《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》課程教學(xué)大綱

《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》課程教學(xué)大綱課程編號(hào)：0613046課程總學(xué)時(shí)/學(xué)分：54學(xué)時(shí)/3學(xué)分（其中理論54學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)0學(xué)時(shí)）課程類(lèi)別：專業(yè)限選課一、教學(xué)目的和任務(wù)《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》是為物理學(xué)專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要基礎(chǔ)理論課，是物理學(xué)專業(yè)主要骨干課程即理論物理學(xué)的四大分支之一。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生初步掌握物質(zhì)與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀性質(zhì)的唯象理論與統(tǒng)計(jì)理論，并對(duì)二者的特點(diǎn)與聯(lián)系有一個(gè)較全面的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生對(duì)熱學(xué)理論的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步深化，特別是建立在微觀理論上的統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，將幫助學(xué)生了解大量粒子所構(gòu)成的系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，并掌握分析這類(lèi)系統(tǒng)的有效方法，為今后從事有關(guān)熱現(xiàn)象的科學(xué)研究和技術(shù)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二、教學(xué)基本要求教學(xué)要求：學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握熱力學(xué)的三個(gè)定律和統(tǒng)計(jì)物理的基本理論，會(huì)用來(lái)解決一些基本的和與專業(yè)有關(guān)的一些熱運(yùn)動(dòng)方面的問(wèn)題。掌握熱力學(xué)的基本規(guī)律和統(tǒng)計(jì)物理的基本理論，理解系統(tǒng)的各種平衡條件和正則分布。教學(xué)重點(diǎn)：熱力學(xué)的基本規(guī)律，熱力學(xué)的三個(gè)定律，均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)，利用熱力學(xué)函數(shù)判斷系統(tǒng)的平衡條件、平衡穩(wěn)定條件。等幾率原理、由最概然統(tǒng)計(jì)方法導(dǎo)出玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)、費(fèi)米及波色統(tǒng)計(jì)的分布函數(shù)。課程地位：本課程在高等數(shù)學(xué)、普通物理學(xué)、數(shù)學(xué)物理方程之后，總課時(shí)54學(xué)時(shí)。為固體物理等后續(xù)課程的提供一定的理論基礎(chǔ)。教學(xué)方法：采用啟發(fā)式、提問(wèn)式等教學(xué)方法，以多媒體為主，輔以板書(shū)相結(jié)合的教學(xué)手段。三、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配第一章熱力學(xué)的基本規(guī)律（10學(xué)時(shí)）教學(xué)要求：掌握熱力學(xué)平衡態(tài)的物理圖像和描述平衡態(tài)性質(zhì)的方法；掌握熱平衡定律的物理意義，溫度定理、溫標(biāo)的概念和理想氣體溫標(biāo)；掌握物態(tài)方程的概念和幾種熱力學(xué)系統(tǒng)的物態(tài)方程；掌握準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的概念和幾種簡(jiǎn)單熱力學(xué)系統(tǒng)微功的表示及其含義；掌握熱力學(xué)第一定律的物理意義，內(nèi)能的含義；掌握熱容量、比熱、摩爾熱容量的物理意義，焓的物理意義；了解焦耳實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容及其結(jié)論，掌握理想氣體模型的內(nèi)涵；掌握理想氣體的絕熱過(guò)程；了解熱機(jī)的工作原理，掌握等溫過(guò)程、絕熱過