《热力学与统计物理学》课程教学大纲

《热力学与统计物理学》课程教学大纲课程编号：0613046课程总学时/学分：54学时/3学分（其中理论54学时，实验0学时）课程类别：专业限选课一、教学目的和任务《热力学与统计物理》是为物理学专业学生开设的一门重要基础理论课，是物理学专业主要骨干课程即理论物理学的四大分支之一。通过本课程的学习，要求学生初步掌握物质与热现象有关的宏观性质的唯象理论与统计理论，并对二者的特点与联系有一个较全面的认识，使学生对热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科学研究和技术工作打下坚实的基础。二、教学基本要求教学要求：学生应当掌握热力学的三个定律和统计物理的基本理论，会用来解决一些基本的和与专业有关的一些热运动方面的问题。掌握热力学的基本规律和统计物理的基本理论，理解系统的各种平衡条件和正则分布。教学重点：热力学的基本规律，热力学的三个定律，均匀物质的热力学性质，利用热力学函数判断系统的平衡条件、平衡稳定条件。等几率原理、由最概然统计方法导出玻尔兹曼统计、费米及波色统计的分布函数。课程地位：本课程在高等数学、普通物理学、数学物理方程之后，总课时54学时。为固体物理等后续课程的提供一定的理论基础。教学方法：采用启发式、提问式等教学方法，以多媒体为主，辅以板书相结合的教学手段。三、教学内容及学时分配第一章热力学的基本规律（10学时）教学要求：掌握热力学平衡态的物理图像和描述平衡态性质的方法；掌握热平衡定律的物理意义，温度定理、温标的概念和理想气体温标；掌握物态方程的概念和几种热力学系统的物态方程；掌握准静态过程的概念和几种简单热力学系统微功的表示及其含义；掌握热力学第一定律的物理意义，内能的含义；掌握热容量、比热、摩尔热容量的物理意义，焓的物理意义；了解焦耳实验的内容及其结论，掌握理想气体模型的内涵；掌握理想气体的绝热过程；了解热机的工作原理，掌握等温过程、绝热过程中的能量转化，热机的工作效率；掌握热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述的物理意义及其等价性；掌握可逆和不可逆过程的物理图像以及不可逆过程之间的关联；掌握卡诺定理的物理意义和证明方法；掌握热力学温标及其与理想气体温标的等价性；掌握如何运用卡诺定理证明克劳修斯等式和不等式，及其物理意义；掌握熵的定义以及如何通过可逆过程求不可逆过程熵变的思路；掌握理想气体熵的表达式；掌握热力学第二定律的数学表示方法以及熵增加原理的物理意义；掌握如何求不可逆过程熵的改变，掌握如何通过熵函数判断过程的方向；掌握自由能和吉布斯函数的物理意义。教学重点：热力学第二定律和热力学基本方程；内能、焓、熵、自由能和吉布斯函数。教学难点：熵增加原理以及不可逆过程的熵变。第二章均匀物质的热力学性质（6学时）教学要求：掌握闭系的热力学基本方程以及麦克斯韦关系；掌握运用麦克斯韦关系求热力学量之间关系的方法；掌握节流过程和绝热膨胀过程及其分析方法；掌握如何求热力学基本函数的方法；了解特性函数的重要性，掌握求特性函数的方法；掌握平衡辐射热力学系统的性质、辐射通量、辐射通量密度的物理意义。了解磁介质热力学的基本方程，以及任意简单系统麦克斯韦关系的求法。教学重点：热力学基本函数函数及其基本微分方程；麦克斯韦关系。