黑洞是广义相对论预言的天体,也是爱因斯坦场方程的一个优美而有趣的解。一直以来,黑洞物理相关问题都是物理学和天文学的前沿研究热点之一。量子引力在普朗克尺度上统一量子理论和广义相对论两大基本理论,黑洞热力学是研究量子引力的候选者之一。从上个世纪70年代以来在引力系统内考虑量子效应及提出霍金辐射后,黑洞作为引力动力学系统,其特征量与热力学量具有高度相似的表述,黑洞热力学四大定律被提出。自此,为进一步认识和理解黑洞的基本性质,人们对黑洞热力学进行了广泛研究。本论文将主要研究Anti-de-Sitter(AdS)黑洞的热力学性质及其现象学。具体而言,本论文将主要研究黑洞拓展热力学及其现象学;在拓展相空间内,宇宙学常数Λ定义为压强,其共轭量为体积(此处的体积为黑洞的热力学体积),拓展相空间内的黑洞热力学也叫黑洞化学,此时黑洞的总能量不再表示黑洞热系统的内能,而是该热系统的焓。在此基础上的引力系统表现出更加丰富的相结构和热力学性质:比如,该黑洞热力学系统具有与范德瓦尔斯(Van de Waals)流体相似的性质,展现出相变现象以及相应的临界现象,重入相变和三相点等。本文首先将简单回顾黑洞的发生历史及黑洞热力学的形成历史,进而在黑洞拓展热力学的框架下展开研究。具体主要分为两个部分,上半部分研究了与热力学第一定律相关的Smarr定律和黑洞热系统与外界有物质交换时的热力学;下半部分在不同的引力模型中研究黑洞具有丰富的相结构时的热力学行为,如黑洞热机,焦耳汤普森效应。本文的结构如下:第一章首先简单介绍黑洞的定义及其研究历史背景,黑洞热力学及黑洞拓展热力学的发展史。第二章中将研究的是Smarr关系式以及如何通过量纲分析的方法给出Smarr关系式。在拓展热力学的框架内,对于一些特殊的黑洞模型比如Horndeski引力中Einstein-Axion耦合黑洞解,当存在无量纲的耦合常数时,通过量纲分析的方法无法得到正确的Smarr关系式。这一章将主要讨论这个问题并给出了解决方法。第三章将讨论AdS黑洞与外界存在物质交换即吸收带电粒子后,其热力学定律是否被破坏的问题。近期有一系列研究表明当带电粒子落入AdS黑洞时,其热力学第二定律即熵增理论被破坏。首先我们指出RN-AdS黑洞吸收带电粒子后的热力学第二定律违反是由一个不恰当假设导致,并说明被吸收粒子能量改变的是黑洞的质量而不是内能。接下来研究Massive引力中的AdS黑洞模型吸收带电粒子后的热力学和弱宇宙监督,通过两种不同的方法研究带电粒子落入黑洞后改变的黑洞热力学行为。并再次说明黑洞热力学第二定律被破坏是由于带电粒子能量改变的是黑洞的内能的不恰当假设导致的,阐明了热力学第二定律的不可挑战性。第四章我们将动量耗散引入了全息热机的研究中,回顾Horndeski引力中耦合轴子场的黑洞解及其热力学,并在这个AdS黑洞的模型中构造一个全息热机,研究其热机效率并考察了动量耗散机制对热机效率的影响。第五章主要研究黑洞热系统的Joule-Thomson效应。分别在Einstein-Maxwell-Axion理论和Massive引力理论这两类通过不同机制引入的动量耗散的AdS黑洞中研究Joule-Thomson效应。我们首次得到与Van der-Waals理想流体高度相似的Joule-Thomson曲线,丰富了黑洞这类强引力系统中的现象学研究。第六章总结全文内容并作展望。