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化，熱機(jī)的工作效率；掌握熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述和克勞修斯表述的物理意義及其等價(jià)性；掌握可逆和不可逆過(guò)程的物理圖像以及不可逆過(guò)程之間的關(guān)聯(lián)；掌握卡諾定理的物理意義和證明方法；掌握熱力學(xué)溫標(biāo)及其與理想氣體溫標(biāo)的等價(jià)性；掌握如何運(yùn)用卡諾定理證明克勞修斯等式和不等式，及其物理意義；掌握熵的定義以及如何通過(guò)可逆過(guò)程求不可逆過(guò)程熵變的思路；掌握理想氣體熵的表達(dá)式；掌握熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表示方法以及熵增加原理的物理意義；掌握如何求不可逆過(guò)程熵的改變，掌握如何通過(guò)熵函數(shù)判斷過(guò)程的方向；掌握自由能和吉布斯函數(shù)的物理意義。教學(xué)重點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律和熱力學(xué)基本方程；內(nèi)能、焓、熵、自由能和吉布斯函數(shù)。教學(xué)難點(diǎn)：熵增加原理以及不可逆過(guò)程的熵變。第二章均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)（6學(xué)時(shí)）教學(xué)要求：掌握閉系的熱力學(xué)基本方程以及麥克斯韋關(guān)系；掌握運(yùn)用麥克斯韋關(guān)系求熱力學(xué)量之間關(guān)系的方法；掌握節(jié)流過(guò)程和絕熱膨脹過(guò)程及其分析方法；掌握如何求熱力學(xué)基本函數(shù)的方法；了解特性函數(shù)的重要性，掌握求特性函數(shù)的方法；掌握平衡輻射熱力學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)、輻射通量、輻射通量密度的物理意義。了解磁介質(zhì)熱力學(xué)的基本方程，以及任意簡(jiǎn)單系統(tǒng)麥克斯韋關(guān)系的求法。教學(xué)重點(diǎn)：熱力學(xué)基本函數(shù)函數(shù)及其基本微分方程；麥克斯韋關(guān)系。教學(xué)難點(diǎn)：熱力學(xué)基本函數(shù)及其基本微分方程和麥克斯韋關(guān)系的應(yīng)用第三章單元系的相變（6學(xué)時(shí)）教學(xué)要求：掌握熵判據(jù)、自由能判據(jù)、吉布斯函數(shù)判據(jù)和能量判據(jù)，虛變動(dòng)的處理方法；掌握開(kāi)系的熱力學(xué)基本方程，化學(xué)勢(shì)的物理意義；掌握用熱動(dòng)平衡判據(jù)推導(dǎo)單元復(fù)相平衡條件和平衡穩(wěn)定性條件的方法，并掌握平衡穩(wěn)定性條件的物理意義；掌握兩相平衡時(shí)系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)以及克拉珀龍方程；了解氣液兩相轉(zhuǎn)變的相圖，會(huì)用范德瓦爾斯方程分析氣液兩相轉(zhuǎn)變；掌握相變的分類(lèi)和艾倫菲斯特公式；了解朗道連續(xù)相變理論的實(shí)質(zhì)，掌握序參量的概念。教學(xué)重點(diǎn)：平衡判據(jù)，相平衡條件，開(kāi)系的熱力學(xué)方程教學(xué)難點(diǎn)：?jiǎn)卧獜?fù)相系的平衡條件；范德瓦爾斯方程分析氣液兩相轉(zhuǎn)變第四章多元系的復(fù)相平衡和化學(xué)平衡（4學(xué)時(shí)）教學(xué)要求：了解多元系的熱力學(xué)函數(shù)和熱力學(xué)方程；了解多元系的平衡條件；掌握吉布斯相律的物理含義，了解化學(xué)平衡條件，質(zhì)量作用定律，赫斯定律；掌握熱力學(xué)定三定律。教學(xué)重點(diǎn)：吉布斯相律；熱力學(xué)第三定律。教學(xué)難點(diǎn)：熱力學(xué)第三定律第六章近獨(dú)立粒子的最概然分布（8學(xué)時(shí)）教學(xué)要求：掌握粒子運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典描述和量子描述方法；掌握μ空間的概念和系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述方法，掌握粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的區(qū)別和聯(lián)系；掌握等幾率原理的含義；掌握分布的概念，最概然分布，以及分布與微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系；掌握玻爾茲曼系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)以及玻爾茲曼分布；掌握玻色系統(tǒng)、費(fèi)米系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)，以及玻色分布和費(fèi)米分布；掌握經(jīng)典極限條件下三種分布之間的關(guān)系，三個(gè)系統(tǒng)微觀狀態(tài)數(shù)之間的關(guān)系。