《热力学与统计物理学》课程教学大纲

《热力学与统计物理学》教学大纲课程名称：热力学与统计物理学英文名称：ThermodynamicsandStatisticalMechanics课程编号：F047091621学分：3总学时/课内实践学时：48/0课程性质：专业方向与拓展开课单位：数理科学与工程学院物理系基层教学组织适应对象：光电信息科学与工程一、课程简介热力学与统计物理学是应用物理学专业一门专业核心课程，是理论物理学的重要组成部分，是许多现代科学技术的基础。其内容涉及关于热现象的两种理论---热力学与统计物理学，前者为热现象的宏观理论，后者为微观理论，包括平衡态热力学、平衡态的统计理论(经典统计与量子统计)。通过本课程的学习，使学生初步掌握与热现象有关的、物质的宏观物理性质的唯象理论与平衡态统计理论，并对二者的特点与联系有一定的了解，掌握热力学与统计物理学的研究方法，了解当前热学的研究动态及进展，进一步提升对热现象、热运动规律的认识，培养科学思维和创新精神，为今后将从事的物理相关的研究、教学工作、继续学习以及进一步深造奠定基础。培养学生的科学思维和创新精神。该课程的考核方式为闭卷考试。授课时介绍最近几年我国在热物理学方面取得的伟大成就及面临的问题，增长知识见识的同时激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。二、课程目标通过本课程的学习，使学生对热学理论的掌握进一步深化，特别是学习微观理论上的统计物理学，帮助学生学习由大量微观粒子构成的热力学系统的统计规律，学习分析这类热力学系统的有效方法。为今后从事有关热物理的科学研究工作打下坚实的理论基础。1．注重科学思维方法训练和科学精神培养，提高学生分析问题和解决问题的的能力，培养科学的世界观、人生观、价值观。了解我国古人在热物理学中的伟大创举和当代中国科学家所取得的一系列成就，增长知识见识的同时激发学生科技报国的家国情怀和使命担当；2．具有较系统和完整地掌握热力学与统计物理学的基本理论、基本知识和基本技能；3．了解热物理学的理论前沿、发展动态、应用前景和面临的问题。三、课程目标与毕业要求对应关系本课程的课程目标对应用物理学专业毕业要求指标点的支撑情况如表1所示：表1课程目标与毕业要求对应关系毕业要求指标点课程目标毕业要求1：素质要求①1毕业要求2：知识要求①2毕业要求3：知识要求④3四、课程教学安排课程共有7项教学内容，具体安排如下。表2：课程教学安排表序号教学内容思政元素课堂教学学时实验/实践教学学时学时小计1热力学的基本定律科学精神培养82均匀物质的热力学性质爱国教育科学精神培养63单元系的相变爱国教育科学精神培养64多元系的复相平衡热力学第三定律科学精神培养45近独立粒子的最概然分布科学精神培养86玻尔兹曼统计爱国教育科学精神培养107费米统计和玻色统计科学精神培养6合计48教学安排热力学的基本定律教学要求：了解热力学的基本概念，熟练地掌握热力学平衡状态及其描述、热力学第零、第一和第二定律，以及热容量、焓、绝热方程和卡诺循环；熟练地掌握与物态方程有关的三个热力学系数，能用热力学方法求个别简单系统的物态方程；掌握准静态过程中功的表达式，能熟练地借助于过程方程或状态方程计算具体过程的功；掌握克劳修斯等式和不等式、熵的概念及其性质，掌握理想气体熵函数的表达式；掌握均匀封闭系热力学基本方程的一般形式，明确热力学基本方程的重要意义；掌握热力学第二定律的数学表述及熵增加原理，能用熵增加原理判断过程的方向，并讨论最大功问题；熟练地掌握系统在状态变化过程中熵的变化的计算方法；掌握自由能、吉布斯函数概念，理解最大功原理。教学内容：温度及物态方程，准静态功；热力学第一定律、第二定律；卡诺定理、热力学基本方程、熵增加原理和熵差的计算。重点难点：热力学第一定律、热力学第二定律和熵增加原理；热力学基本方程；熵差的计算；不可逆过程的判断。思政元素：通过焦耳持续几十年时间用电量热法和机械热量法等测量热功当量实验，表明只有持续不断地坚持探索，才能取得科学原理的突破和确立，并以此激发学生的学习热情。均匀物质的热力学性质教学要求：掌握均匀物质系统与内能、焓、自由能和吉布斯函数等热力学函数相关的热力学基本方程及系统各种平衡性质的关系，理解焓、自由能及吉布斯函数的物理意义。掌握具有单项功的一般系统的热力学关系；熟练地掌握特性函数的概念、麦氏关系及其应用，明确特性函数与热力学函数之间的区别和联系；掌握气体的节流过程与绝热膨胀过程；能确定简单系统的基本热力学函数，明确热力学函数方法应用的普遍性，熟悉并掌握热力学函数方法的特点；了解表面的热力学性质；掌握磁介质的热力学性质；掌握平衡辐射场的热力学性质。教学内容：内能、焓、自由能、吉布斯函数；热力学函数的全微分、麦克斯维关系、特性函数；节流膨胀过程与绝热膨胀过程，热辐射的热力学理论；热力学不等式与平衡判据。重点难点：热力学函数的全微分；特性函数、麦克斯维关系；麦克斯韦关系及其应用。