趋于无穷时，这个轨道的最终命运(Chaos)。 ■初始条件的确定 ■精确度 ■统计规律 振华 9/12/2018 统计热力学第一章 13 造

李 振 华 制 9/12/2018 统计热力学-第一章 13 造 热力学的缺点-一个解决方案  还原论的做法：求解大量粒子的运动方程。 数学上的困难：三体问题到现在还没有解决。 方程的解的状况会非常复杂，以至于对于给定的初始条件，几乎是没 有办法预测当时间趋于无穷时，这个轨道的最终命运(Chaos)。 初始条件的确定 精确度 统计规律

Laboratory of Molecular Catalysis Innovative Material Collision 李振华制 9/12/2018 统计热力学第一章 14造

李 振 华 制 9/12/2018 统计热力学-第一章 14 造 Collision

Laboratory of Molecular Catalysis&Innovative Material 第一性原理的功力学模以 弦东辉教授的工作： H+H20 H+HOD H+H2O H2(vi.j)+OH(j2) 0.10 H+D20 Total OH+H2 0.08 OH+D2 0.06 H2+OH(0)[X10] H+CHa 0.04 Hy0.0+0H0)[X100] Hg0,0+0HK10] 0.02 Hav=1)+0H [X5] 0.00 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Translational Energy (eV) 振华制 9/12/2018 统计热力学第一章 15 造

李 振 华 制 9/12/2018 统计热力学-第一章 15 造 第一性原理的动力学模拟  张东辉教授的工作：  H+H2O  H+HOD  H+D2O  OH+H2  OH+D2  H+CH4

Laboratory of Molecular Catalysis Innovative Material First-principles theory for the H+H2O,D2O reactions Zhang DH,Collins MA,Lee SY SCIENCE290(5493):961-963N0V32000 Science d290Ne5) AMELCAN ALSQCEAT ON IOR THE ADVANCEMINT OF SCULNCI 李振华制 9/12/2018 统计热力学第一章 16

李 振 华 制 9/12/2018 统计热力学-第一章 16 造 First-principles theory for the H+H2O, D2O reactions Zhang DH, Collins MA, Lee SY SCIENCE 290 (5493): 961-963 NOV 3 2000

Laboratory of Molecular Catalysis Innovative Material 统计热力学的解决方法 弥补宏观热力学的缺点，从构成宏观物质的微观粒 子的相互作用出发，通过适当的模型、近似，得到 宏观物质的性质，状态方程。 统计物理学的做法：对微观量求统计平均 ■Boltzmann统计理论，量子统计理论 ■Gibbs系综统计理论 ■非平衡态统计理论（耗散结构)》 李振华 9/12/2018 统计热力学第一章 17 造

李 振 华 制 9/12/2018 统计热力学-第一章 17 造 统计热力学的解决方法  弥补宏观热力学的缺点，从构成宏观物质的微观粒 子的相互作用出发，通过适当的模型、近似，得到 宏观物质的性质，状态方程。  统计物理学的做法：对微观量求统计平均  Boltzmann统计理论，量子统计理论  Gibbs系综统计理论  非平衡态统计理论（耗散结构）