热力学与统计物理学林宗涵编著北京大学出版社PEKINGUNIVERSITYPRESS
热力学与统计物理学 林宗涵 编著
图书在版编目（CIP）数据热力学与统计物理学/林宗涵编著，一北京：北京大学出版社，2007.1（北京大学物理学丛书）ISBN978-7-301-10654-9I.热.I.林.Ⅲ.①热力学-高等学校-教材②统计物理学-高等学校-教材N.O414中国版本图书馆CIP数据核字（2006）第037806号书名：热力学与统计物理学著作责任者：林宗涵编著责任编辑：顾卫宇标准书号：ISBN978-7-301-10654-9/O·0691出版发行：北京大学出版社地址：北京市海淀区成府路205号100871网址：http：//www.pup.cn电话：邮购部62752015发行部62750672编辑部62752021出版部62754962电子邮箱：zpuppup.pku.edu.cn印刷者：经销者：新华书店850毫米×1168毫米32开本20.875印张546千字2007年1月第1版，2007年6月第2次印刷定价：32.00元未经许可，不得以任何方式复制或抄装本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究举报电话：010-62752024电子邮箱：fd@pup.pku.edu.cn
图书在版编目（﹤﹫）数据 热 力 学 与 统 计 物 理 学燉林 宗 涵 编 著．—北 京：北 京 大 学 出 版 社， ２００７．１ （北京大学物理学丛书） ＩＳＢＮ ９７８７３０１１０６５４９ Ⅰ．热. Ⅱ．林. Ⅲ．①热力学高等学校教材 ②统计物理 学高等学校教材 Ⅳ．Ｏ４１４ 中国版本图书馆 ＣＩＰ数据核字（２００６）第 ０３７８０６号 书 名：热力学与统计物理学 著作责任者：林宗涵 编著 责 任 编 辑：顾卫宇 标 准 书 号：ＩＳＢＮ ９７８７３０１１０６５４９燉Ｏ·０６９１ 出 版 发 行：北京大学出版社 地 址：北京市海淀区成府路 ２０５号 １００８７１ 网 址：ｈｔｔｐ：燉燉ｗｗｗ．ｐｕｐ．ｃｎ 电 话：邮购部 ６２７５２０１５ 发行部 ６２７５０６７２ 编辑部 ６２７５２０２１ 出版部 ６２７５４９６２ 电 子 邮 箱：ｚｐｕｐ＠ｐｕｐ．ｐｋｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 印 刷 者： 经 销 者：新华书店 ８５０毫米×１１６８毫米 ３２开本 ２０．８７５印张 ５４６千字 ２００７年 １月第 １版 ２００７年 ６月第 ２次印刷 定 价：３２．００元 未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。 版权所有，侵权必究 举报电话：０１０６２７５２０２４ 电子邮箱：ｆｄ＠ｐｕｐ．ｐｋｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
内容简介全书共分11章，前5章为热力学，后6章为统计物理学。各章内容包括：1.热力学的基本概念和基本规律；2.均匀系的平衡性质：3.相变的热力学理论；4.多元系的复相平衡与化学平衡、热力学第三定律：5.非平衡态热力学（线性理论）简介：6.统计物理学的基本概念：7.近独立子系组成的系统：8.统计系综理论：9.相变和临界现象的统计理论简介；10.非平衡态统计理论；11.涨落理论。本书附有习题和部分参考答案。本书可作为高等学校物理类各专业“热力学与统计物理学”的教材或教学参考书
内 容 简 介 全书共分 １１章，前 ５章为热力学，后 ６章为统计物理学。各章 内容包括：１．热力学的基本概念和基本规律；２．均匀系的平衡 性质；３．相变的热力学理论；４．多元系的复相平衡与化学平衡、 热力学第三定律；５．非平衡态热力学（线性理论）简介；６．统计 物理学的基本概念；７．近独立子系组成的系统；８．统计系综理 论；９．相 变 和 临 界 现 象 的 统 计 理 论 简 介；１０．非 平 衡 态 统 计 理 论；１１．涨落理论。 本书附有习题和部分参考答案。 本书可作为高等学校物理类各专业“热力学与统计物理学”的 教材或教学参考书
