热力学与统计物理教学大纲

热力学与统计物理教学大纲课程名称：热力学与统计物理英文名称：Thermodynamics and statistic physics 课程性质：学科教育必修课课程编号：E121015所属院部：光电工程学院周学时：3学时总学时：45学时学 分：3学分教学对象(本课程适合的专业和年级) ：物理学专业(本科)2012级学生预备知识： 高等数学、概率统计、普物课程在教学计划中的地位作用：热力学统计物理课是物理专业学生的专业基础课，与理论力学、量子力学、电动力学共同构成物理专业重要的四门必修课，通常称为物理专业的四大力学课。热力学和统计物理的任务是研究热运动的规律，研究与热运动有关的物性及宏观物质系统的演化。本课程的作用是使学生掌握热力学与统计物理的基本原理和处理具体问题的一些重要方法，并初步具有用这些方法解决较简单问题的能力。教学方法： 以板书手段为主要形式的课堂教学。在课堂教学中，教师应精心组织教学内容，注重发挥学生在教学活动中的主体作用和教师的主导作用，注重采用多种教学形式提高课程教学质量。注意在学习中调动学生积极性和创造性，注重各种教学方法的灵活应用。教学目标与要求： 要求学生初步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，并对二者的特点与联系有一个较全面的认识同时注重对学生逻辑思维能力的培养，强调学生物理素养的生成和提高。课程教材：汪志诚主编. 热力学统计物理（第四版）.北京：高等教育出版社，2010年参考书目：1 苏汝铿主编. 统计物理学. 上海：复旦大学出版社，2004年2 王竹溪主编. 热力学简程. 北京：高等教育出版社，19643 王竹溪主编. 统计物理学导论. 北京：高等教育出版社，1956考核形式： 考核方式为考试。综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定，平时成绩不超过30，期末成绩不少于70%。 编写日期：2012年5月制定课程内容及学时分配（含教学重点、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，磁介质热力学等。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式，热力学量的统计表式，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，微正则分布及其热力学公式，正则分布及其热力学公式等。通过讲课、练习和实验，使学生达到各章中所提的基本要求，最终使学生掌握热力学与统计物理的基本理论和思想。教学时数具体分配： 教 学 内 容讲授实验/实践合计第一章 热力学的基本规律44第二章 均匀物质的热力学性质66第三章 单元系的相变66第四章 多元系的复相平衡和化学平衡33第六章 近独立粒子的最概然分布66第七章 波耳兹曼统计88第八章 玻色统计和费米统计88第九章 系综理论22复习22总计4545讲授大纲与各章的基本要求：第一章 热力学的基本规律 本章介绍热力学系统基本规律，属复习章节教学内容：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.简单了解理想气体温标 4.物态方程的表达式，并会学应用；5.热力学第一定律、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及其应用 6.热力学基本规律的统一方程热力学基本方程的意义及应用7.热力学中的过程量功、热量与状态量（热力学函数内能、焓、熵、自由能和吉布斯函数的区别与联系，并掌握其数学表达式 教学重点和难点：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.热力学第一定律、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及其应用3.热力学中的过程量功、热量与状态量（热力学函数内能、焓、熵、自由能和吉布斯函数的区别与联系，其数学表达式4.二元函数、偏导数循环关系、倒数关系及全微分性质在热力学中应用考核要求： 1.理解平衡态概念及其描述方法2.了解理想气体温标3.掌握物态方程的表达式，并会学应用4.掌握热力学第一定律、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及其应用 5.理解热力学基本方程的意义及应用6.了解热力学中的过程量功、热量与状态量（热力学函数内能、焓、熵、自由能和吉布斯函数）数学表达式学时数：4学时第二章 均匀物质的热力学特性本章掌握对均匀物质系统热力学特性的求解教学内容：1.热力学函数（U、H、F、G等）的定义式、全微分表达式、偏导数公式及对应麦氏关系，学会应用表格的方法总结归纳2.几个重要的辅助公式，如等容热、等匋热容的熵表达式，能态方程、焓态方程以及它们之间的关系3.用实验方法确定基本热力学函数（物态方程、内能U，熵S）的一般方法4.用理论方法确定热力学函数的方法特性函数法5.上述两种热力学理论方法在实际中的应用 教学重点和难点：1.热力学函数（U、H、F、G等）的定义式、全微分表达式、偏导数公式及对应的麦氏关系，学会应用表格的方法总结归纳； 2.几个重要的辅助公式，如等容热容、等压热容的熵表达式，能态方程、焓态方程以及它们之间的关系；3.用实验方法确定基本热力学函数（物态方程、内能U，熵S）的一般方法； 4.偏导数变换（麦氏关系）将不可测量（U、S、H、F、G）变换成可测量（T、P、V、Cv、Cp），学会用全微分条件得出各热力学量间的关系考核要求：1.