Statistical Mechanics

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出版者:Springer
作者:E.H. Lieb
出品人:
页数:520
译者:
出版时间:2005-01-12
价格:USD 129.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9783540222972
丛书系列:
图书标签:
  • 统计力学
  • 热力学
  • 物理学
  • 凝聚态物理
  • 量子统计
  • 经典统计
  • 相变
  • 涨落
  • 非平衡态
  • 计算物理
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具体描述

《热力学与统计物理学导论》 面向领域: 物理学、化学、材料科学、工程学、凝聚态物理、量子信息 核心目标: 本书旨在为读者提供对热力学基本原理和统计力学基础概念的全面、深入且直观的理解。通过严谨的数学推导与丰富的物理图像相结合,我们致力于构建一座连接宏观现象与微观粒子行为的坚实桥梁。本书特别注重培养学生运用统计物理学的思想和工具解决复杂实际问题的能力。 --- 第一部分:热力学的基石与宏观描述 本部分首先奠定了经典热力学的坚实基础,这是理解一切平衡态物理现象的出发点。我们从最基本的概念——系统、边界、环境、过程——入手,引入了宏观描述的关键量:温度、压力和体积。 第一章:热力学系统与基本概念 详细阐述了系统的分类(孤立、封闭、开放)及其边界的性质。重点讨论了温度的物理意义,及其通过热平衡实验(零级定律)的操作性定义。我们详细分析了功和热的定义,区分了它们作为过程量的本质区别,并引入了内能的概念。 第二章:热力学第一定律与能量守恒 深入探讨了能量守恒定律在热力学中的具体体现——热力学第一定律 ($Delta U = Q + W$)。我们详细分析了不同过程下的功的计算,包括体积功、表面功以及电功等,并引入了焓(H)的概念,探讨其在恒压过程中的重要性。对于循环过程和能量的传递形式进行了详尽的讨论。 第三章:热力学第二定律与熵的引入 这是全书的转折点。我们从克劳修斯、开尔文-普朗克等经典表述出发,逐步构建了热力学第二定律的严密逻辑体系。详细分析了卡诺循环的理想化过程及其对热机效率的限制。熵(S)被引入为描述系统微观状态无序程度的宏观量。我们不仅给出了熵变的计算方法,还探讨了不可逆过程中的熵增原理,强调了熵在决定过程方向性上的核心作用。 第四章:热力学第三定律与绝对零度 阐述了热力学第三定律的两种主要表述:Nernst热定理和基于绝对零度不可达性的表述。讨论了第三定律在确定热力学量绝对值上的重要性。本章通过对低技术应用(如制冷)的简要讨论,说明了接近绝对零度所面临的物理和工程挑战。 第五章:热力学关系式与势函数 本章侧重于利用偏微分关系和热力学四大势函数(内能 $U$、焓 $H$、亥姆霍兹自由能 $F$ 和吉布斯自由能 $G$)来建立宏观可测量的量之间的联系。详细推导了麦克斯韦关系式,并展示了如何利用这些关系式从简单的实验数据(如比热容、热膨胀系数)计算出复杂的、难以直接测量的量。我们还深入分析了相变的热力学处理,包括克拉佩龙方程的应用。 --- 第二部分:统计力学的微观基础 第二部分将视角从宏观的、唯象的热力学转向微观的、基于统计概率的描述,解释了宏观定律的统计起源。 第六章:概率、统计与系综概念 在正式进入统计物理之前,本章回顾了必要的概率论基础,引入了统计集合(Ensemble)的概念。