《北京大学物理学丛书》第二届编委会名单主任：高崇寿副主任：（按姓氏笔画排，下同）刘寄星陈晓林周月梅夏建白聂玉昕阎守胜黄涛编委：冯世平田光善孙昌璞孙琰朱星朱邦芬宋菲君肖佐邹振隆林宗涵欧阳钟灿俞允强胡岗闻海虎顾卫宇韩汝珊解思深
《北京大学物理学丛书》 第二届编委会名单 主 任：高崇寿 副 主 任：（按姓氏笔画排，下同） 刘寄星 陈晓林 周月梅 夏建白 聂玉昕 阎守胜 黄 涛 编 委：冯世平 田光善 孙昌璞 孙 琰 朱 星 朱邦芬 宋菲君 肖 佐 邹振隆 林宗涵 欧阳钟灿 俞允强 胡 岗 闻海虎 顾卫宇 韩汝珊 解思深
北京大学物理学丛书（已出书目）俞允强1.广义相对论引论（第二版）曾谨言2.量子力学导论（第二版）宋菲君S.Jutamulia3.近代光学信息处理彭桓武徐锡申4.理论物理基础韩汝珊5.高温超导物理吴崇试6.数学物理方法（第二版）张启仁7.原子核理论一一它的深化与扩展韩其智孙洪洲8.李代数李超代数及在物理中的应用俞允强9.电动力学简明教程10.特殊函数概论王竹溪郭敦仁刘式适刘式达11.物理学中的非线性方程阎阁守胜12.固体物理基础（第二版）夏建白13.现代半导体物理俞允强14.热大爆炸宇宙学彭武徐锡申15.数理物理基础许振嘉16.近代半导体材料的表面科学基础俞允强17.物理宇宙学讲义王正行18.量子力学原理张宗燃19.电动力学及狭义相对论（第二版）王竹溪20.热力学（第二版）李淼21.超弦史话胡希伟22.等离子体理论基础
北京大学物理学丛书 （已出书目） １．广义相对论引论（第二版） 俞允强 ２．量子力学导论（第二版） 曾谨言 ３．近代光学信息处理 宋菲君 Ｓ．Ｊｕｔａｍｕｌｉａ ４．理论物理基础 彭桓武 徐锡申 ５．高温超导物理 韩汝珊 ６．数学物理方法（第二版） 吴崇试 ７．原子核理论—— 它的深化与扩展 张启仁 ８．李代数李超代数及在物理中的应用 韩其智 孙洪洲 ９．电动力学简明教程 俞允强 １０．特殊函数概论 王竹溪 郭敦仁 １１．物理学中的非线性方程 刘式适 刘式达 １２．固体物理基础（第二版） 阎守胜 １３．现代半导体物理 夏建白 １４．热大爆炸宇宙学 俞允强 １５．数理物理基础 彭桓武 徐锡申 １６．近代半导体材料的表面科学基础 许振嘉 １７．物理宇宙学讲义 俞允强 １８．量子力学原理 王正行 １９．电动力学及狭义相对论（第二版） 张宗燧 ２０．热力学（第二版） 王竹溪 ２１．超弦史话 李 淼 ２２．等离子体理论基础 胡希伟
23.晶格动力学理论【德】M.玻恩黄昆著葛惟锟贾惟义译24.有限晶体中的电子态：Bloch波的量子限域任尚元25.软物质物理学导论陆坤权刘寄星主编26.信息光子学物理宋菲君羊国光余金中27.原子论的历史和现状关洪一对物质微观构造认识的发展林宗涵28.热力学与统计物理学杨泽森29.高等量子力学（第三版）
２３．晶格动力学理论 〔德〕Ｍ．玻恩 黄昆 著 葛惟锟 贾惟义 译 ２４．有限晶体中的电子态：Ｂｌｏｃｈ波的量子限域 任尚元 ２５．软物质物理学导论 陆坤权 刘寄星 主编 ２６．信息光子学物理 宋菲君 羊国光 余金中 ２７．原子论的历史和现状 —— 对物质微观构造认识的发展 关 洪 ２８．热力学与统计物理学 林宗涵 ２９．高等量子力学（第三版） 杨泽森
前言物理学是自然科学的基础，是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科.几十年来，在生产技术发展的要求和推动下，人们对物理现象和物理学规律的探索研究不断取得新的突破，物理学的各分支学科有着突飞猛进的发展，丰富了人们对物质世界物理运动基本规律的认识和掌握，促进了许多和物理学紧密相关的交叉学科和技术学科的进步.物理学的发展是许多新兴学科、交叉学科和新技术学科产生、成长和发展的基础和前导为适应现代化建设的需要，为推动国内物理学的研究、提高物理教学水平，我们决定推出《北京大学物理学从书》，请在物理学前沿进行科学研究和教学工作的著名物理学家和教授对现代物理学各分支领域的前沿发展做系统、全面的介绍，为广大物理学工作者和物理系的学生进一步开展物理学各分支领域的探索研究和学习，开展与物理学紧密相关的交学科和技术学科的研究和学习提供研究参考书、教学参考书和教材：本丛书分两个层次.第一个层次是物理系本科生的基础课教材，这一教材系列，将几十年来几代教师，特别是在北京大学教师的教学实践和教学经验积累的基础上，力求深入浅出、删繁就简，以适于全国大多数院校的物理系使用，它吸收以往经典的物理教材的精华，尽可
