Зоммерфельд А. Термодинамика и статистическая физика (1185124)
Текст из файла
А. ЗОММЕРФЕЛЬД ТЕРМОДИНАМИБ,А И СТАТИСТИЧЕСБАИ ФИЗИБА Перееад с немеЧкого В.Л. БОБЧБРУВВИЧА н В. Б. САИДОМ ИРСК О ГО ИжЛ ИЗДАТБЛБСТВО ИНОСТРАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Москео, 195о ОТ РЕДАКЦИИ Предлагаемая вниманию читателя книга А. Зоммерфельда посвящена изложению основ термодинамики и статистической фнзнкн.
Она является пятым, хронологически последним, томом серии «Лекции по теоретической физике» ') и вышла уже после смерти автора. Зоммерфельд не успел закончить подготовку книги к печати, и это было выполнено Бонном и Мейкснером. По сравнению с другими томами, которые, как правило, содержали изложение избранных вопросов данной дисциплины, в настоящей книге круг рассматриваемых проблем отличается значительно большей полнотой.
Как обычно для классических курсов термодинамики, автор ведет изложение аксиоматическим путем, начиная с формулировки «началз; статистическое обоснование дается лишь значительно позднее. Для данной книги, как и для других томов этого курса, характерно стремление к максимальной конкретизации получаемых результатов. Расчеты там, где это возможно, доводятся до числа и до непосредственного сравнения с опытом; в ряде случаев рассматриваются задачи, имеющие не только теоретический (или иллюстративный), но и непосредственный практический интерес. Так, например, подробно рассматривается индикаторная диаграмма паровой машины с водяным паром в качестве рабочего тела, а не с идеальныы газом, как это делается в обычных курсах термодинамики; в одной из задач разбирается вопрос об отоплении помещений„ко- ') Из атой серии уже выпущены: т.
1, Механика (1947); т. И, Механика деформпруемых сред (1954); т. 1Ч, Оптика (1953); т. Ч1, Днфференппальные уравненпя в частных пропзводных фпзпкп (1950). От редакции тарый оказывается далеко не тривиальным, и т. д. Однако некоторые важные вопросы термодинамики изложены недостаточно полно. В особенности это относится к теории фазовых переходов, в которой совершенно не освещена важная и актуальная проблема фазовых переходов второго рода. Статистическая физика излагается в три этапа: элементарная кинетическая теория газов, общие методы статистики (метод Больцмана и метод ансамблей Гиббса), проблемы кинетики. В этой последней части выводится кинетическое уравнение для идеального газа и рассматривается его приблпх«енное решение методом моментов. Следует отметить, что в кур<ах и монографиях, имеющихся на русском языке, этот круг задач еще не освещен с достаточной полнотой.
Такое построение курса с методической стороны представляется удачным. Вместе с тем «статистнческая» часть книги страдает наибольшей неровностью изложения. Возможно, это связано с тем, что она подвергалась наибольшей воработке без участия самого автора. К сожалению, весьма неполно рассмотрена вся теория флуктуаций.
Нет даже упоминания о новых методах решения равновесных и кинетических задач, связанных с введением «цепочек» функций распределенця (работы Н, Н. Боголюбова, Бориа н Грина и др.). Как и в остальных томах своей серии, Зоммерфельд не проявляет делящей объективности в исторических ссылках, упоминая в основном лишь о работах немецких ученых. Достижения же ученых других стран, как правило, остаются в тени. Несмотрн на отмеченные недостатки, книга представляет несомненный интерес как оригинальное и глубокое изложение термодинамики и статистической физики, написанное крупным немецким ученым и талантливым педагогом. ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА Термодинамика представляет классический пример аксиоматически построенной науки. В противоположность классической механике революция, произведенная квантовой теорией, не поколебала основных положений термодинамики.
За сто лет ее существования в термодинамику было сделано лишь несколько значительных вкладов. Зто — тепловая теорема НернстаЯ 12), теория разбавленных растворов Я 15), применение второго начала термодинамики к теории электричества и магнетизма ($ 18 и 19). Весьма перспективным обобщением классической «равновесной» термодинамики представляется нам термодинамика необратимых процессов Я 21), основанная на соотношениях взаимности Онзагера и охватывающая реальные процессы, текущие с конечной скоростью.
По свидетельству Планка, имеющемуся в его воспоминаниях, даже Кирхгоф хотел ограничить понятие энтропии обратимыми процессами. Твердая уверенность в общности этого понятия, котору1о Планк выразил уже в своей диссертации, привела его в 1900 г. к его закону излучения и к теории квантов.