详细区分了微观、宏观和介观系统。核心是定义相空间,并介绍相体积的概念。我们着重讨论了等概率原理(Postulate of Equal a priori Probabilities)及其在孤立系统中的适用性,为后续的统计推导奠定了基石。 第七章:正则系综与配分函数 针对与恒温热浴相连的系统,本章引入了正则系综(Canonical Ensemble)。核心工具是配分函数(Partition Function, Z)。我们详细推导了配分函数如何作为连接微观态与宏观热力学量的桥梁,展示了如何从 $Z$ 导出内能、压力、熵和自由能 $F$。本章通过简单的例子(如理想气体、二维硬球模型)来展示配分函数的实际计算。 第八章:巨正则系综与化学势 处理开放系统,即可以与恒温恒容的粒子浴交换能量和粒子的系统。本章引入了巨正则系综(Grand Canonical Ensemble)。核心概念是化学势 ($mu$),它被解释为系统增加一个粒子时自由能的变化率。我们推导了巨正则配分函数,并展示了它在处理气体吸附或化学反应平衡时的优越性。 第九章:玻尔兹曼分布与经典统计 本章深入分析了在正则系综下,粒子占据不同能级的概率分布——玻尔兹曼分布。通过对分子运动论的复习,我们重新推导了理想气体的状态方程,并计算了其热力学量,从而在统计层面上验证了经典热力学的结论。 第十章:量子统计:费米-狄拉克与玻色-爱因斯坦分布 统计物理学的真正威力体现在处理量子系统上。本章转向量子统计,区分了费米子和玻色子。 费米-狄拉克统计(Fermi-Dirac Statistics): 详细讨论了泡利不相容原理对系统的影响。核心概念是费米能级 ($E_F$)。我们分析了低温下电子在金属中的行为(如电子比热容),以及高温下的回归。 玻色-爱因斯坦统计(Bose-Einstein Statistics): 讨论了无自旋粒子。本章的重点是玻色-爱因斯坦凝聚 (BEC) 现象的理论描述,包括临界温度的计算以及凝聚态的性质。 --- 第三部分:应用与扩展 本部分将统计物理学的工具应用于特定的物理系统和前沿领域。 第十一章:理想气体与扩散动力学(非平衡初步) 尽管理想气体是统计物理学的入门案例,本章侧重于其扩散、输运性质的统计描述。引入了平均自由程、弛豫时间等概念,并初步探讨了扩散方程(Fick's Laws)的统计起源。 第十二章:晶体振动与固体比热 利用量子统计描述固体中的集体激发——声子(Phonons)。本章详细推导并分析了德拜模型 (Debye Model),成功解释了低温下固体比热容与 $T^3$ 依赖关系的物理机制,并讨论了高斯振子链的能量均分定理的量子修正。 第十三章:磁性系统:伊辛模型与平均场理论 本章将统计物理应用于磁性现象。我们引入了伊辛模型 (Ising Model) 作为研究相变的最小模型。通过平均场理论 (Mean-Field Theory) 的方法,我们计算了铁磁体在不同温度下的自发磁化强度,并讨论了临界指数的概念。 第十四章:黑体辐射与光子统计 将玻色-爱因斯坦统计应用于光子(零化学势的玻色子)系统。详细推导了普朗克黑体辐射定律,并计算了辐射压力和总辐射能量,解释了经典理论(瑞利-金斯定律)的紫外灾难。 --- 总结与特色: 本书的特点在于其清晰的结构——从宏观到微观的递进,以及在每一个关键步骤中对物理图像的强调。我们避免了纯粹的数学堆砌,确保读者能够理解配分函数和系综背后的物理含义。大量的插图和详细的例题贯穿始终,旨在帮助读者掌握从熵到量子凝聚的完整知识体系。