教學(xué)重點(diǎn)：系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述；分布和微觀狀態(tài)的關(guān)系；玻耳茲曼分布；玻色分布和費(fèi)米分布教學(xué)難點(diǎn)：系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述；最概然分布；分布和微觀狀態(tài)的關(guān)系。第七章玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)（8學(xué)時(shí)）教學(xué)要求：掌握配分函數(shù)及其物理意義，以及熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式和求配分函數(shù)的方法；掌握利用配分函數(shù)求理想氣體的物態(tài)方程的方法；掌握麥克斯韋速度、速率分布函數(shù)的物理含義；掌握最可幾速率、平均速率和方均根速率的概念；掌握求氣體分子碰壁數(shù)的方法；掌握能量均分定理及其適用條件，了解違背能量均分定理的幾種現(xiàn)象的原因；利用能量均分定理分析理想氣體的內(nèi)能和熱容量，掌握經(jīng)典極限條件的意義；了解全同粒子不可分辨性對(duì)理想氣體熵和化學(xué)勢(shì)的影響；掌握固體熱容量的愛(ài)因斯坦模型及結(jié)論，了解背離實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因。教學(xué)重點(diǎn)：熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式；玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)處理問(wèn)題的方法。教學(xué)難點(diǎn)：理想氣體的熱力學(xué)量，固體愛(ài)因斯坦模型及其熱容量。第八章玻色統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米統(tǒng)計(jì)（6學(xué)時(shí)）教學(xué)要求：了解玻色統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米統(tǒng)計(jì)的巨配分函數(shù)；了解產(chǎn)生玻色－愛(ài)意斯坦凝聚現(xiàn)象的原因，以及問(wèn)題的處理方法；掌握普朗克公式的物理意義，求內(nèi)能的一般方法，求輻射通量密度的方法；掌握零溫時(shí)的費(fèi)米分布函數(shù)，以及零溫下求自由電子氣體的熱力學(xué)量的方法，了解有限溫度下求配分函數(shù)的處理方法。教學(xué)重點(diǎn)：熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式，應(yīng)用量子統(tǒng)計(jì)的粒子模型。教學(xué)難點(diǎn)：玻色-愛(ài)因斯坦凝聚；金屬中的自由電子氣體。第九章系綜理論（6學(xué)時(shí)）教學(xué)要求：掌握相互作用體系微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述方法，相空間、系綜的概念；掌握劉維爾定理的物理意義。掌握微正則分布的定義，以及微正則分布的熱力學(xué)公式；掌握正則分布的定義，以及正則分布函數(shù)和正則分布的熱力學(xué)公式；了解德拜模型和固體熱容量理論；掌握巨正則分布函數(shù)，以及巨正則分布的熱力學(xué)公式。教學(xué)重點(diǎn)：相空間、系綜的概念；統(tǒng)計(jì)系綜分布函數(shù)；正則分布函數(shù)。教學(xué)難點(diǎn)：空間，系綜，統(tǒng)計(jì)系綜分布函數(shù)，決定分布函數(shù)的宏觀條件四、推薦教材及參考書(shū)目推薦教材：汪志誠(chéng)編.熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理（第五版）.高等教育出版社，2013參考書(shū)目：[1]汪志誠(chéng)編.熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理學(xué)習(xí)輔導(dǎo)書(shū)（第五版）.高等教育出版社，2013[2]蘇汝鏗.統(tǒng)計(jì)物理學(xué)（第2版）.高等教育出版社，2013[3]F.瑞夫（美）.伯克利物理學(xué)教程（SI版）第5卷統(tǒng)計(jì)物理學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社，2014[4]周子舫，曹烈兆.熱力·熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)（