热力学统计物理教学大纲

#《热力学・统计物理》课程教学大纲课程名称：热力学•统计物理 课程编码：学时：72 学分：4开课学期：第四学期课程类别：学科平台课程课程性质：必修课适用专业：应用物理学先修课程：力学、热学、原子物理，高等数学一、课程的性质、目的与任务热力学与统计物理是研究物质热现象和热运动规律理论的物理课程。 它是微观理论研究和宏观应用之间的一座桥梁，前者采用宏观的研究方法，后者采用微观的研究方法。两种方法相辅相成，取长补短。本门课程的学习内容主要有：热力学的基本规律；均匀物质的热力学性质；单元系的相变；多元系的复相平衡和化学平衡； ；近独立粒子的最概然分布；玻耳兹曼统计；玻色统计和费米统计；系综理论； 。通过本门课程的学习，使学生能够掌握这两种研究方法，为今后的进一步学习与研究打下必要的基础。二、教学内容及基本要求第一章热力学的基本规律教学目的和要求：了解热力学系统的平衡态及其描述、热平衡定律和温度、理想气体的内能和绝热过程、理想气体的卡诺循环、自由能和吉布斯函数理解物态方程、功、热力学第二定律、热容量和焰、热力学温标掌握热力学第一定律、卡诺定律、克劳修斯等式和不等式、嫡和热力学基本方程、理想气体的嫡、热力学第二定律的普遍表述、嫡增加原理的的简单应用教学重点和难点：热力学第一定律和物态方程，克劳修斯等式与不等式，热力学基本方程。教学方法与手段：传统教学与学生自学相结合第一节热力学系统的平衡状态及其描述第二节热平衡定律和温度第三节物态方程第四节功第五节热力学第一定律第六节热容量和烙第七节理想气体的内能第八节理想气体的绝热过程第九节理想气体的卡诺循环第十节热力学第二定律第十一节卡诺定理第十二节热力学温标第十三节克劳修斯等式与不等式第十四节嫡和热力学基本方程第十五节理想气体的嫡第十六节热力学第二定律的表述第十七节嫡增加原理的简单应用第十八节自由能和吉布斯函数复习与作业要求：完成课后相关习题。考核知识点：嫡增加原理的应用，理想气体的嫡。辅助教学活动：课前课后答疑及讲解相关习题。第二章均匀物质的热力学性质教学目的和要求：了解磁介质的热力学、低温的获得、气体的绝热膨胀过程，掌握内能、烙、自由能和吉布斯函数的全微分、麦氏关系的简单运用、气体的节流过程、基本热力学函数的确定、特性函数、平衡辐射的热力学教学重点和难点：迈克斯韦关系式的应用，特性函数，基本热力学函数的表达式。教学方法与手段：多媒体课件授课与学生自学相结合第一节内能、烙、自由能和吉布斯函数的全微分第二节麦氏关系的简单应用第三节气体的节流过程和绝热膨胀过程第四节基本热力学函数的确定第五节特性函数第六节热辐射的热力学函数第七节磁介质的热力学第八节获得低温的方法复习与作业要求：完成课后相关习题。考核知识点：麦克斯韦关系式的应用、特性函数、平衡辐射热力学。辅助教学活动：课前课后答疑及相关习题讲解。第三章单元系的相变教学目的和要求：掌握热动平衡的判据、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，了解单元复相系的性质、临界点和气液两相的转变、液滴的形成。教学重点和难点：热动平衡判据，开系的热力学基本方程、复相平衡条件，克拉珀龙方程，液滴的形成。教学方法与手段：多媒体课件授课与学生自学相结合第一节热动平衡判据第二节开系的热力学基本方程第三节单元系的复相平衡条件第四节单元复相系的平衡性质第五节临界点和气液两相的转变第六节液滴的形成复习与作业要求：完成课后相关习题。考核知识点：克拉珀龙方程、热力学基本方程、复相平衡条件。辅助教学活动：课前课后答疑及相关习题讲解。第四章多元系的复相平衡和化学平衡教学目的和要求：了解多元系的复相平衡条件，掌握吉布斯相律，理解热力学第三定律的实质，了解混合理想气体的性质。教学重点和难点：吉布斯相律，混合理想气体的性质，热力学第三定律。