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读后感

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用户评价

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坦白说,当我翻开这本书时,我并没有预料到它会给我带来如此大的启发。作者以一种非常新颖且富有吸引力的方式,将统计力学这门学科展现出来。我特别欣赏他对于“概率”和“统计”在物理学中的核心地位的强调,这不仅仅是数学工具,更是理解微观世界运作规律的根本。书中对“熵”的讲解,让我摆脱了过去对其“混乱度”的片面理解,而是认识到它与信息、与自由度、与系统演化的深刻联系。我对于书中对“统计系综”的阐述印象深刻,作者通过细致的对比和分析,让我能够清晰地理解不同系综的物理意义和适用范围,这对于我在实际研究中选择合适的模型至关重要。尤其令人赞叹的是,书中对“量子统计”的讲解,不仅仅停留在概念层面,而是深入探讨了其在不同量子物态中的表现,例如超导性、超流性等,这极大地拓展了我对量子世界的认知。这本书不仅仅是一本教材,更是一次思维的洗礼,它让我以一种全新的视角去审视物理世界,去发现隐藏在现象背后的深刻规律。

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作为一名理论物理的研究生,我一直在寻找一本能够系统地梳理统计力学核心概念,并且能够为我提供深入研究的理论基础的书籍。这本书无疑是我的首选。作者在讲解每一个核心概念时,都力求做到严谨而又清晰,从微观粒子的统计行为如何涌现出宏观的热力学定律,到不同统计系综的构建和应用,再到量子统计力学的基本原理,都进行了详尽的阐述。我特别欣赏书中对于“熵”的理解,它不仅仅是关于微观状态的数量,更是关于信息、关于系统的自由度、以及关于不可逆过程的关键。我对书中关于“相空间”的描述印象深刻,它不仅仅是一个数学空间,更是理解系统演化的一个强大可视化工具。作者在介绍量子统计力学时,也做得非常出色,他深入探讨了费米子和玻色子为何遵循不同的统计规律,以及这些规律如何导致了诸如电子的简并、超流性等量子现象。这本书为我提供了一个坚实的理论框架,为我未来的研究奠定了坚实的基础。

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自从我开始深入学习统计力学以来,我读过不少相关的书籍,但这本书无疑是我读过的最令人印象深刻的一本。作者以一种极为精妙的方式,将统计力学的理论构建得既严谨又富有洞察力。我特别欣赏他对于“微观动力学”与“宏观统计”之间联系的阐述,这不仅仅是数学上的推导,更是对物理世界本质的一种深刻理解。书中对“玻尔兹曼分布”的讲解,让我摆脱了仅仅记忆公式的状态,而是理解了它背后所蕴含的概率分布的物理意义,以及它如何描述了系统处于不同能量状态下的概率。我对于书中对“统计系综”的介绍也感到非常受益,作者通过详细的分析,让我能够清晰地区分正则系综、巨正则系综等,并理解它们在描述不同物理系统时的优势。尤其令我惊叹的是,书中对“量子统计”的讲解,它不仅仅是介绍了费米-狄拉克和玻色-爱因斯坦统计,更是深入探讨了它们在描述量子物质性质时的重要作用,例如金属的电子热容、玻色-爱因斯坦凝聚等。这本书为我提供了一个全新的视角来理解物理世界,它不仅仅是一本教材,更是一次思维的升华。

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阅读这本书的过程,对我来说就像是一次令人振奋的学术探险。作者在构建整个统计力学理论体系时,展现出了非凡的组织能力和深刻的理解。他并没有急于抛出大量的公式,而是先从物理思想的源头讲起,例如微观可逆性与宏观不可逆性之间的桥梁,以及“相空间”这个抽象概念是如何帮助我们理解系统状态的。我特别喜欢书中对“量子统计”的讲解,它不仅仅是引入了费米子和玻子的概念,而是深入探讨了它们为何遵循特定的统计规律,以及这些规律如何导致了许多反常的物理现象,比如液氦的超流性和金属的导电性。作者在讲解过程中,总是能够巧妙地引用历史上的重要实验和理论发现,这让读者在学习理论的同时,也能感受到科学发展的脉络。而且,书中对于非平衡态统计力学的探讨,虽然内容相对前沿,但作者的讲解清晰易懂,为我打开了研究复杂系统的新思路。我尤其赞赏作者在书中对“涨落”现象的强调,它让人们认识到,宏观世界的稳定并非绝对,微观世界的随机性时刻都在发生作用,这对于理解许多统计现象具有至关重要的意义。这本书的深度和广度都令人印象深刻,它为我提供了一个全面而系统的统计力学知识框架。