思政元素：由热力学第二定律引出的熵增原理等热力学理论在其他学科中也有重要应用，如在城市发展规划和生态保护及规划中的应用，典型的理论有“耗散结构”、“信息熵”等等。在教学过程中，以资源型城市的转型发展规划，如煤炭资源城市生态的保护和规划发展等相关案例嵌入热力学的相关知识点，也可作为思政元素切入点引入课堂。拓展学生的知识面，培养学生运用理论知识分析和解决实际问题的能力。增长知识见识的同时激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。单元系的相变教学要求：掌握热力学系统的热动平衡判据，明确均匀系统的平衡条件和平衡的稳定性条件；掌握开放系的热力学基本方程，理解化学势的概念；掌握单元系的复相平衡条件和平衡性质；理解液、气两相的转变及范德瓦耳等温线，了解临界点的意义；掌握液滴的平衡条件与液滴的形成，理解亚稳态的概念，了解气泡形成；了解一级相变与二级相变的特征及几个典型例子。教学内容：热动平衡判据、热动平衡条件、热动平衡稳定性条件；开放系统的热力学基本公式；单元二相系的平衡、克拉珀龙方程；气、液平衡相变，临界现象；相变的分类。重点难点：热动平衡判据、热动平衡条件；克拉珀龙方程；相变的分类；热动平衡的稳定性条件。思政元素：讲解水的三相点时，介绍我国著名物理化学家黄子卿教授测到水的三相点(0.00980±0.00005)°C的相关故事。在当时的实验条件下，测定如此高的精度是非常不简单的。测到的水的三相点还作为热力学温标的基准点被国际上推崇，并作为通用的标准数据。此数据非常精确，获得美国国家标准局的认可，并以此为标准确立了绝对零度。成功源自艰辛地付出，源自严谨、科学的工作作风和探究精神，这也正是我们工作中需遵守的准则。此不仅激发了学生的学习热情，并且民族自豪感油然而生。多元系的复相平衡热力学第三定律教学要求：理解多元复相系热力学函数的一般性质，掌握多元系的热力学基本方程；明确多元系的复相平衡条件；理解相律及其应用；了解多元系的化学平衡条件；理解热力学第三定律，了解物质在低温下的一些极限性质。教学内容：多元系的复相平衡条件、多元系的复相平衡稳定性条件、相律、相图；热力学第三定律。重点难点：多元复相系的平衡条件、相律、相图；化学平衡条件；热力学第三定律；多元复相系的相图；热力学第三定律。近独立粒子的最概然分布教学要求：掌握粒子运动状态的经典描述与量子描述，正确理解μ空间；掌握系统微观运动状态的经典描述与量子描述；掌握等概率原理的意义，明确宏观量是微观量的统计平均值的意义；理解分布和微观状态的概念及三种系统的热力学概率公式；掌握玻耳兹曼分布、玻色分布及费米分布，正确理解微观态、宏观态和最概然分布的概念；掌握三种分布的关系、经典极限条件及其意义。教学内容：粒子运动状态的经典描述和量子描述，系统微观运动状态的描述；微观态分布、等概率原理；玻尔兹曼分布、费米分布和玻色分布；三种分布的关系。重点难点：等概率原理；玻尔兹曼分布、费米分布和玻色分布；三种分布的关系；粒子运动状态的经典描述和量子描述；系统微观运动状态的描述气体。玻尔兹曼统计教学要求：掌握定域系统和满足非简并性条件的非定域系统的热力学公式；掌握玻耳兹曼关系和熵函数的统计意义；了解用玻耳兹曼统计讨论理想气体物态方程的方法。教学内容：玻尔兹曼分布的统计规律及其热力学量的统计公式；理想气体的物态方程、能量均分定理、麦克斯维速度分布律，固体的热容量的爱因斯坦理论；理想气体内能、热容量和熵。重点难点：玻尔兹曼系统的热力学量统计公式；固体的热容量的爱因斯坦理论；固体热容量的爱因斯坦理论。思政元素：以钱学森回国早年在科学院讲授单原子分子理想气体配分函数的事例为切入点，从麦克斯韦-玻尔兹曼分布出发，板书推演单原子分子理想气体配函数，并借此讲述钱学森回国后对中国科学事业三个方面的贡献（工程物理学、理论物理学、思维科学），引导学生努力打好物理基础，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，进而为国家科技事业贡献力量。费米统计和玻色统计教学要求：掌握费米分布和玻色分布的统计规律及其热力学统计公式。了解金属中的自由电子，掌握理想玻色气体的性质。教学内容：费米分布和玻色分布的统计规律及其热力学统计公式；理想玻色气体，光子气体，玻色一爱因斯坦凝聚；理想费米气体，金属中的自由电子。重点难点：费米分布和玻色分布的热力学量统计公式；光子气体和金属中的自由电子气体；玻色一爱因斯坦凝聚；光子气体、金属中的自由电子气体。五、课内实践教学内容及要求无。六、课程考核与评价根据学生学习过程中的表现给出平时成绩，平时成绩占总成绩30%，平时成绩的依据是出勤、课堂表现、作业完成情况。本课程采用闭卷笔试方式进行考核，考试的卷面成绩也就是期末成绩，占总成绩的70%。具体见表3。表3：成绩评定方式表考核环节分值考核/评价细则出勤100以课上提问、点名、抽查的方式进行考勤，按35%计入平时成绩课堂表现100课堂上听课和课堂互动的参与情况，按30%计入平时成绩平时作业1