教学方法与手段：多媒体课件授课与学生自学相结合第一节多元系的热力学函数和热力学方程第二节多元系的复相平衡条件第三节吉布斯相律第四节二元系相图举例第六节混合理想气体的性质第八节热力学第三定律复习与作业要求：完成课后相关习题。考核知识点：多元系的复相平衡条件、吉布斯相律。辅助教学活动：课前课后答疑及相关习题讲解。第六章近独立粒子的最概然分布教学目的和要求：了解粒子运动状态的经典描述方法，了解系统微观状态的经典描述方法，理解等概率原理，理解粒子和系统的微观状态的量子描述，掌握三种分布的推导及其关系。教学重点和难点：粒子和系统微观运动状态的量子描述，三种系统的分布对应的系统微观状态数目的计算，三种最概然分布的推导。教学方法与手段：多媒体课件授课与学生自学相结合第一节粒子运动状态的经典描述第二节粒子运动状态的量子描述第三节系统微观运动状态的描述第四节等概率原理第五节分布和微观状态第六节玻尔兹曼分布第七节玻色分布和费米分布第八节三种分布的关系复习与作业要求：完成课后相关作业。考核知识点：最概然分布的推导。辅助教学活动：课前课后答疑及相关习题讲解。第七章玻尔兹曼分布教学目的和要求：掌握热力学量的统计表达式，掌握理想气体的物态方程，掌握麦克斯韦速度分布律，理解能量均分定律、理想气体的内能与热容量、 理想气体的嫡，了解固体热容量爱因斯坦理论、负温度状O教学重点和难点：迈克斯韦速度分布率，能量均分定理，理想气体的内能、热容量和嫡。教学方法和手段：多媒体课件授课与学生自学相结合第一节热力学量的统计表达式第二节理想气体的物态方程第三节迈克斯韦速度分布率第四节能量均分定理第五节理想气体的内能和热容量第六节理想气体的嫡第七节固体热容量的爱因斯坦理论第八节顺磁性固体第九节负温度状态复习与作业要求：完成课后相关作业。考核知识点：遵从玻尔兹曼分布系统的热力学表达式、迈克斯韦速度分布率。辅助教学手段：课前课后答疑及相关习题讲解。第八章玻色统计和费米统计教学目的和要求：掌握遵从玻色分布和费米分布系统的热力学量的统计表达式，掌握费米气体，光子气体，金属中的自由电子气体，了解玻色-爱因斯坦凝聚，负温度状态，了解白矮星。教学重点和难点：光子气体，玻色-爱因斯坦凝聚，自由电子气体。教学方法和手段：多媒体课件授课与学生自学相结合第一节热力学量的统计表达式第二节弱简并理想玻色气体和费米气体第三节玻色-爱因斯坦凝聚第四节光子气体第五节金属中的自由电子气体第六节白矮星复习与作业要求：完成课后相关作业。考核知识点：热力学量的统计表达式、光子气体、自由电子气体。辅助教学手段：课前课后答疑及相关习题讲解。第九章系综理论教学目的和要求：掌握（系统）相空间、正则分布、微正则分布、巨正则分布的概念，掌握三种分布的热力学公式，了解三种分布的简单应用。教学重点和难点：刘维尔定理，三种系综的热力学公式，固体的热容量，三种分布的简单应用。教学方法和手段：多媒体课件授课与学生自学相结合第一节相空间刘维尔定理第二节微正则分布第三节微正则分布的热力学公式第四节正则分布第五节正则分布的热力学公式第七节固体的热容量第十节巨正则分布第十一节巨正则分布的热力学公式第十二节巨正则分布的简单应用。复习与作业要求：完成课后相关作业。考核知识点：三种系综的概念、三种系综的热力学公式、正则分布与巨正则分布的简单应用。辅助教学手段：课前课后答疑及相关习题讲解。三、课程教学的特色说明热力学与统计物理学，在物理学和应用物理学专业的教学计划中是一门重要的专业必修课，其目标定位是：通过对本课程的学习，使学生明晰热力学与统计物理学在整个物理学中的学科地位，牢固掌握热力学与统计物理学的基本原理、基本理论框架和知识要点，以及运用热力学和统计物理基本思想和知识解决实际问题的技能和方法，提高学生的实际应用能力。基于这一思想，本课程在理论教学的过程中，采用理论联系实际的讲授方法， 目的在于让学生掌握基本基础知识，重点放在知识应用和学生创新意识的培养上，以提高学生基本科学知识和创新意识四、考试大纲.