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这本书真的让我对统计力学这个领域产生了前所未有的深刻理解。作为一名初学者,我曾经被这个学科的抽象概念和数学推导弄得晕头转向,总觉得它离现实世界很遥远。然而,作者以一种极其清晰和循序渐进的方式,将那些看似复杂的理论一步步拆解开来,并且巧妙地融入了许多引人入胜的物理实例。从宏观的热力学定律如何自然地涌现于微观粒子行为的集体统计之中,到玻尔兹曼分布、正则系综、巨正则系综等核心概念的引入,每一个章节都像是在为我铺设一条通往理解的道路。我尤其欣赏书中对“熵”这个概念的阐述,它不再仅仅是课堂上死记硬背的公式,而是被赋予了更深层的意义,与信息论、宇宙的演化紧密相连。作者并没有回避数学的严谨性,但他的数学工具的引入总是服务于物理直觉的培养,让你在计算的同时,也能感受到背后的物理逻辑。而且,书中的习题设计也非常有价值,它们往往不是简单的计算题,而是引导你去思考,去发现不同概念之间的联系,去尝试将理论应用于新的情境。读完这本书,我感觉自己仿佛打开了一扇新的大门,能够以一种全新的视角去审视周围的世界,从一杯水的温度变化,到恒星的形成和演化,似乎都可以在统计力学的框架下得到解释。这本书的价值远不止于它传授的知识本身,更在于它激发了我对物理学更深层次的探索欲望,让我认识到理论之美与实践之妙的完美结合。

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这本书对我来说,是一次关于统计力学的彻底“启蒙”。在阅读之前,我总觉得统计力学是一门晦涩难懂的学科,充斥着复杂的数学公式和抽象的概念。然而,作者用一种极其平易近人的方式,将这些概念一一剖析开来,并且通过大量生动的例子,将它们与现实世界的现象紧密相连。我尤其喜欢书中对“概率分布”的讲解,它不仅仅是数学公式,更是描述微观粒子集体行为的有力工具,通过理解这些分布,我能够更好地理解宏观热力学定律是如何涌现出来的。书中对于“统计系综”的介绍,让我对描述系统的不同方式有了清晰的认识,无论是正则系综还是巨正则系综,作者都详细地解释了它们的物理意义和适用场景。我尤其赞赏书中对“量子统计”的讲解,它让我深刻理解了不同粒子为何遵循不同的统计规律,以及这些规律如何导致了量子世界的奇妙现象。这本书不仅传授了知识,更重要的是培养了我对统计力学的兴趣和信心,让我觉得这门学科并不遥远,而是充满了智慧的光芒。

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作为一名在理论物理领域工作多年的研究人员,我一直都在寻找一本能够兼顾理论深度和实践应用,并且能够激发我新的研究灵感的统计力学书籍。这本书无疑达到了我的预期,甚至超出了我的想象。作者在梳理经典统计力学理论的同时,也积极地引入了现代物理学中的重要进展,例如与信息论、复杂系统、甚至宇宙学相关的联系。我非常欣赏书中对于“相空间”的描绘,它不仅仅是一个数学概念,更是物理学家理解系统演化的一个强有力的工具,作者通过形象的比喻和生动的例子,将这个抽象的概念变得直观易懂。我对书中关于“相变”的讲解尤为着迷,它不仅涵盖了热力学相变,也深入探讨了其在统计物理中的普遍性,以及如何利用临界现象和标度律来描述各种复杂系统。作者在引入计算方法时,也表现出了高度的实用性,比如对蒙特卡洛模拟方法的介绍,以及如何将其应用于解决实际问题,这对于我进行数值计算和理论分析非常有帮助。总而言之,这本书以其独特的视角和深刻的洞察力,将统计力学这门学科展现得淋漓尽致,它不仅仅是一本教科书,更是一部启发思考、指引方向的学术指南,为我的研究工作提供了源源不断的灵感。

