《热力学与统计物理》课程教学大纲

《热力学与统计物理》教学大纲一、课程基本信息课程名称热力学与统计物理ThermodynamicsandStatisticalPhysics课程编码SCC610221030开课院部理学院课程团队热力学与统计物理学分3.0课内学时48讲授48实验0上机0实践0课外学时48适用专业新能源材料与器件授课语言中文先修课程大学物理（2-1）、大学物理（2-2）、大学物理实验（2-1）课程简介（限选）本课程主要介绍热力学和统计物理学的基本规律、基本理论和方法，并从宏观上和微观上描述热力学系统的热现象和热性质，本课程与材料、物理、化学等学科都密切相关，是一门重要的专业基础课程，无论对后续的材料类、物理类和化学类等课程的学习都起到承上启下的知识链接作用。本课程的设置目的是使学生能够熟练掌握热力学和统计物理的基本原理和研究方法，逐步建立分析物质热运动以及微观世界热现象的思路和方法，训练学生严格的逻辑思维能力，培养演绎推理能力，并提高分析问题、解决具体问题的能力。Thiscoursemainlyintroducesthebasiclaws,theoriesandmethodsofthermodynamicsandstatisticalphysics,anddescribesthethermalphenomenaandthermalpropertiesofthermodynamicsystemsfrommacroandmicroperspectives.Inphysics,thiscourseandmaterials,physics,chemistryandotherdisciplinesarecloselyrelatedandareanimportantprofessionalBasicCourse,whichplaysaconnectingroleinthelearningofsubsequentcoursessuchasmaterials,physicsandchemistry.Thepurposeofthiscourseistoenablestudentstomasterthebasicprinciplesandresearchmethodsofthermodynamicsandstatisticalphysics,andgraduallyestablishideasandmethodsforanalyzingthethermalmovementofmaterialsandthermalphenomenainthemicroscopicworld,trainstudents'strictlogicalthinkingability,cultivatedeductivereasoningability,andimprovetheirabilitytoanalyzeandsolvespecificproblems.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1目标1：认识物质热运动的特点，掌握与热现象有关的物质宏观物理性质的唯象理论和统计理论的基本概念、定理、定律和知识体系是1.11.12M2目标2：掌握热力学与统计物理的基本原理和处理问题的重要方法，并初步具有用这些方法分析问题、解决具体问题的能力，为进一步学习其它理论课程或科研工作打下良好的基础是2.12.1三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节1第1章第1章热力学的基本定律本章重点难点：热力学三定律；热力学函数内能、焓、熵、自由能、吉布斯函数的物理意义。/9/3/21.11.1热力学系统的平衡及其描述系统、外界、子系统；系统的分类；热力学平衡态及其判别方法；状态参量；广延量与强度量M10.5讲授//31.21.2热平衡定律和温度热接触与热平衡；热平衡定律、温度、热平衡的传递性；态函数温度存在的数学论证M10.5讲授//41.31.3物态方程物态方程的意义；实验系数；物态方程举例；几个常用的数学关系；由实验系数求物态方程M10.5讲授0.5作业51.41.4功准静态过程；准静态过程的功；非准静态过程的功；准静态过程外界对系统做功的一般行形式M10.5讲授//61.51.5热力学第一定律改变系统状态的方式及绝热过程；焦耳实验，内能；热量，热力学