前 言 物理学是自然科学的基础，是探讨物质结构和运动 基本规律的前沿学科．几十年来，在生产技术发展的要求 和推动下，人们对物理现象和物理学规律的探索研究不 断取得新的突破．物理学的各分支学科有着突飞猛进的 发展，丰富了人们对物质世界物理运动基本规律的认识 和掌握，促进了许多和物理学紧密相关的交叉学科和技 术学科的进步．物理学的发展是许多新兴学科、交叉学科 和新技术学科产生、成长和发展的基础和前导． 为适应现代化建设的需要，为推动国内物理学的研 究、提高物理教学水平，我们决定推出《北京大学物理学 丛书》，请在物理学前沿进行科学研究和教学工作的著名 物理学家和教授对现代物理学各分支领域的前沿发展做 系统、全面的介绍，为广大物理学工作者和物理系的学生 进一步开展物理学各分支领域的探索研究和学习，开展 与物理学紧密相关的交叉学科和技术学科的研究和学习 提供研究参考书、教学参考书和教材． 本丛书分两个层次．第一个层次是物理系本科生的 基础课教材，这一教材系列，将几十年来几 代 教 师，特 别 是在北京大学教师的教学实践和教学经验积累的基础 上，力求深入浅出、删繁就简，以适于全国大 多 数 院 校 的 物理系使用．它既吸收以往经典的物理教材的精华，尽可
热力学与统计物理学能系统地、完整地、准确地讲解有关的物理学基本知识、基本概念、基本规律、基本方法：同时又注入科技发展的新观点和方法，介绍物理学的现代发展，使学生不仅能掌握物理学的基础知识，还能了解本学科的前沿课题和研究动向，提高学生的科学素质.第二个层次是研究生教材研究生教学参考书和专题学术著作.这一系列将集中于一些发展迅速、已有开拓性进展、国际上活跃的学科方向和专题，介绍该学科方向的基本内容，力求充分反映该学科方向国内外前沿最新进展和研究成果.学术专著首先着眼于物理学的各分支学科，然后再扩展到与物理学紧密相关的交又学科，愿这套丛书的出版既能使国内著名物理学家和教授有机会将他们的累累硕果奉献给广大读者，又能对物理的教学和科学研究起到促进和推动作用《北京大学物理学丛书》编辑委员会1997年3月
能系统地、完整地、准确地讲解有关的物理学基本知识、 基本概念、基本规律、基本方法；同时又注入 科 技 发 展 的 新观点和方法，介绍物理学的现代发展，使学生不仅能掌 握物理学的基础知识，还能了解本学科的前沿课题和研 究 动 向，提高学生的科学素质．第 二 个 层 次 是 研 究 生 教 材、研究生教学参考书和专题学术著作．这一系列将集中 于一些发展迅速、已有开拓性进展、国际上活跃的学科方 向和专题，介绍该学科方向的基本内容，力求充分反映该 学科方向国内外前沿最新进展和研究成果．学术专著首 先着眼于物理学的各分支学科，然后再扩展到与物理学 紧密相关的交叉学科． 愿这套丛书的出版既能使国内著名物理学家和教授 有机会将他们的累累硕果奉献给广大读者，又能对物理 的教学和科学研究起到促进和推动作用． 《北京大学物理学丛书》编辑委员会 １９９７年 ３月 热力学与统计物理学
序热力学与统计物理学是热现象理论的两个组成部分，热力学是宏观理论，统计物理学是微观理论，二者均以研究热现象规律及相关物理性质为目的。在大学本科热统课的教学中，通常采用两种办法。一种是分开讲，先讲热力学，后讲统计物理学：另一种是以统计物理为纲，把热力学内容以适当的方式纳入。从教学的角度看，两种办法各有优缺点，不能说哪一种一定更好些。说到底，还是决定于教师本人。本书采取分开讲的方式，希望让学生体会一下热力学方法热力学是宏观理论，它不需要知道微观细节就可以进行理论分析，而且很普遍：朗道相变理论就是很好的例子。热力学理论还可以提供普遍性的论证，例如对黑体辐射谱密度是温度的普适函数的论证。