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这本书带给我的惊喜远不止于我所期望的那样。在深入研读之后,我发现它不仅仅是一本关于统计力学的教科书,更是一本关于如何思考物理世界,如何构建理论模型的“方法论”指南。作者在讲解每一个概念时,都非常注重其物理意义的阐释,而不是简单地罗列公式。我特别欣赏书中对“玻尔兹曼熵”的讲解,它不仅仅是简单的概率统计,更是与信息、与系统的自由度、与宏观不可逆性紧密相连,这种深度的挖掘让我对熵有了全新的认识。书中对于“统计系综”的介绍也非常清晰,作者通过对比不同的系综,让我深刻理解了它们各自的适用条件和物理含义,这对于准确地描述物理系统至关重要。我尤其喜欢书中对“量子统计”的讲解,它不仅仅是介绍了费米-狄拉克和玻色-爱因斯坦统计,还深入探讨了它们如何导致了诸如金属的电子比热、玻色-爱因斯坦凝聚等一系列有趣的现象,这让我对微观世界的奇妙充满了敬畏。这本书的严谨性和启发性并存,它不仅教会了我统计力学的知识,更教会了我如何去思考,如何去探索物理学的奥秘。

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我必须承认,当我第一次拿到这本书时,我对其期望值并没有那么高,因为我之前读过不少关于统计力学的书籍,总觉得它们要么过于理论化,要么过于浅显,很难找到一个恰到好处的平衡点。然而,这本书彻底颠覆了我的看法。它以一种非常“实在”的方式,将统计力学的各个分支有机地联系起来,并且展示了它们在现实世界中的广泛应用。我惊叹于作者如何将抽象的统计物理概念与日常生活中的现象联系起来,比如从气体分子的运动解释压强,从热力学第二定律解释能量的耗散,这些生动的例子让枯燥的理论变得栩栩如生。而且,书中对于不同统计系综的比较和阐述,非常有条理,让我能够清晰地理解它们之间的区别和联系,以及在什么情况下应该使用哪种系综。我尤其欣赏作者对量子统计力学的处理,他并没有停留在简单的介绍层面,而是深入探讨了其在固态物理、原子物理等领域的应用,这让我对量子世界有了更深刻的认识。书中提供的参考文献和进一步阅读的建议,也为我提供了探索更广阔领域的途径。总而言之,这本书是一部非常全面且实用的统计力学著作,它不仅适合初学者入门,也能够满足有一定基础的读者的深入研究需求,是一部不可多得的经典之作。

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作为一名在研究生阶段深入研究凝聚态物理的学者,我对于能够提供严谨而又富有洞察力的统计力学教材有着极高的要求。这本书无疑是近年来我所接触到的最出色的一部。它在继承经典统计力学理论的基础上,又加入了许多最新的研究进展和前沿课题,这对于正在进行研究的我来说,无疑是一笔宝贵的财富。作者在阐述平衡态统计力学原理的同时,也对非平衡态统计力学的发展方向进行了深入的探讨,这对于理解诸如相变动力学、输运现象等复杂问题至关重要。书中对于量子统计力学的处理也十分到位,从费米-狄拉克统计到玻色-爱因斯坦统计,再到它们在超导体、超流体等量子物态中的具体应用,都进行了详尽的讲解。我特别赞赏作者在处理复杂系统时所展现出的系统性思维,他不仅仅是罗列公式,而是强调如何构建模型、如何进行近似、以及不同模型之间的适用范围。书中对于蒙特卡洛方法、重正化群等计算方法的介绍,也为我进行数值模拟和理论分析提供了重要的参考。尽管这本书的篇幅不小,内容也相当密集,但作者的逻辑结构清晰,语言表述精炼,使得即使是阅读那些极其深入的章节,也不会感到迷失。总而言之,这本书不仅仅是一本教材,更是一部凝聚了作者深厚学术功底和独到见解的著作,它为我提供了深入理解统计力学本质的钥匙,也为我未来的研究指明了方向。

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