Concepts in Thermal Physics（热物理概念）

引用

Blundell, S. J., & Blundell, K. M. (2010). Concepts in Thermal Physics (2nd ed.). Oxford University Press.

章节概要

全书由37个短章组成，分为九个部分，之后是附录（常数、常用公式与数学、电磁波谱、热力学定义与展开公式、约化质量、符号表）和参考文献。第一版的书评者指出，每一章只讲一个概念，且每章都以习题结尾。

第一部分，第1–4章：引言；热；概率；温度与玻尔兹曼因子

开篇部分交代背景，并提供后面所需的概率知识。概率一章排在介绍玻尔兹曼因子的温度一章之前，因此在热力学开始之前，统计观念已经就位。

第二部分，第5–8章：麦克斯韦–玻尔兹曼分布；压强；分子泻流；平均自由程与碰撞

气体动理论，第一个研究的物理系统是气体。据第一版的书评，作者把这一部分表述为可选的、可以推后的内容。

第三部分，第9–10章：气体的输运性质；热扩散方程

气体中的输运现象，以及热的扩散方程。

第四、五部分，第11–15章：能量；等温与绝热过程；热机与热力学第二定律；熵；信息论

热力学第一定律与第二定律。第二定律这一部分以信息论一章作结，与熵并列讨论。

第六部分，第16–18章：热力学势；杆、气泡与磁体；热力学第三定律

“实际应用中的热力学”：先讲热力学势，再讲气体以外的系统（杆、气泡、磁体），最后是第三定律。

第七部分，第19–24章：能量均分；配分函数；理想气体的统计力学；化学势；光子；声子

统计力学本身在热力学诸定律之后从这里开始。配分函数之后依次是理想气体、化学势，以及作为量子气体的光子和声子。

第八部分，第25–30章：相对论性气体；实际气体；实际气体的冷却；相变；玻色–爱因斯坦分布与费米–狄拉克分布；量子气体与凝聚

超越经典理想气体：相对论性气体与实际气体、它们的冷却、相变，以及两种量子分布及其在量子气体和凝聚中的应用。

第九部分，第31–37章：声波；激波；布朗运动与涨落；非平衡态热力学；恒星；致密天体；地球大气

专题部分。出版社强调了对恒星天体物理、凝聚态物理、信息和气候的应用；最后三章把这些思想带到恒星、致密天体和大气中。

核心概念

第一至三部分：第1–10章

• 玻尔兹曼因子：把温度与能量在各状态间的分布联系起来的概率权重。
• 麦克斯韦–玻尔兹曼分布：气体中分子速率的分布。
• 平均自由程：分子两次碰撞之间行进的典型距离，用于讨论输运性质。
• 热扩散方程：描述热量如何在材料中扩散的方程。

第四至六部分：第11–18章

• 第一与第二定律：包含热和功的能量守恒，以及热机的限度。
• 熵：第二定律的状态函数，与信息论并列讨论。
• 热力学势：用于处理恒温、恒压或恒定外场下系统的函数。
• 第三定律：温度趋近于零时熵的行为。

第七至九部分：第19–37章

• 配分函数：统计力学的核心量，热力学性质可由它导出。
• 化学势：支配系统之间粒子交换的量。
• 玻色–爱因斯坦分布与费米–狄拉克分布：全同粒子的量子统计。
• 相变：物态的变化，在第28章讨论。

评析

优点

• 先热力学，后统计力学。 目录把热力学诸定律（第四至六部分）放在配分函数（第20章）之前。Narayan 在 Physics Today（2007年10月）评论第一版时认为这是个好的选择，因为热力学无需统计分析即可用于复杂系统，其普遍性不应被忽略。
• 短小、一章一概念。 书评强调这37章都很短，讲解总体上非常清楚。章节短小也便于只布置其中的部分内容。
• 先讲气体，图中有真实数据。 书评者喜欢第一个研究的物理系统是气体而不是自旋链，也喜欢若干图中使用了真实的实验数据。
• 例题、历史与应用。 出版社介绍了丰富的例题、主要发现的历史背景、每章末的习题，以及从恒星到气候的应用。第二版增加了渗透、扩散问题、贝叶斯定理、辐射传输、伊辛模型和蒙特卡罗方法，并更新了例题和习题。

局限

• 有些话题讲得偏薄。 第一版的书评认为，磁性系统以及分子自由度“冻结”的讲解过短，怀疑信息论一章对尚不了解相关内容的读者没有帮助，并称把热描述为“传递中的能量”容易误导。第二版是否修改了这些段落，出版社并未说明。
• 相变。 同一位书评者称相变一章已经过时，希望加入如伊辛模型和蒙特卡罗模拟之类的数值例子。第二版两者都增加了，但仅凭目录无法确认它们在多大程度上回应了这一批评；教师可能仍需补充材料。
• 气体动理论中的理想气体假设。 书评者没有找到对理想气体近似在前面的气体动理论各章中从何处引入的明确说明。
• 习题范围与篇幅。 书评者认为习题选得好，但希望更多，尤其是把概念应用到其他学科的习题。他还预期专题各章在一学期的课程中会被略去。

在课程中的定位

Blundell 与 Blundell 是覆盖整个领域的本科综合教材，特色在于编排顺序：先是概率、气体动理论和热力学定律，配分函数在后。Schroeder 的 An Introduction to Thermal Physics 则相反，从一开始就通过微观状态的计数来定义温度和熵，因此，偏好先学热力学还是先学统计的读者可以各取所需。Baierlein 的 Thermal Physics 在其页面上被描述为通过微观状态和概率来展开热力学与统计力学。

若想要更平缓的起点，Rex 修订的 Finn's Thermal Physics 是经典热力学的简明入门，后面加入了统计力学；Lemons 的 A Student's Guide to Entropy 是一本围绕“熵”这一联系热力学、统计力学和信息论的概念的简短指南。Pathria 与 Beale 的 Statistical Mechanics 从系综理论讲起，是 Blundell 第七、八部分之后的研究生层次的下一步。

如何使用本书

本书适合物理专业二、三年级的学生，以及化学或工程专业中基础扎实的学生。具备微积分（含偏导数）和入门力学即可；在引入温度之前，有专门的概率一章（第3章）。

对一学期的课程，可行的核心是第1–4章，然后是讲定律与热力学势的第11–14章和第16章，讲配分函数、理想气体和化学势的第19–22章，以及讲量子分布的第29–30章。据第一版的书评，第二部分除前两章（麦克斯韦–玻尔兹曼分布与压强）外，可以推后或略去。第15、17章、第25–27章和第九部分是自然的选读延伸：信息论、磁体与气泡、相对论性气体与实际气体，以及对恒星和大气的应用。

把每章末的习题当作检验理解的主要方式去做。觉得第28章的相变讲得简略的读者，可以配合另一份对伊辛模型的讲解来读；想从统计入手的读者，可以在读第3–4章和第19–20章的同时，读 Schroeder 的开头几章。