Мы не будем проводить аксиоматический метод настолько последовательно, чтобы пытаться построить изложение на основе возможно меньшего числа аксиом. Зто выполнил Каратеодори в своем доказательстве второго начала термодинамики. В настоящей книге будет дано понятие о работе Каратеодори, однако мы ке можем предпочесть ее рассужденшо Карно — Клаузиуса. В последнем содержится так много поучительных идей, что мы считаем его, особенно в начальной стадии изложения, совершенно незаменимым.
В том, что это рассуждение оперирует с техническими представлениями, мы видим скорее преимущество, чем недостаток. Ведь и термодинамика первоначально развилась в связи с задачами конструирования паровых машин. Првдывлввыв автора Существует известное соперничество между методом циклических процессов и л~етодом термодннамических потенциалов. Первому методу вследствие его наглядности оказывают особое предпочтение в технике.
Однако мы будем почти везде пользоваться последним методом. Он допускает значительно более сжатое математическое рассмотрение, свободное от всякого произвола, который содержится в искусственно придумываемых циклических процессах. Мы будем рассматривать четыре потенциала Гиббса ($7) как равноправные, хотя свободная энтальпия (часто называемая просто термодинамическим потенциалом) имеет наиболее важные применения.
Привлеченный нами экспериментальный материал очень неполон. В случае реальных газов мы ограничиваемся уравнением Ван-дер-Ваальса, которое, несмотря на его простуво форму — только с двумя эмпирическими постоянными,— удовлетворительно отражает основные черты парообраэного и жидкого состояний. Такую же роль по отношению и ферромагнетизму играет теория Вейса с ее единственной константой внутреннего поля в ферромагнетике. Критику этих упрощенных теорий следует отнести в специальные труды. В первоначальных университетских лекциях я отвел больше места статистике, чем чистой термодинамике, поскольку первая благодаря своей связи с квантовой теорией меня лично больше привлекала.
Фактически в современном изложении квантовую теорию следует в принципе исключить, лишь изредка привлекая ее в дополнение к статистике Больцмана. Поэтому в настоящей книге гл. 1 и П, в которых излагается термодинамика, количественно преобладают над гл. 111 — Ч, посвященными статистике.
Статистика Ферми излагается лн|пь в небольшой части, касающейся электронов в металле. В гл. П1 дано предварительное введение в статистический метод, насколько это можно сделать элементарным путем. Этому служат приводимые здесь примеры (постоянные Ван-дер-Ваальса, теория парамагнетизма Ланжевена), несколько восполняющие пробелы, допущенные в термодинамике. Как важнейший пример статистических флуктуационных явлений рассматривается броуновское движение в связи с теорией крутильных весов. Проблема длины Предисловие аеивора свободного пробега представлена лишь весьма схематично, так как она принадлежит к труднейшим задачам статистики. Материалы, изложенные в гл.
1Ч, можно считать вершиной наших статистических исследований. Я думаю, что метод ячеек Больцмана, хотя он и ограничен (по крайней мере в настоящее время) только стационарными состояниями, превосходит по плодотворности и смелости своего соперника— динамический метод кинетического уравнения Больцмана. Поэтому в первых параграфах этой главы излагается метод ячеек в первоначальной больцмановской форме, в которой молекулы газа рассматриваются как физическая реальность. В з 32 — 35 мы освобождаемся от недостатков этого метода, вводя дискретные квантовые уровни энергии. Однако при этом еще не возникает собственно квантовая статистика.
В последней метод Больцмана в своей первоначальной форме — распределение частиц по состояниям — становится несостоятельным, так как с квантовой точки зрения молекулы газа не различимы. Напротив, в квантовой теории состояния суть первично заданные объекты. Объектами новой статистики являются наборы чисел, характеризующие заполнение различных состояний неиндивидуализнруемыми частицами.
Это пзлагается в з 36 и 37. Соответствующие примеры приведены в $ 38 (газ световых квантов) и в з 39 (электроны в металле). Может быть нуждается в оправдании тот факт, что мы не основываемся на этой собственно квантовой статистике состояний с самого начала, а начинаем с явно устаревшей больцмановской статистики частиц. Это объясняется дидактическими соображениями. Первоначальная больцмановская статистика сделала уже так много и является столь наглядной, что, повидимому, она и впредь будет необходимой основой для понимания новой статистики состояний.
Характеристики
Тип файла DJVU
Этот формат был создан для хранения отсканированных страниц книг в большом количестве. DJVU отлично справился с поставленной задачей, но увеличение места на всех устройствах позволили использовать вместо этого формата всё тот же PDF, хоть PDF занимает заметно больше места.
Даже здесь на студизбе мы конвертируем все файлы DJVU в PDF, чтобы Вам не пришлось думать о том, какой программой открыть ту или иную книгу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