第一定律；第一类永动机M10.5讲授0.5自学文献71.61.6热容量和焓热容量的定义；状态函数焓；等压热容量；等容热容量M10.5讲授//81.71.7理想气体的内能理想气体的自由膨胀；焦耳实验，焦耳定律；理想气体定容和定压热容量M10.5讲授//91.81.8理想气体的绝热过程状态方程和过程方程；理想气体的等温过程和绝热过程M10.5讲授//101.91.9理想气体的卡诺循环卡诺循环；热机、制冷机及其效率M10.5讲授//111.101.10热力学第二定律热力学第二定律的两种表述及等价性；第二类永动机；可逆过程，不可逆过程；实际过程的不可逆性M10.5讲授、讨论0.5自学文献121.111.11卡诺定理可逆机和不可逆机；卡诺定理及其证明M10.5讲授//131.121.12热力学温标热力学温标的引入和意义；热力学温标和理想气体温标的等价性M10.5讲授//141.131.13克劳修斯等式和不等式卡诺循环的等式和不等式；任意循环的等式和不等式M10.5讲授//151.141.14熵和热力学基本方程态函数熵的引入及意义；热力学基本方程及其意义，热力学基本方程的一般形式M10.5讲授0.5自学文献161.151.15理想气体的熵理想气体熵的计算公式及应用M10.5讲授//171.161.16热力学第二定律的数学表述热力学第二定律的数学表述形式；熵增加原理的理解M10.5讲授0.5自学文献181.171.17熵增加原理的简单应用热源、物体、已知熵表达式的系统的熵变的求解M10.5讲授0.5作业191.181.18自由能和吉布斯函数自由能的引入和最大功原理；吉布斯函数的引入和最大功原理M10.5讲授//20第二章第二章均匀物质的热力学性质本章重点难点：由热力学函数（内能、焓、自由能、吉布斯函数）的全微分推导出的麦氏关系，麦氏关系的应用，基本热力学函数的确定，特性函数/5/1/212.12.1内能、焓、自由能和吉布斯内能、焓、自由能和吉布斯的全微分形式及应用，麦氏关系的推导M11讲授//222.22.2麦氏关系的简单应用麦氏关系的意义和应用；雅可比行列式，定容热容量与能态方程；定压热容量与焓方程M11讲授0.5作业232.32.3气体的节流膨胀和绝热膨胀气体节流过程；焦耳-汤姆逊效应与焦耳自由膨胀实验的关系；气体绝热膨胀过程M21讲授、讨论//242.42.4基本热力学函数和特性函数基本热力学函数的确定和应用；特性函数；表面的热力学性质M11讲授//252.52.5磁介质热力学磁介质的功；磁介质的麦氏关系；绝热去磁制冷；磁介质热力学基本方程M21讲授、讨论0.5自学文献26第三章第三章单元系的相变本章重点难点：平衡判据及应用，相平衡条件，开系的热力学性质，相图/6///273.13.1热动平衡判据熵判据，自由能判据，吉布斯函数判据；平衡条件，平衡稳定条件M11讲授//283.23.2开系的热力学基本方程开系及其热力学基本方程；化学势；巨热力势M11讲授//293.33.3单元系的复相平衡条件热平衡条件，力平衡条件，相变平衡条件，过程进行方向M21讲授0.5作业303.43.4单元复相系的平衡性质相图；单元系相图的理解；平衡曲线的确定；克拉柏龙方程M11讲授//313.53.5临界点和气液两相的转变实际气体等温线，范德瓦尔斯等温线；麦克斯韦等面积法则，临界系数M11讲授、讨论//323.63.6相变的分类一级相变，连续相变；爱伦费斯特方程M21讲授0.5自学文献33第四章第四章多元系的复相平衡和化学平衡本章重点难点：多元系的复相平衡条件；吉布斯相律；混合理想气体的性质/7/1.5/344.14.1多元系的热力学函数和热力学方程欧勒定理；多元单相系的热力学函数和基本方程；多元复相系的热力学函数，吉布斯关系M11讲授//354.24.2多元系的复相平衡条件多元系复相平衡条件的一般性推导；膜平衡M21讲授、讨论//364.34.3吉布斯相律强度变量，摩尔分数；吉布斯相律的推导及简单应用M21讲授//374.44.4化学平衡条件化学反应的表示；单相系化学平衡条件；反应度M21讲授0.5作业384.54.5混合理想气体的性质道尔顿分压定律；混合理想气体的物态方程、焓和熵；吉布斯佯谬M21讲授、讨论//394.64.6理想气体的化学平衡平衡常量；质量作用律及应用M21讲授0.5作业404.74.7热力学第三定律能斯特定理热力学第三定律；绝对熵，绝对零度不能到达M11