教学难点：热力学基本函数及其基本微分方程和麦克斯韦关系的应用第三章单元系的相变（6学时）教学要求：掌握熵判据、自由能判据、吉布斯函数判据和能量判据，虚变动的处理方法；掌握开系的热力学基本方程，化学势的物理意义；掌握用热动平衡判据推导单元复相平衡条件和平衡稳定性条件的方法，并掌握平衡稳定性条件的物理意义；掌握两相平衡时系统的热力学性质以及克拉珀龙方程；了解气液两相转变的相图，会用范德瓦尔斯方程分析气液两相转变；掌握相变的分类和艾伦菲斯特公式；了解朗道连续相变理论的实质，掌握序参量的概念。教学重点：平衡判据，相平衡条件，开系的热力学方程教学难点：单元复相系的平衡条件；范德瓦尔斯方程分析气液两相转变第四章多元系的复相平衡和化学平衡（4学时）教学要求：了解多元系的热力学函数和热力学方程；了解多元系的平衡条件；掌握吉布斯相律的物理含义，了解化学平衡条件，质量作用定律，赫斯定律；掌握热力学定三定律。教学重点：吉布斯相律；热力学第三定律。教学难点：热力学第三定律第六章近独立粒子的最概然分布（8学时）教学要求：掌握粒子运动的经典描述和量子描述方法；掌握μ空间的概念和系统微观运动状态的描述方法，掌握粒子运动状态和系统微观运动状态的区别和联系；掌握等几率原理的含义；掌握分布的概念，最概然分布，以及分布与微观运动状态之间的关系；掌握玻尔兹曼系统的微观状态数以及玻尔兹曼分布；掌握玻色系统、费米系统的微观状态数，以及玻色分布和费米分布；掌握经典极限条件下三种分布之间的关系，三个系统微观状态数之间的关系。教学重点：系统微观运动状态的描述；分布和微观状态的关系；玻耳兹曼分布；玻色分布和费米分布教学难点：系统微观运动状态的描述；最概然分布；分布和微观状态的关系。第七章玻尔兹曼统计（8学时）教学要求：掌握配分函数及其物理意义，以及热力学量的统计表达式和求配分函数的方法；掌握利用配分函数求理想气体的物态方程的方法；掌握麦克斯韦速度、速率分布函数的物理含义；掌握最可几速率、平均速率和方均根速率的概念；掌握求气体分子碰壁数的方法；掌握能量均分定理及其适用条件，了解违背能量均分定理的几种现象的原因；利用能量均分定理分析理想气体的内能和热容量，掌握经典极限条件的意义；了解全同粒子不可分辨性对理想气体熵和化学势的影响；掌握固体热容量的爱因斯坦模型及结论，了解背离实验现象的原因。教学重点：热力学量的统计表达式；玻耳兹曼统计处理问题的方法。教学难点：理想气体的热力学量，固体爱因斯坦模型及其热容量。第八章玻色统计和费米统计（6学时）教学要求：了解玻色统计和费米统计的巨配分函数；了解产生玻色－爱意斯坦凝聚现象的原因，以及问题的处理方法；掌握普朗克公式的物理意义，求内能的一般方法，求辐射通量密度的方法；掌握零温时的费米分布函数，以及零温下求自由电子气体的热力学量的方法，了解有限温度下求配分函数的处理方法。教学重点：热力学量的统计表达式，应用量子统计的粒子模型。教学难点：玻色-爱因斯坦凝聚；金属中的自由电子气体。第九章系综理论（6学时）教学要求：掌握相互作用体系微观运动状态的描述方法，相空间、系综的概念；掌握刘维尔定理的物理意义。掌握微正则分布的定义，以及微正则分布的热力学公式；掌握正则分布的定义，以及正则分布函数和正则分布的热力学公式；了解德拜模型和固体热容量理论；掌握巨正则分布函数，以及巨正则分布的热力学公式。教学重点：相空间、系综的概念；统计系综分布函数；正则分布函数。教学难点：空间，系综，统计系综分布函数，决定分布函数的宏观条件四、推荐教材及参考书目推荐教材：汪志诚编.热力学·统计物理（第五版）.高等教育出版社，2013参考书目：[1]汪志诚编.热力学·统计物理学习辅导书（第五版）.高等教育出版社，2013[2]苏汝铿.统计物理学（第2版）.高等教育出版社，2013[3]F.瑞夫（美）.伯克利物理学教程（SI版）第5卷统计物理学.机械工业出版社，2014[4]周子舫，曹烈兆.热力·热力学与统计物理学（