热力学统计物理期末复习试题

1一.填空题1.设一多元复相系有个相，每相有个k组元，组元之间不起化学反应。此系统平衡时必同时满足条件：TTT、PPP、(,)iii1,2ik2.热力学第三定律的两种表述分别叫做：能特斯定律和绝对零度不能达到定律。3.假定一系统仅由两个全同玻色粒子组成，粒子可能的量子态有4种。则系统可能的微观态数为：10。4.均匀系的平衡条件是0TT且0PP；平衡稳定性条件是0VC且0TPV。5玻色分布表为1ae；费米分布表为1ae；玻耳兹曼分布表为ae。当满足条件e1时，玻色分布和费米分布均过渡到玻耳兹曼分布。6热力学系统的四个状态量VPTS、、、所满足的麦克斯韦关系为TVSPVT,PSVTSP,TPSVPT,VSPTSV。7.玻耳兹曼系统粒子配分函数用1Z表示，内能统计表达式为1lnZUN广义力统计表达式为1lnZNYy，熵的统计表达式为11ln(ln)ZSNkZ，自由能的统计表达式为1lnFNkTZ。8.单元开系的内能、自由能、焓和吉布斯函数所满足的全微分是：，，，。9.均匀开系的克劳修斯方程组包含如下四个微分方程：dUTdSpdVdn，dHTdSVdpdn，dGSdTVdpdn，dFSdTpdVdn10.等温等容条件下系统中发生的自发过程，总是朝着自由能减小方向进行，当自由能减小到极小值时，系统达到平衡态；处在等温等压条件下的系统中发生的自发过程，总是朝着吉布斯函数减小的方向进行，当吉布斯函数减小到极小值时，系统达到平衡态。11.对于含N个分子的双原子分子理想气体，在一般温度下，原子内部电子的运动对热容量无贡献；温度大大于振动特征温度时，72VCNk；温度小小于转动特征温度时，32VCNk。温度大大于转动特征温度而小小于动特征温度时，52VCNk。12.玻耳兹曼系统的特点是：系统由全同可分辨粒子组成；粒子运动状态用量子态来描写；确定每个粒子的量子态即可确定系统的微观态；粒子所处的状态不受泡利不相容原子的约束。213准静态过程是指过程进行中的每一个中间态均可视为平衡态的过程；无摩擦准静态过程的特点是外界对系综的作用力，可用系统的状态参量表示出来。14.绝热过程是指，系统状态的改变，完全是机械或电磁作用的结果，而没有受到其他任何影响的过程。在绝热过程中，外界对系统所做的功与具体的过程无关，仅由初终两态决定。二．简述题1.写出系统处在平衡态的自由能判据。一个处在温度和体积不变条件下的系统，处在稳定平衡态的充要条件是，对于各种可能的有限虚变动，所引起的自由能的改变均大于零。即0F。2.写出系统处在平衡态的吉布斯函数判据。一个处在温度和压强不变条件下的系统，处在稳定平衡态的充要条件是，对于各种可能的有限虚变动，所引起的吉布斯函数的改变均大于零。即0G。3.写出系统处在平衡态的熵判据。一个处在内能和体积不变条件下的系统，处在稳定平衡态的充要条件是，对于各种可能的有限虚变动，所引起的熵变均小于零。即0S4.玻尔兹曼关系与熵的统计解释。由波耳兹曼关系lnSk可知，系统熵的大小反映出系统在该宏观状态下所具有的可能的微观状态的多少。而可能的微观状态的多少，反映出在该宏观平衡态下系统的混乱度的大小。故，熵是系统内部混乱度的量度。5.为什么在常温或低温下原子内部的电子对热容量没有贡献？不考虑能级的精细结构时，原子内的电子激发态与基态的能量差为1~10eV，相应的特征温度为45K10~10。在常温或低温下，电子通过热运动获得如此大的能量而跃迁到激发态的概率几乎为零，平均而言电子被冻结基态，因此对热容量没有贡献。6.为什么在常温或低温下双原子分子的振动对热容量贡献可以忽略？因为双原子分子的振动特征温度3Kθ~10v，在常温或低温下kTkθv，振子通过热运动获得能量kθv从而跃迁到激发态的概率极小，因此对热容量的贡献可以忽略。7.能量均分定理。对于处在平衡态的经典系统，当系统的温度为T时，粒子能量的表达式中的每一个独立平方项的平均值为1kT2。8等概率原理。对于处在平衡态的孤立系统，系统的各种可能的微观状态出现的概率是相等的。9．系统的基本热力学函数有哪些？什么叫特性函数？什么叫自然参量。基本热力学函数有：物态方程，内能，熵。特性函数：适当选择独立变量，只要知道一个热力学函数就可以求偏导数而求得均匀系统的全部热力学函数，从而把均匀系统的平衡性质确定，这个热力学函数称为特性函数。11试说明，在应用经典理论的能量均分定理求理想气体的热容量时，出现哪些与实验不符的结论或无法解释的问题（至少例举三项）？312.最大功原理①系统在等温等容过程中对外所做的功不大于其自由能的减小（-w≤Fa-Fb）②在等温等压条件下，能够从系统获得的最大体变功等于系统吉布斯函数的减小。13.写出能斯特定理的内容凝聚态的熵在等温过程中的改变随绝对温度趋于零14．什么是近独立粒子系统粒子之间的相互作用力很弱，相互作用的平均能量远小于单个粒子的平均能量，因而可以忽略粒子之间的相互作用15．单元复相系达到平衡时所满足的相变平衡条件是什么？如果该平衡条件未能满足，变化将朝着怎样的方向进行？