讲授0.5自学文献41第五章第五章近独立粒子系统的最概然分布本章重点难点：相空间，系统微观状态的描述，等概率原理，三个统计分布函数/6讲授1/425.15.1粒子运动状态的经典描述粒子的运动状态的含义；相空间及举例；广义坐标和广义动量；经典粒子运动状态描述举例M10.5讲授//435.25.2粒子运动状态的量子描述量子态，自由度；粒子运动状态描述举例；简并能级，相格；态密度M20.5讲授0.5作业445.35.3系统微观运动状态的描述全同近独立粒子系统；经典系统微观运动状态的描述，量子系统微观运动状态的描述；玻耳兹曼系统，玻色系统，费米系统M11讲授、讨论//455.45.4等概率原理宏观状态，微观状态；等概率原理-统计物理的基本假设M10.5讲授//465.55.5分布和微观状态分布的意义；宏观状态、微观状态与分布的关系；玻耳兹曼系统、玻色系统、费米系统的一个分布包含的微观状态数M11讲授、讨论0.5作业475.65.6玻耳兹曼分布最概然分布；斯特令近似公式；拉格朗日不定乘子法求玻耳兹曼分布；平衡态与最概然分布M21讲授//485.75.7玻色分布和费米分布拉格朗日不定乘子法求玻色分布和费米分布M21讲授//495.85.8三种分布的关系经典极限条件（非简并性条件）；玻耳兹曼分布、玻色分布、费米分布的关系M10.5讲授//50第六章第六章玻耳兹曼统计本章重点难点：热力学量统计表达式，麦克斯韦速度分布律，能量均分定理的统计意义/6/1/516.16.1热力学量的统计表达式玻尔兹曼统计的配分函数；内能、物态方程、熵的统计表达式；熵的统计意义；玻尔兹曼关系式，满足经典极限条件的玻色（费米）系和定域系统的熵M11讲授//526.26.2理想气体的物态方程单原子分子理想气体系统的配分函数；由配分函数求物态方程M21讲授0.5作业536.36.3能量均分定理能量均分定理的证明；应用能量均分定理求热容量；讨论平衡辐射问题M11讲授、讨论//546.46.4理想气体的内能和热容量量子统计理论讨论双原子分子理想气体的内能和热容量M11讲授//556.56.5理想气体的熵单原子理想气体熵的求导，吉布斯徉谬M21讲授、讨论0.5作业566.66.6固体热容量的爱因斯坦理论固体热容量的经典理论；固体热容量的爱因斯坦M21讲授//57第七章第七章玻色统计和费米统计本章重点难点：玻色-爱因斯坦凝聚现象；光子气体费米能级，费米动量/4/1/58第八章第八章系统理论本章重点难点：微正则分布、正则分布、巨正则分布理论的理解和应用/4/1/597.17.1热力学量的统计表达式巨配分函数，玻色、费米系统的热力学量统计表达式的推导M11讲授//608.18.1相空间和刘维尔定理平衡态统计物理的普遍理论-系综理论，相空间，刘维尔定理简介，统计系综的分类M11讲授//617.27.2玻色-爱因斯坦凝聚玻色理想气体模型；玻色爱因斯坦凝聚，凝聚温度，玻色爱因斯坦凝聚体的性质M21讲授、讨论//627.47.4金属中的自由电子气体金属的内部结构和自由电子气体模型；费米能量，费米速度，费米温度M21讲授、讨论0.5作业638.28.2微正则分布的热力学公式微正则系综热力学量的统计表达式，微正则系综理论的简单应用M11讲授//648.48.4巨正则分布及其热力学公式巨正则分布的宏观条件；巨正则分布函数；巨正则分布的热力学公式；三种系综理论的关系M21讲授、讨论0.5作业658.38.3正则分布和热力学公式正则分布的宏观条件；正则分布函数，配分函数；正则分布的热力学公式；正则分布与微正则分布的关系M11讲授//667.37.3光子气体光子气体模型，普朗克公式，低频、高频范围的极限结果；空窖辐射总内能及内能密度、维恩位移定律M21讲授0.5作业678.58.5巨正则分布的简单应用巨正则分布求解理想气体问题M21讲授、讨论0.5作业四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时作业1.每章布置3~4道题目，平均每次课1道题以上。2.成绩采用等级制，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。3.考核学生对热力学与统计物理基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主要有证明和计算题。15%2专题汇报1.