ترمودینامیک و مکانیک آماری از دروس پایه‌ی کارشناسی فیزیک هستند، که در دو نیمسال با عنوان دروس “ترمودینامیک و مکانیک آماری ۱ و ۲” تدریس می‌شوند، بیشتر تمرکز درس در نیمسال نخست مبحث ترمودینامیک، و در نیمسال دوم مکانیک آماری است. هر دوی این مباحث از عمیق ترین و جذاب ترین اندوخته‌های دانش فیزیکی یک فیزیک پیشه در سال‌های اولیه تحصیل و همچنین از بزرگترین دستاوردهای علمی بشرند.

شرح مختصر این دانش

ترمودینامیک دانشی بسیار قدیمی است و همان‌طور که از نامش بر می‌آید به بررسی “گرما” می‌پردازد. در حقیقت این دانش ریشه‌ی بسیار قدیمی‌تری نسبت به بیشتر دانش مدرن امروزی فیزیک دارد، آن‌ طور که پیش از آن‌که چیزی در مورد قوانین ترمودینامیک بدانیم بلد بودیم ماشین بخار بسازیم.

می‌توان بوسیله‌ی چهار قانون: صفرم، اول، دوم و سوم ترمودینامیک، ترمودینامیک را بر پایه اصول موضوعه بنا نهاد. قانون صفرم که به علت اهمیت و بنیادی‌تر بودنش در این جایگاه قرار گرفته است، به ما کمک میکند مفهوم آشنای دما را به عنوان یک کمیت قابل اندازه گیری جهانی تعریف کنیم. قانون اول راه پایستگی انرژی را به دنیای ترمودینامیک می‌گشاید. قانون دوم به ما کمک می‌کند به مفهوم آنتروپی و برگشت‌پذیری فرایندها بپردازیم و در نهایت قانون سوم، رابطه هایی میان مفهوم آنتروپی و نظریه‌ی کوانتومی برقرار می‌سازد.

بوسیلۀ دانش ترمودینامیک به روشهای اندازه‌گیری دما می‌پردازیم، ماشین‌های گرمایی(یخچال‌ها و موتور‌های گرمایی) را بررسی می‌کنیم، در مورد مسأله‌ی تغییر فاز اطلاعاتی کسب می‌کنیم و حتّی برای عرض اندام این تئوری می‌توان به کمک آن در مساله‌ی تابش جسم سیاه نیز  وارد شد یا در مورد سیاهچاله‌ها صحبت کرد.

سپس به علم مکانیک آماری وارد می‌شویم. این اتفاق درست در نقطه‌ای اتفاق افتاد که بشر دانست آنچه سبب ایجاد مفاهیمی مثل دما، گرما، آنتروپی و… شده بودند، همگی اثرات رفتار جمعی تعداد بسیار زیادی ذره(یا هر جزء تشکیل دهنده ی دیگری) در سیستم است. در تعداد بالا از ذرات (بالاتر از حدی موسوم به حد ترمودینامیکی) کسب دانش در مورد جزییات دینامیک تک تک ذرات امری نشدنی و غیر ضروری است، در عوض می‌توان رفتارهای جمعی این ذرات را با پارامتر‌های فیزیکی محدودی به عنوان مثال: انرژی کل، دما، فشار، حجم و… بررسی کرد و ازین پارامتر ها اطلاعات مفید و کافی‌ای از سیستم ترمودینامیکی کسب کرد، این طرز نگاه، مکانیک آماری است. (برای مباحث تاریخی، کارهای Boltzmann در مکانیک آماری و حتی نقش او در تبیین نظریه اتمی را مطالعه کنید.)

لودویگ بولتزمن (۱۸۸۴-۱۹۰۶م)

پس دانشمندان شروع به استفاده از دانسته‌های خود از علم آمار ریاضیات (که شامل مفاهیمی مثل تابع های توزیع، قضیه حد مرکزی، متوسط گیری های آماری و …) در فیزیک و مکانیک ذرات کردند.

مفاهیمی چون میکرو استیت و ماکرو استیت ، آنسامبل‌ها و … در ابتدای پی ریزی مکانیک آماری قدرت و استحکامی ریاضی‌گونه به این تئوری می‌بخشد و آنرا به ابزاری بی‌نهایت قدرتمند برای بررسی هر فیزیکی تبدیل میکند. ابزاری آنقدر کارآمد که به محض ورود مکانیک کوانتومی به صحنه ی فیزیک، همزیستی ای بی نقص را با آن آغاز میکند.