理解热力学函数（U、H、F、G等）的定义式、全微分表达式、偏导数公式及对应的麦氏关系2.掌握用实验方法和理论方法确定基本热力学函数（物态方程、内能U，熵S）3.了解偏导数变换（麦氏关系）将不可测量（U、S、H、F、G）变换成可测量（T、P、V、Cv、Cp），会用全微分条件得出各热力学量间的关系教学时数：6学时第三章 单元系的相变本章主要介绍单元系的平衡判据和相变概念基本要求：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；闭系热力学平衡条件的推导2.开系的热力学基本方程的数学表达式，并结合熵判据得出开系的热力学平衡条件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 5.一级相变的特点和相变分类的方法； 教学重点和难点：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，学会用最基本的熵判据形式得出热力学平衡条件； 2.从气-液-固相图理解单元系的复相平衡条件及其性质； 3.一级相变的特点和相变分类的方法；考核要求：1.理解并掌握热力学平衡判据，用最基本的熵判据形式得出热力学平衡条件2.了解一级相变的特点和相变分类教学时数：6学时第四章 多元系的复相平衡和化学平衡本章主要介绍多元复相系的平衡条件和化学平衡条件以及热力学第三定律教学内容： 1.多元系的热力学函数和热力学方程的数学表达式； 2.并掌握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； 5.热力学第三定律的内容及其意义； 教学重点和难点：1.多元系的热力学函数和热力学方程的数学表达式； 2.吉布斯相律及其应用； 3.热力学第三定律的意义及绝对熵的表达式考核要求：1.掌握多元系的热力学函数和热力学方程的数学表达式2掌握多元单相系的平衡条件和多元复相系的平衡条件3.掌握吉布斯相律及其应用4.理解理想气体的化学平衡条件5.了解热力学第三定律教学时数：3学时第六章 近独立粒子的最概然分布本章主要介绍近独立粒子的微观状态数和最概然分布教学内容： 1.经典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.并掌握等概率原理的基本内容及其由概率法得到三种分布的方法 4.并牢记宏观分布与微观状态数的区别于联系 5.玻尔兹曼、玻色分布和费米分布的表达式及其相互之间转化的条件 教学重点和难点：1.学会并掌握经典与量子描述方法； 2.理解等概率的内容及其由概率法得到三种分布的方法； 3.掌握三种分布的表达式及相互转换之间的关系；考核要求：1.理解并掌握三种系统微观状态数的求解2.掌握玻尔兹曼、玻色分布和费米分布的表达式及其相互之间转化教学时数：6学时第七章 波尔兹曼统计本章主要介绍波尔兹曼系统统计表达式以及其应用教学内容： 1.热力学量的统计表达式的推导过程 2.配分函数在统计物理中作用及意义 3.理想气体配分函数，用配分函数推导理想气体物态方程、速度分布律及能量均分定理，掌握相应的解题方法 4.会应用理想气体内能和热容量的表达式和熵的表达式解题5.固体热容量的爱因斯坦理论的内容及其意义 6.顺磁性固体及负温度状态的简单知识教学重点和难点：1.热力学的统计表达式 2.理想气体物态方程的内容 3.固体热容量的爱因斯坦理论的内容及其意义4.顺磁性固体、负温度状态的简单知识 5.并掌握配分函数在统计物理中作用及意义考核要求：1.掌握波尔兹曼系统热力学量的统计表达式2.掌握麦克斯韦速度分布函数3.理解能量均分定理4.理解固体热容量的爱因斯坦理论教学时数：8学时第八章 玻色和费米统计本章主要介绍玻色和费米系统统计表达式以及相应系统的特性教学内容： 1.热力学量的统计表达式的推导过程 2.并掌握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和它与气液凝聚的区别 4.普朗克公式以及在不同频率区相应的两种表示形式，了解光子气体的能量密度 5.利用平衡热辐射过程推导热辐射定律 6.利用费米统计的相关特点讨论自由电子气的其它性质教学重点和难点：1.黑体辐射，光子气体的特性 2.普朗克公式，光子气体的能量密度 3.T=0K时金属中自由电子气有关热力学量的计算4.费米能级的概念考核要点：1.掌握热力学量的统计表达式的推导过程2.了解玻色爱因斯坦凝聚现象和它与气液凝聚的区别3.理解光子气体的能量密度4.掌握平衡热辐射过程推导热辐射定律5.了解自由电子气的其它性质教学时数：8学时第九章 系综理论本章主要介绍正则、微正则、巨正则分布在热力学中的应用教学内容： 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和适用条件 3.正则分布的热力学公式及简单应用 教学重点和难点：1.相空间及刘维尔定理内容2.正则分布、微正则分布、巨正则分布的区别于联系3.三种分布在热力学中的应用考核要求：1.掌握相空间及刘维尔定理2.理解正则分布、微正则分布、巨正则分布在热力学中的应用教学时数：2学时补充说明：本课程前五章介绍了热力学基本理论定律和应用，从宏观角度对热力学系统进行了讨论。立足于热力学三个定律，给出了具有普适应的定律和定理等，后五章则属于统计物理学内容，从围观角度对热力学系统进行了讨论，针对具体系统的具体特性进行了讨论，其基本出发点是宏观物理量是相应微观量的统计平均值。这两部分即是分别独立的又有着密切联系。在学习过程中应强调物理思想的体现，培养学生的逻辑思维能力和发现问题解决问题的能力。第五章和第十章为选修内容，由于学时限制不列为讲授内容，对又兴趣的同学可以个人讨论学习。