指定或学生自选与热力学与统计物理有关的题目，要求学生制作汇报PPT并录制解说语音。2.成绩采用百分制。3.根据内容的创新性、准确性和解说的条理性评分。15%3课程论文1.学生自选与热力学与统计物理有关的课题，搜集、整理文献资料，撰写课程论文。2.成绩采用百分制，根据内容的创新性、准确性、文字和格式的条理性评分。15%4课堂表现随机检查学生上课精神状态、回答问题情况5%5期末考试1.闭卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分100分。3.主要考核学生对热力学与统计物理基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主要有选择题、填空题、简答题、证明题、计算题等。50%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1平时作业10%A-独立思考、按时完成，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确。B-独立思考、按时完成，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式合理、答案准确。C-独立思考、按时完成，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案准确。D-作业抄袭，未能按时完成，结论错误，解题思路混乱。2M1专题汇报10%90-100:汇报课题很有创新性，PPT制作精美细致，具有一定的工作量，语言严谨、正确、生动，介绍、解释热力学与统计物理的相关课题清楚、明白；75-90：汇报课题比较有创新性，PPT制作比较精美细致，具有一定的工作量，能动用比较严谨的语言介绍、解释清楚热力学与统计物理的相关课题；60-75：汇报课题的创新性一般，PPT制作比较认真，工作量一般，汇报语言比较有条理，基本能介绍、解释清楚热力学与统计物理的相关课题；<60:汇报内容互相抄袭，工作量过少，汇报语言没有条理，对热力学与统计物理相关课题解释不清.3M1课程论文10%90-100:选题很有创新性，推理、推导严谨正确，内容条理较清晰，研究结果真实可靠，语言流畅，研究内容对热力学与统计物理有一定的价值；75-90:选题比较有创新性，推理、推导严谨正确，内容条理比较清晰，研究结果真实可靠，语言比较流畅，研究内容对热力学与统计物理有一定的价值；60-75：选题创新性一般，推理、推导比较正确，语言比较流畅，叙述比较具有条理，具有一定的工作量，内容对热力学与统计物理具有一定的价值；<60:存在明显抄袭现象，完全没有自己的观点，论文选题没有创新性，工作量过少，格式错误，语言苍白，推理、推导错误4M1课堂表现10%90-100:精神状态饱满，回答问题准确;75-90:精神状态良好，问题回答较好;60-75:精神状态一般，问题回答一般;<60:精神状态一般，问题回答一般。5M1期末考试60%（见试卷评分标准）6M2平时作业10%A-独立思考、按时完成，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确。B-独立思考、按时完成，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式合理、答案准确。C-独立思考、按时完成，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案准确。D-作业抄袭，未能按时完成，结论错误，解题思路混乱。7M2专题汇报20%90-100:汇报课题很有创新性，PPT制作精美细致，具有一定的工作量，语言严谨、正确、生动，介绍、解释热力学与统计物理的相关课题清楚、明白；75-90：汇报课题比较有创新性，PPT制作比较精美细致，具有一定的工作量，能动用比较严谨的语言介绍、解释清楚热力学与统计物理的相关课题；60-75：汇报课题的创新性一般，PPT制作比较认真，工作量一般，汇报语言比较有条理，基本能介绍、解释清楚热力学与统计物理的相关课题；<60:汇报内容互相抄袭，工作量过少，汇报语言没有条理，对热力学与统计物理相关课题解释不清.8M2课程论文20%90-100:选题很有创新性，推理、推导严谨正确，内容条理较清晰，研究结果真实可靠，语言流畅，研