当然，在解决物理问题时，往往是热力学与统计物理学结合起来用的。热力学与统计物理学从创建初至今已经一百多年了，不仅应用领域不断扩大，而且学科本身也有了许多重大发展，包括概念、理论和方法（尽管基本原理、基本规律没有变化）。毫无疑问，应该在教学内容上适当反映这种进展。困难在于在基础课中如何掌握“适当”二字。本书在玻色-爱因斯坦凝聚与相变的重正化群概念等几处作了点初步尝试。本书有一些加*号的内容超出了教学要求，主要是为有兴趣的读者阅读参考。50年代中期我有幸在北大聆听王竹溪先生讲授的热力学与统计物理学（当时热力学与统计物理学各讲授一个学期）。1962年
序 热力学与统计物理学是热现象理论的两个组成部分，热力学 是宏观理论，统计物理学是微观理论，二者均以研究热现象规律及 相关物理性质为目的。 在大学本科热统课的教学中，通常采用两种办法。一种是分开 讲，先讲热力学，后讲统计物理学；另一种是以统计物理为纲，把热 力学内容以适当的方式纳入。从教学的角度看，两种办法各有优缺 点，不能说哪一种一定更好些。说到底，还是决定于教师本人。 本书采取分开讲的方式，希望让学生体会一下热力学方法。热 力学是宏观理论，它不需要知道微观细节就可以进行理论分析，而 且很普遍；朗道相变理论就是很好的例子。热力学理论还可以提供 普遍性的论证，例如对黑体辐射谱密度是温度的普适函数的论证。 当然，在解决物理问题时，往往是热力学与统计物理学结合起来用 的。 热力学与统计物理学从创建初至今已经一百多年了，不仅应 用领域不断扩大，而且学科本身也有了许多重大发展，包括概念、 理论和方法（尽管基本原理、基本规律没有变化）。毫无疑问，应该 在教学内容上适当反映这种进展。困难在于在基础课中如何掌握 “适当”二字。本书在玻色爱因斯坦凝聚与相变的重正化群概念等 几处作了点初步尝试。 本书有一些加号的内容超出了教学要求，主要是为有兴趣 的读者阅读参考。 ５０年代中期我有幸在北大聆听王竹溪先生讲授的热力学与 统计物理学（当时热力学与统计物理学各讲授一个学期）。１９６２年
IV热力学与统计物理学我开始讲授热力学与统计物理学后，经常去主先生家当面向他请教教学中的问题，对我的帮助极大。在此，谨表我对先生的裹心感谢与深切怀念。我还要对与我多年共事的同事黄哟、仇韵清、张承福、夏蒙势、李先卉、刘、卢大海、邓卫真等教授表示感谢，不少教学内容的处理，习题的选择等都包含了他们的贡献和心血：我们之间的合作是愉快的，教学中的切是非常有益的。在编写本书过程中，曾多次与程檀生教授和吴票试教授讨论相关的物理、数学问题，得益良多，还得到刘树新副教授在计算机使用方面的许多帮助，在此表示感谢。“教学相长”是北大教学中一贯提倡的，其含义有多方面，学生的提问和钻研精神对教员常常起着激励作用，希望这一点得以保持。最后，作者感谢北京大学出版社的周月梅女士、顾卫宇女士和其他有关人员为本书出版所付出的辛勤劳动，感谢教育部高等教育司、北京市教委和北京大学对本书出版所给予的支持。本书定有不少不妥与错误之处，诚悬期望同行和读者提出宝贵意见。林宗涵2006年12月北京大学承泽园
我开始讲授热力学与统计物理学后，经常去王先生家当面向他请 教教学中的问题，对我的帮助极大。在此，谨表我对王先生的衷心 感谢与深切怀念。我还要对与我多年共事的同事黄畇、仇韵清、张 承福、夏蒙棼、李先卉、刘川、卢大海、邓卫真等教授表示感谢，不少 教学内容的处理、习题的选择等都包含了他们的贡献和心血；我们 之间的合作是愉快的，教学中的切磋是非常有益的。 在编写本书过程中，曾多次与程檀生教授和吴崇试教授讨论 相关的物理、数学问题，得益良多，还得到刘树新副教授在计算机 使用方面的许多帮助，在此表示感谢。 “教学相长”是北大教学中一贯提倡的，其含义有多方面，学生 的提问和钻研精神对教员常常起着激励作用，希望这一点得以保 持。 最后，作者感谢北京大学出版社的周月梅女士、顾卫宇女士和 其他有关人员为本书出版所付出的辛勤劳动，感谢教育部高等教 育司、北京市教委和北京大学对本书出版所给予的支持。 本书定有不少不妥与错误之处，诚恳期望同行和读者提出宝 贵意见。 林宗涵 ２００６年 １２月 北京大学承泽园 热力学与统计物理学