热力学与统计物理学教学大纲

热力学与统计物理学教学大纲

课程编号：适用专业：物理学学时数：72学分数：41.课程类别：热力学与统计物理学是物理学专业的专业主干课。2.教学目的：本课程主要讲述热力学和统计物理学的基本概念、基本理论和重要应用。通过本课程的学习，使学生对热力学理论的认识进一步深化。特别是建立在微观理论上的统计物理学，将帮助学生了解大量粒子所构成的系统的统计规律性，并掌握分析这类系统的有效方法。为今后从事有关热现象的教学和技术工作打下基础。3.学时分配：见下表。学时分配表章次教学内容学时导言课程的研究对象、任务、内容和方法2一热力学的基本规律12二均匀物质的热力学性质10三单元系的相变10四多元系的复相平衡和化学平衡热力学第三定律10六近独立粒子的最概然分布10七玻尔兹曼统计10八玻色统计和费米统计8合计导言教学时数：2学时重点难点：重点：热力学与统计物理学的研究对象、任务、内容和方法。难点：学习本课程的相关数学知识。教学要求：了解热力学与统计物理学的发展历史，理解热力学与统计物理学两者之间的区别和联系，掌握热力学与统计物理学的研究对象、任务、内容和方法及其学习本课程的相关数学知识。教学内容：一、热力学与统计物理学的研究对象二、热力学与统计物理学的研究任务三、热力学与统计物理学的研究内容和方法四、热力学与统计物理学的发展历史五、相关数学知识补充第一章热力学的基本规律教学时数：12学时重点难点：重点：平衡态，热平衡定律和温度，物态方程，热力学第一定律，热力学第二定律及数学表述，热力学基本方程，内能、焓、熵、自由能和吉布斯函数。难点：物态方程的求解，熵的性质、熵的计算和熵增加原理的应用。教学要求：了解：热力学温标的建立，热力学基本方程的意义。理解：热平衡定律和温度，热力学第一定律，热力学第二定律，熵和熵增加原理。掌握：平衡态，几种物质的物态方程，根据条件求系统的物态方程，各种条件下做功的表达式，热力学基本方程，熵的计算和熵增加原理的应用，内能、熵、自由能、焓、吉布斯函数的定义和意义。教学内容：一、热力学系统的平衡状态及其描述二、热平衡定律和温度三、物态方程四、功五、热力学第一定律六、热容量和焓七、理想气体的内能八、理想气体的绝热过程九、理想气体的卡诺循环十、热力学第二定律十一、卡诺定理十二、热力学温标十三、克劳修斯等式和不等式十四、熵和热力学基本方程十五、理想气体的熵十六、热力学第二定律的数学表述十七、熵增加原理的简单应用十八、自由能和吉布斯函数第二章均匀物质的热力学性质教学时数：10学时重点难点：重点：内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分，麦克斯韦关系及其简单应用，基本热力学函数的确定，特性函数。难点：麦克斯韦关系的简单应用，特性函数和基本热力学函数的应用，气体的节流过程和绝热膨胀过程，平衡辐射的热力学性质，磁介质的热力学性质。教学要求：了解：气体的节流过程和绝热膨胀过程，平衡辐射和磁介质的热力学性质。理解：基本热力学函数，特性函数。掌握：内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分，麦克斯韦关系及其简单应用，基本热力学函数的确定，会分析用热力学偏导数表达的一些物理效应，特性函数及其应用。教学内容：一、内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分二、麦氏关系的简单应用三、气体的节流过程和绝热膨胀过程四、基本热力学函数的确定五、特性函数六、平衡辐射的热力学性质七、磁介质的热力学性质第三章单元系的相变教学时数：10学时重点难点：重点：单元复相系的热动平衡判据，开系的热力学基本方程，单元系的复相平衡条件，克拉珀龙方程。难点：热动平衡判据的应用，范德瓦尔斯方程讨论气液两相的转变，液滴的形成条件和形成过程，过热液体和过饱和蒸气。教学要求：了解：相变的分类。