相变平衡条件：变化方向：（P82）16．写出吉布斯相律的表达式，并说明各物理量的含义。F=k+2-F:多元复相系的自由度，是多元复相系可以独立改变的强度量变量的数目。k：系统的组元数：系统的相数17.写玻耳兹曼系统、玻色系统、费米系统的微观态数统计表达式，并说明它们之间的联系。与分布{}al相应的，玻色系统微观状态数为1!!1!.BEaa；费米系统的微观状态数!!!.BEaa；玻耳兹曼系统微观状态数为!!.BEaNa。当满足条件经典近似条件时，三种微观状态数之间的关系为1!...BEFDMEN。18.为什么说，对于一个处在平衡态的孤立系统，可以将粒子的最概然分布视为粒子的平衡态分布？19．试说明，在应用经典理论的能量均分定理求固体热容量时，出现哪些与实验不符的结论或无法解释的问题？①．在低温范围内，实验发现固体的热容量随温度降低地很快，当温度趋近绝对零度时，热容量也趋于零②.对于金属的自由电子，如果将能量的均分定理应用于电子，自由电子的热容量与离子振动的热容量将有相同的数量级，实验结果是3k以上的自由电子的热容量与离子振动的热容量相比可以忽略不计。三.选择题1.系统自某一状态A开始，分别经两个不同的过程到达终态B。下面说法正确的是B（A）在两个过程中吸收的热量相同时，内能的改变就一定相同4（B）只有在两个过程中吸热相同且做功也相同时，内能的改变才会相同（C）经历的过程不同，内能的改变不可能相同（D）上面三种说法都是错误的2.下列各式中不正确的是A（A）,TPHn（B）,TVFn（C）,SVUn（D）,TPGn3.吉布斯函数作为特性函数应选取的独立态参量是B（A）温度和体积（B）温度和压强（C）熵和体积（D）熵和压强（D）孤立的系统4.费米统计的巨配分函数用表示，则熵的统计表达式是C（A）lnlnlnSN（B）lnlnlnSN（C）lnlnlnSk（D）lnlnlnSk5.自由能作为特性函数应选取的独立态参量是A（A）温度和体积B）温度和压强（C）熵和体积（D）熵和压强6.由热力学基本方程dGSdTVdp可得麦克斯韦关系D（A）VTpSTV（B）pSTVpS（C）SVTpVS（D）pTVSTp7.将平衡辐射场视为处在平衡态的光子气体系统，下面说法不正确的是（A）这是一个玻色系统（B）这是一个能量和粒子数守恒的系统（C）系统中光子的分布遵从玻色分布（D）这是一个非定域系统8.封闭系统指C（A）与外界无物质和能量交换的系统（B）能量守衡的系统（C）与外界无物质交换但可能有能量交换的系统9.下列系统中适合用玻尔兹曼分布规律处理的系统有B（A）经典系统5（B）满足非简并条件的玻色系统和费米系统（C）满足弱简并性条件的玻色系统和费米系统（D）非定域体系统10.v和r分别是双原子分子的振动特征温度和转动特征温度，下面说法正确的是（A）vT时，振动自由度完全“解冻”，但转动自由度仍被“冻结”。（B）rT时，转动自由度完全“解冻”，但振动自由度仍被“冻结”（C）vT时，振动自由度和转动自由度均完全“解冻”。（D）rT时，振动自由度和转动自由度均完全“解冻”。11.气体的非简并条件是D（A）分子平均动能远远大于kT（B）分子平均距离极大于它的尺度（C）分子数密度远远小于1（D）分子平均距离远大于分子德布罗意波的平均热波长12.不考虑粒子自旋，在边长L的正方形区域内运动的二维自由粒子，其中动量的大小处在~ppdp范围的粒子可能的量子态数为B（A）224Lpdph（B）222Lpdph（C）222Ldph（D）222Lpdph五.推导与证明1.试用麦克斯韦关系，导出方程VVpTdSCdTTdVT，假定VC可视为常量，由此导出理想气体的绝热过程方程1TVC（常量）。解：∵VTSSdSdTdVTV，∴VVTTSSSTdSTdTTdVCdTTdVTVV由麦氏关系TVSpVT，VVpTdSCdTTdVT绝热过程0dS，理想气体nRpTV，VpnRTV0VdTdVCnRTV积分得lnlnVCTnRVC'（常量）∵/pVCC，(1)pVVnRCCC故：1lnTVC'，即：1TVC（常量）62.证明:,,TPTnVPn证明：选T,V为独立变量，则dGSdTVdpdn,,,,,TpTnTnTpGGnpnp而,TnGVp，故,,TpTnVpn3.证明焓态方程：pTHVVTpT。证：选T、p作为状态参量时，有pTHHdHdTdpTp（1）pTSSdSdTdpTp（2）而，dHTdSVdp（3）（2）代入（3）得：pTSSdHTdTVTdpTp（4）比较（1）、（4）得：ppHSTTT（5）TTHSVTVp（6）将麦氏关系pTSVpT代入（6），即得TpHVVTVT4.导出含有N个原子的爱因斯坦固体的内能和热容量表达式：3321NUNe，2/2/31EETEVTeCNkTe解：按爱因斯坦假设，将N个原子的运动视为3N个线性谐振子的振动，且所有谐振子的振动频率相同。谐振子的能级为：(1/2)(0,1,2)nn7则，振子的配分函数为：/2(1/2)/2100()1nnnneZeeee∵11lnln(1)2Ze∴1ln