نظریه‌ی کوانتوم در ابتدای امر، مکانیک آماری را به دو شاخه‌ی “آمار بوز-اینشتین” و “آمار فرمی-دیراک” می‌شکاند. این تقسیم بندی از آنجا ناشی می‌شود، که بر اساس نظریه کوانتوم ذرات می‌توانند اسپین‌های صحیح(بوزون‌ها)  یا نیمه‌صحیح(فرمیون‌ها) داشته باشند و بر اساس اصل طرد پاؤلی، بوزون‌ها می‌توانند به هر تعدادی در یک استیت کوانتومی قرار بگیرند، امّا فرمیون‌ها چنین اجازه‌ای ندارند و بیش از یکی از آنها اجازه ندارد در یک استیت کوانتومی بنشیند. همین دو دستگی ساده منجر به مشاهده رفتارهای ترمودینامیکی بسیار متنوعی می‌شود، به عنوان مثال مشاهده‌ی چگالش بوز-اینشتین برای آمار بوز-اینشتین و یا مشاهده ی ستاره‌های نوترونی به عنوان نمونه ای از سیستمی با آمار فرمی-‌دیراک.

گستره‌ی دانش ترمودینامیک و مکانیک آماری به اندازه‌ی تمام فیزیک است و نه فقط مختص به بررسی گازها. فیزیکدانان هر جا که با سیستمی با تعداد زیادی ذره سر و کار دارند به این ابزار روی می‌آورند، خواه فلزی به عنوان دریایی از الکترون های آزاد باشد، و خواه رفتار ستاره ای در آسمان.

منابع مفید برای مطالعه ترمودینامیک و مکانیک آماری

*Roger Penrose: Cycles of Time:

کتابی نوشته شده به زبان ساده برای استفاده عموم توسط فیزیکدان بزرگ راجر پنروز که موضوعات هیجان انگیزی مرتبط با ترمودینامیک و کیهانشناسی را بیان میکند. (ترجمه فارسی موجود است)

*The Feynman Lectures on Physics:

مجموعه‌ی سه جلدی بسیار ارزشمند لکچر‌های فاینمن در اواخر جلد یک خود آموزه‌های بسیار عالی‌ای در زمینه‌ی ترمودینامیک و مکانیک آماری دارد. جلد اول این مجموعه توسط حلقه‌ی مترجمان ژرفا ترجمه شده است و می‌توانید ترجمه‌ی آن را به رایگان از این صفحه دریافت کنید.

*C.J. Adkins: Equilibrium Thermodynamics:

از اصلی‌ترین منابع آغاز یادگیری ترمودینامیک کلاسیک، منبع اصلی تدریس این درس. (ترجمه به فارسی موجود است.)

*Stephen Blundell: Concepts in Thermal Physics:

کتابی بسیار عالی برای آموزش مقدماتی ترمودینامیک و مکانیک آماری، از منابع اصلی تدریس این درس

*David Tong: Lecture Notes on Statistical Mechanics:

لکچر نوتی بسیار آموزنده و مختصر برای یادگیری عموم مطالب مکانیک آماری که از این نشانی قابل دانلود است.

*Walter Griener: Thermodynamics and Statistical Mechanics:

منبعی بسیار عالی و نسبتاً پیشرفته برای ترمودینامیک و مکانیک آماری. (ترجمه به فارسی موجود است)

*R.K. Pathria: Statistical Mechanics:

منبعی پیشرفته و معروف برای مکانیک آماری. (ترجمه فارسی موجود است)

*K. Huang: Statistical Mechanics:

منبعی بسیار عالی و پیشرفته برای مکانیک آماری که منبع تدریس دانشگاه MIT  است.

*Mehran Kardar: Statistical Physics of Particles:

منبع بسیار پیشرفته (مناسب برای مطالعات مکانیک آماری پیشرفته) و عالی برای مکانیک آماری.

ویدیو‌های آموزشی ترمودینامیک و مکانیک آماری

*ترمودینامیک و مکانیک آماری ۱ و ۲ دکتر رضاخانی، دانشگاه صنعتی شریف که در سایت مکتب‌خونه به ترتیب در این صفحه و این صفحه می‌توانید ببینید.

*لئونارد ساسکایند، مکانیک آماری، به زبان انگلیسی می‌توانید از این صفحه دانلود کنید.