考试的目的与作用了解学生对《热力学统计物理学》所涉及的热力学和统计物理学的基本概念、基本原理和基本规律的掌握情况。通过对考试结果的分析，找出教师在教学中需要改进的不足之处，以利于以后的教学。.考核内容与考核目标考试内容：热力学的基本规律，均匀物质的热力学性质，单元系的复相平衡，多元系的复相平衡和化学平衡，近独立粒子系统的经典统计理论，玻耳兹曼统计，玻色统计和费米统计理论考核目标：识记相关概念，理解各原理定律的含义，能应用相关关系式进行计算和综合分析。.主要参考书(1)新概念物理教程热学.赵凯华、罗蔚茵.高等教育出版社，1998年第1版(2)物理学大题典-热学热力学统计物理.张永德主编.科学出版社， 2005第一版.课程考试内容与教材的关系.分章节的考核知识点第一章热力学的基本规律热力学基本概念，热力学第一定律，卡诺定理 ，热力学第二定律的实质，嫡和嫡增加原理，热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述，计算准静态过程功、热量和不可逆过程嫡变 基本微分方程。第二章均匀物质的热力学性质基本热力学函数，特性函数，由基本热力学关系和麦氏关系导出其他热力学性质和关系。第三章单元系的相变热动平衡条件，开放系的热力学基本方程，单元系和多元系复相平衡，推导球形液面内外压强差的公式，第四章多元系的复相平衡和化学平衡 热力学第三定律热动平衡判据，开放系的热力学基本方程， 复相系的热学、力学和相平衡，平衡稳定性条件。第六章近独立粒子的最概然分布粒子运动状态、系统微观状态和宏观分布之间的区别和联系，玻耳兹曼、玻色和费米系统的宏观分布所对应的微观状态数，导出的近独立粒子的玻耳兹曼分布

第七章玻耳兹曼统计玻耳兹曼统计热力学量统计表达式，自由度的概念和能量按自由度均分定理，在平衡态下气体分子速率分布的规律性。理想气体的经典统计理论，固体热容量。第八章玻色统计和费米统计微观状态和分布，热力学公式，金属自由电子气，光子气体，玻色-爱因斯坦凝聚第九章系综理论三种系综的概念，三种分布的热力学关系式，正则和巨正则分布的简单应用。.题目类型、考核方法考核方式：闭卷、笔试，题目类型：计算，证明.考试时间：考试时间为2小时.成绩评定办法：平时成绩（到课情况和作业） 20%;期末考试80%五、课程主要参考书1新概念物理教程热学.赵凯华、罗蔚茵.高等教育出版社，1998年第1版2物理学大题典-热学热力学统计物理. 张永德主编.科学出版社，2005第一版制定（修订）人：杨培霞制定（修订）时间：2013.3审核人：审核时间:批准人：批准时间:附表:教学安排及方式附表:教学环节教学时数课程内容讲课实验习题课其它小计热力学的基本规律（1.1~1.6）22A章热力学的基本规律（1.7~1.12）22A章热力学的基本规律（1.13~1.18）22第二章均匀物质的热力学性质（2.1~2.2）22第一章均匀物质的热力学性质（2.4~2.6）22第一章均匀物质的热力学性质（2.3、2.7、2.8）22习题课22第三章单元系的相变（3.1~3.3）22第三章单元系的相变（3.4~3.5）22第三章单元系的相变（3.5~3.6）22第四章多元系的复相平衡和化学平衡（4.1~4.2）22第四章多元系的复相平衡和化学平衡（4.3~4.4）22第四章多元系的复相平衡和化学平衡（4.6、4.8）22习题课22第六章近独立粒子的最概然分布（6.1~6.2）22第六章近独立粒子的最概然分布（6.2~6.3）22第六章近独立粒子的最概然分布（6.4~6.5）22第六章近独立粒子的最概然分布（6.6~6.8）22第六章近独立粒子的最概然分布习题课22第七章波耳兹曼统计（7.1、7.2）22

第七章波耳兹曼统计（7.3、7.4）22第七章波耳兹曼统计