《统计热力学》教学大纲

《统计热力学》课程教学大纲课程名称：统计热力学课程类别：专业选修课适用专业：化学考核方式：考查总学时、学分：32学时2学分其中实验学时：0学时课程教学目的《统计热力学》是化材学院开设的一门专业选修课。学习《统计热力学》的目的是研究热运动的规律，研究与热运动有关的性质及宏观物质系统的演化。本课程的作用是使学生掌握《统计热力学》的基本原理和处理具体问题的一些重要方法，并具有用这些方法解决较简单问题的能力。课程教学要求1.要求学生对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特点与联系有较全面的认识；2.注重对学生逻辑思维和自主学习能力的训练；3.培养学生良好的科学、文化素养，扎实的化学基础知识、基本理论。先修课程本课程的先行课程有：高等数学、普通物理、无机化学、分析化学、有机化学、物理化学等。课程教学重、难点本课程内容主要包括：热力学的基本规律，麦克斯韦关系及其应用，气体的节流膨胀与绝热膨胀，基本热力学函数，特性函数，平衡辐射热力学，磁介质热力学，热动平衡判据，开放系的热力学基本方程，多元系的复相平衡和化学平衡，吉布斯相律，热力学第三定律，粒子和系统运动状态的经典描述与量子描述，等几率原理，分布与微观状态，三种统计分布热力学量的统计表示，热力学量的统计表示，理想气体的物态方程，麦克斯韦速度分布律，能量均分定理，理想气体的内能，弱简并玻色气体和费米气体，光子气体，玻色—爱因斯坦凝聚，金属自由电子气，相空间，刘维尔定理等。本课程理论教学要求学生重点掌握系统状态的宏观描述方法；重点掌握熵变的计算，熵增加原理的应用；重点掌握微正则分布，正则分布，巨正则分布。其中，理想气体的速度分布和空间分布，麦克斯韦关系及其应用，最概然分布及其应用，能量均分定理等内容是本课程的难点。课程教学方法与教学手段1.注意本课程与其它课程尤其是高等数学及普通物理的相关内容的衔接与联系，做到学科之间有机的统一；2．主要以传统的课堂教学方法为主，配合多媒体课件等进行教学，进一步完善网络课程的内容和形式，逐步实现使学生多渠道、多形式学习统计热力学的目的；3．因学时有限内容较多，因此讲授内容只能精简，有一部分内容要求学生自学，该部分不占总学时，但仍然是大纲要求掌握内容。自学部分采用学生课后自学，分小组讨论并提出问题，教师课后解答的方式。课程教学内容第1章热力学的基本规律（4学时）1．教学内容(1)掌握平衡态概念及其描述方法；(2)根据热平衡定律建立温度的严格概念，并掌握定量量度法；(3)热力学第一、第二定律的内容和数学表达式及其对应的热力学函数的意义；(4)热力学中的过程量与状态量的区别与联系。2．重、难点提示(1)物态方程的三个系数的定义式，应用它们求解物态方程的方法；(2)热力学基本方程的意义及应用；(3)二元函数、偏导数循环关系及全微分性质在热力学中应用；(4)平衡态概念及其描述方法。第2章均匀物质的热力学性质（5学时）1．教学内容(1)热力学函数的定义式、全微分表达式、偏导数公式及对应麦氏关系；(2)用实验方法确定基本热力学函数的一般方法；(3)用理论方法确定热力学函数的方法—特性函数法；(4)上述两种热力学理论方法在实际中的应用。2．重、难点提示(1)热力学函数（U、H、F、G等）的定义式、全微分表达式、偏导数公式；(2)等容热容、等压热容的熵表达式；(3)用全微分条件得出各热力学量间的关系。第3章单元系的相变（4学时）1．教学内容(1)热力学平衡判据的几种形式，如熵判据、自由能判据和吉布斯函数判据等；(2)开系的热力学基本方程的数学表达式；(3)从气—液—固相图理解单元系的复相平衡条件及其性质；(4)气—液两相转变的过程及其临界条件以及液滴的形成过程。2．重、难点提示(1)热力学平衡判据的几种形式；(2)用最基本的熵判据形式得出热力学平衡条件；(3)了解一级相变的特点和相变分类。第4章多元系的复相平衡和化学平衡（3学时）1．教学内容(1)多元系的热力学函数和热力学方程的数学表达式；(2)多元单相系的平衡条件和多元复相系的平衡条件；(3)吉布斯相律及其应用；(4)混合气体的性质及其理想气体的化学平衡条件。2．重、难点提示(1)热力学第三定律的内容及其意义；(2)绝对熵的表达式；(3)理想气体的化学平衡条件。第5章近独立粒子的最概然分布（4学时）1．教学内容(1)粒子的经典描述和量子描述；(2)三种系统微观状态数的表达式的推导过程；(3)等概率原理的基本内容；(4)宏观分布与微观状态数的区别与联系。2．重、难点提示(1)玻尔兹曼、玻色分布和费米分布的表达式；(2)玻尔兹曼、玻色分布和费米分布相互转化的条件；(3)由概率法得到三种分布。第6章波耳兹曼统计（5学时）1．教学内容(1)热力学量的统计表达式的推导过程；(2)配分函数的作用及意义；(3)用配分函数推导理想气体物态方程；(4)应用理想气体内能和热容量的表达式。2．重、难点提示(1)固体热容量的爱因斯坦理论的内容；(2)顺磁性固体及负温度状态的简单知识；(3)理解能量均分定理。第7章玻色统计和费米统计（5学时）1．教学内容(1)热力学量的统计表达式的推导过程；(2)巨配分函数在统计物理中作用及意义；(3)玻色—爱因斯坦凝聚现象；(4)普朗克公式以及在不同频率区相应的两种表示形式。2．重、难点提示(1)光子气体的能量密度；(2)利用平衡热辐射过程推导热辐射定律；(3)利用费米统计的相关特点讨论自由电子气。第8章系综理论（2学时）1．教学内容(1)微正则分布的经典表达式、量子表达式和半经典表达式；(2)正则分布的推导过程及其物理意义；(3)正则分布的热力学公式及简单应用；(4)相空间。2．重、难点提示(1)正则分布、微正则分布、巨正则分布的区别；(2)相空间及刘维尔定理内容。学时分配章目教学内容教学环节理论教学学时实验教学学时一热力学的基本规律40二均匀物质的热力学性质50三单元系的相变40四多元系的复相平衡和化学平衡30五近独立粒子的最概然分布40六波耳兹曼统计50七玻色统计和费米统计50八系综理论20总计320课程考核方式1.考核方式：笔试；闭卷。2.成绩构成以期末考试成绩为主，结合平时成绩、课堂提问、作业、出勤等情况，综合给予评定。选用教材和参考书目［1］《热力学统计物理》，汪志诚编，高等教育出版社，2010；［2］《统计物理学》，苏汝铿编，复旦大学出版社，2004；［