01 / 導讀
導讀
引用
Blundell, S. J., & Blundell, K. M. (2010). Concepts in Thermal Physics (2nd ed.). Oxford University Press.
章節概要
全書由37個短章組成，分為九個部分，之後是附錄（常數、常用公式與數學、電磁波譜、熱力學定義與展開公式、約化質量、符號表）和參考文獻。第一版的書評者指出，每一章只談一個概念，且每章都以習題結尾。
第一部分，第1–4章：引言；熱；機率；溫度與波茲曼因子
開篇部分交代背景，並提供後面所需的機率知識。機率一章排在介紹波茲曼因子的溫度一章之前，因此在熱力學開始之前，統計觀念已經就位。
第二部分，第5–8章：馬克士威–波茲曼分布；壓力；分子洩流；平均自由徑與碰撞
氣體動力論，第一個研究的物理系統是氣體。根據第一版的書評，作者把這一部分表述為可選的、可以延後的內容。
第三部分，第9–10章：氣體的輸運性質；熱擴散方程
氣體中的輸運現象，以及熱的擴散方程。
第四、五部分，第11–15章：能量；等溫與絕熱過程；熱機與熱力學第二定律；熵；資訊理論
熱力學第一定律與第二定律。第二定律這一部分以資訊理論一章作結，與熵並列討論。
第六部分，第16–18章：熱力學勢；桿、氣泡與磁體；熱力學第三定律
「實際應用中的熱力學」：先談熱力學勢，再談氣體以外的系統（桿、氣泡、磁體），最後是第三定律。
第七部分，第19–24章：能量均分；配分函數；理想氣體的統計力學；化學勢；光子；聲子
統計力學本身在熱力學諸定律之後從這裡開始。配分函數之後依序是理想氣體、化學勢，以及作為量子氣體的光子和聲子。
第八部分，第25–30章：相對論性氣體；真實氣體；真實氣體的冷卻；相變；玻色–愛因斯坦分布與費米–狄拉克分布；量子氣體與凝聚
超越古典理想氣體：相對論性氣體與真實氣體、它們的冷卻、相變，以及兩種量子分布及其在量子氣體和凝聚中的應用。
第九部分，第31–37章：聲波；震波；布朗運動與漲落；非平衡態熱力學；恆星；緻密天體；地球大氣
專題部分。出版社強調了對恆星天文物理、凝態物理、資訊和氣候的應用；最後三章把這些想法帶到恆星、緻密天體和大氣中。
核心概念
第一至三部分：第1–10章
- 波茲曼因子：把溫度與能量在各狀態間的分布聯繫起來的機率權重。
- 馬克士威–波茲曼分布：氣體中分子速率的分布。
- 平均自由徑：分子兩次碰撞之間行進的典型距離，用於討論輸運性質。
- 熱擴散方程：描述熱量如何在材料中擴散的方程。
第四至六部分：第11–18章
- 第一與第二定律：包含熱和功的能量守恆，以及熱機的限度。
- 熵：第二定律的狀態函數，與資訊理論並列討論。
- 熱力學勢：用於處理恆溫、恆壓或恆定外場下系統的函數。
- 第三定律：溫度趨近於零時熵的行為。
第七至九部分：第19–37章
- 配分函數：統計力學的核心量，熱力學性質可由它導出。
- 化學勢：支配系統之間粒子交換的量。
- 玻色–愛因斯坦分布與費米–狄拉克分布：全同粒子的量子統計。
- 相變：物態的變化，在第28章討論。
評析
優點
- 先熱力學，後統計力學。 目錄把熱力學諸定律（第四至六部分）放在配分函數（第20章）之前。Narayan 在 Physics Today（2007年10月）評論第一版時認為這是個好的選擇，因為熱力學無須統計分析即可用於複雜系統，其普遍性不應被忽略。
- 短小、一章一概念。 書評強調這37章都很短，講解整體上非常清楚。章節短小也便於只指定其中的部分內容。
- 先談氣體，圖中有真實數據。 書評者喜歡第一個研究的物理系統是氣體而不是自旋鏈，也喜歡若干圖中使用了真實的實驗數據。
- 例題、歷史與應用。 出版社介紹了豐富的例題、主要發現的歷史背景、每章末的習題，以及從恆星到氣候的應用。第二版增加了滲透、擴散問題、貝氏定理、輻射傳輸、易辛模型和蒙地卡羅方法，並更新了例題和習題。
局限
- 有些主題講得偏薄。 第一版的書評認為，磁性系統以及分子自由度「凍結」的講解過短，懷疑資訊理論一章對尚不了解相關內容的讀者沒有幫助，並稱把熱描述為「傳遞中的能量」容易誤導。第二版是否修改了這些段落，出版社並未說明。
- 相變。 同一位書評者稱相變一章已經過時，希望加入如易辛模型和蒙地卡羅模擬之類的數值例子。第二版兩者都增加了，但僅憑目錄無法確認它們在多大程度上回應了這一批評；教師可能仍需補充教材。
- 氣體動力論中的理想氣體假設。 書評者沒有找到對理想氣體近似在前面的氣體動力論各章中從何處引入的明確說明。
- 習題範圍與篇幅。 書評者認為習題選得好，但希望更多，尤其是把概念應用到其他學科的習題。他還預期專題各章在一學期的課程中會被略去。
在課程中的定位
Blundell 與 Blundell 是涵蓋整個領域的大學部綜合教材，特色在於編排順序：先是機率、氣體動力論和熱力學定律，配分函數在後。Schroeder 的 An Introduction to Thermal Physics 則相反，從一開始就透過微觀狀態的計數來定義溫度和熵，因此，偏好先學熱力學還是先學統計的讀者可以各取所需。Baierlein 的 Thermal Physics 在其頁面上被描述為透過微觀狀態和機率來展開熱力學與統計力學。
若想要更平緩的起點，Rex 修訂的 Finn's Thermal Physics 是古典熱力學的簡明入門，後面加入了統計力學；Lemons 的 A Student's Guide to Entropy 是一本圍繞「熵」這個連結熱力學、統計力學和資訊理論的概念的簡短指南。Pathria 與 Beale 的 Statistical Mechanics 從系綜理論談起，是 Blundell 第七、八部分之後的研究所層次的下一步。
如何使用本書
本書適合物理系二、三年級的學生，以及化學或工程領域中基礎紮實的學生。具備微積分（含偏導數）和入門力學即可；在引入溫度之前，有專門的機率一章（第3章）。
對一學期的課程，可行的核心是第1–4章，接著是談定律與熱力學勢的第11–14章和第16章，談配分函數、理想氣體和化學勢的第19–22章，以及談量子分布的第29–30章。根據第一版的書評，第二部分除前兩章（馬克士威–波茲曼分布與壓力）外，可以延後或略去。第15、17章、第25–27章和第九部分是自然的選讀延伸：資訊理論、磁體與氣泡、相對論性氣體與真實氣體，以及對恆星和大氣的應用。
把每章末的習題當作檢驗理解的主要方式來做。覺得第28章的相變講得簡略的讀者，可以搭配另一份對易辛模型的講解來讀；想從統計入手的讀者，可以在讀第3–4章和第19–20章的同時，讀 Schroeder 的開頭幾章。