理解：范德瓦尔斯等温线，单元系相图。掌握：单元复相系的热动平衡判据、复相平衡条件及平衡稳定性条件，弯曲液面下相变平衡条件，克拉珀龙方程及应用，范德瓦耳斯方程并用其讨论气液相变的性质。教学内容：一、热动平衡判据二、开系的热力学基本方程三、单元系的复相平衡条件四、单元复相系的平衡性质五、临界点和气液两相的转变六、液滴的形成七、相变的分类第四章多元系的复相平衡和化学平衡教学时数：10学时重点难点：重点：多元系的热力学函数和热力学方程，多元系的复相平衡条件，吉布斯相律，化学平衡条件，热力学第三定律。难点：多元复相系的相变平衡条件，吉布斯相律物理意义及应用，化学平衡条件的应用，对热力学第三定律的理解及其应用。教学要求：了解：混合理想气体的性质，热力学第三定律的建立。理解：化学平衡条件，吉布斯相律的物理意义，质量作用律，热力学第三定律。掌握：多元复相系的热力学基本方程，多元系的复相平衡条件，吉布斯相律及其应用，热力学第三定律及其推导物质在低温下的性质。教学内容：一、多元系的热力学函数和热力学方程二、多元系的复相平衡条件三、吉布斯相律四、化学平衡条件五、混合理想气体的性质六、理想气体的化学平衡七、热力学第三定律第六章近独立粒子的最概然分布教学时数：10学时重点难点：重点：粒子运动状态的经典描述、量子描述，系统微观运动状态的描述，等概率原理，分布的概念，玻耳兹曼分布、玻色分布和费米分布，经典极限条件。难点：分布和微观状态的关系，玻耳兹曼系统、玻色系统和费米系统在确定分布下的微观状态数的计算，玻耳兹曼分布、玻色分布和费米分布的导出以及三种分布的关系。教学要求：了解：利用统计处理问题的方法，经典统计的困难，建立量子统计的历史，玻耳兹曼和爱因斯坦等物理学家对统计物理的贡献。理解：粒子运动状态的量子描述，系统微观运动状态的描述，等概率原理，分布和微观状态的关系，最概然分布。掌握：微观状态数、分布的概念，自由粒子、线性谐振子和转子运动状态的量子描述，玻耳兹曼系统、玻色系统和费米系统在确定分布下的微观状态数的计算，玻耳兹曼分布、玻色分布和费米分布以及三种分布的关系，经典极限条件。教学内容：一、粒子运动状态的经典描述二、粒子运动状态的量子描述三、系统微观运动状态的描述四、等概率原理五、分布和微观状态六、玻耳兹曼分布七、玻色分布和费米分布八、三种分布的关系第七章玻耳兹曼统计教学时数：10学时重点难点：重点：配分函数，热力学量的统计表达式，理想气体的物态方程，能量均分定理，麦克斯韦速度分布律，理想气体的内能和热容量，理想气体的熵。难点：热力学量的统计表达式，经典统计出现的困难和原因，量子统计解决问题的方法，固体热容量的爱因斯坦理论。教学要求：了解：玻耳兹曼统计处理问题的方法，经典统计的困难，固体热容量的爱因斯坦理论。理解：配分函数的意义和作用，能量均分定理。掌握：由配分函数表示的热力学量的统计表达式，由玻耳兹曼分布导出理想气体的物态方程、气体分子的麦克斯韦速度分布律，能量均分定理及其应用，玻耳兹曼量子统计解决经典统计遇到的几个困难。教学内容：一、热力学量的统计表达式二、理想气体的物态方程三、麦克斯韦速度分布律四、能量均分定理五、理想气体的内能和热容量六、理想气体的熵七、固体热容量的爱因斯坦理论第八章玻色统计和费米统计教学时数：8学时重点难点：重点：热力学量的统计表达式，光子气体、金属中的自由电子气体的热力学性质，玻色-爱因斯坦凝聚现象。难点：统计关联，玻色-爱因斯坦凝聚，光子气体、金属中的自由电子气体的热力学性质。教学要求：了解：粒子间的量子统计关联对系统性质的影响，玻色-爱因斯坦凝聚现象。理解：光子气体服从量子统计研究平衡辐射，金属中自由电子的热容量及其它性质。掌握：巨配分函数，玻色系统和费米系统热力学量的统计表达式，玻色-爱因斯坦凝聚现象及产生条件。教学内容：一、热力学量的统计表达式二、玻色-爱因斯坦凝聚三、光子气体四、金属中的自由电子气体

附录1．考核：期末闭卷考试与平时