《热力学与统计物理》课程教学大纲.docx
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《热力学与统计物理》课程教学大纲
《热力学与统计物理》课程教学大纲
课程名称：
热力学与统计物理 课程类别：
专业必修课
适用专业：
物理学 考核方式：
考试
总学时、学分：
56学时3.5学分 其中实验学时：
0 学时
一、 课程性质、教学目标
热力学与统计物理为高等师范本科物理专业的专业基础课。
热力学与统计物理学研究物质热运动的规律以及热运动对物质宏观性质的影响，是固体、液体、气体、等离子体理论和激光理论的基础之一。
该课程以由观察和实验总结出的几个基本定律为基础，经过严密的数学推理，来研究物性之间的关系；从物质的微观结构出发，依据微观粒子所遵循的力学规律，再用概率统计的方法求出系统的宏观性质及其变化规律；将热力学三个基本定律统一于一个基本的统计原理，并阐明三个定律的统计意义。
课程教学目标1：
掌握热现象与热运动的规律及其对物质的宏观性质的影响。
课程教学目标2：
掌握热力学与统计物理学处理问题的方法，提高分析问题与解决问题的能力，为以后解决实际问题打下基础。
课程教学目标3：
通过对热运动规律的学习，加深对物质热性质的理解，进一步培养辨证唯物主义世界观。
课程教学目标与毕业要求对应的矩阵关系
教学目标
毕业要求
1
2
3
4
5
6
7
8
9
教学目标1
H
L
教学目标2
L
L
H
H
教学目标3
M
L
M
注：
以关联度标识，课程与某个毕业要求的关联度可根据该课程对相应毕业要求的支撑强度来定性估计，H:
表示关联度高；M表示关联度中；L表示关联度低。
二、 课程教学要求
本课程分热力学与统计物理学两大部分。
宏观热力学部分：
在热力学第一、第二定律基础上，导出基本热力学关系，并将其应用于实际的宏观物质系统。
内容包括：
热力学的基本定律、均匀闭系的热力学关系及其应用、相平衡和化学平衡、非平衡态热力学简介。
统计物理学部分：
以量子论的观点，从等概率原理出发，导出最概然统计分布和系综统计分布，并分别将其应用于经典系统和量子系统。
内容包括：
统计物理学的基本概念、最概然统计法、系综统计法、涨落理论、非平衡态统计物理学简介。
三、 先修课程
力学、热学、电磁学、光学、原子物理学、理论力学
四、 课程教学重、难点
重点：
热力学第一、第二、第三定律。
热力学基本方程、麦氏关系、热力学偏导数的推导方法及具体应用。
多元均匀开放系统的热力学基本方程。
系统微观状态的描述、系统宏观状态的描述、系统的宏观态与微观态的关系；等概率原理。
三种统计分布律、三种分布与经典分布的关系、三种统计分布律在各种系统的应用。
统计系综、微正则系综、正则系综、巨正则系综等基本概念；正则分布及其热力学公式、巨正则分布及其热力学公式。
难点：
熵的概念的建立，熵的统计意义，熵增加的计算。
热力学偏导数的推导方法。
多元均匀开放系统的热力学基本方程、多元复相系的平衡条件。
系统的宏观态与微观态的关系。
用最概然统计法导出三种统计分布律及三种统计分布律在各种系统的应用。
Γ相空间、统计系综、微正则系综、正则系综、巨正则系综等基本概念；计算正则分布的能量涨落、巨正则分布的粒子数涨落和能量涨落、位形积分、第二维里系数，导出实际气体的状态方程。
五、 课程教学方法与教学手段
1.本课程根据不同的内容和不同的学生可分别采用讲授式、学导式、导学—学导式、问题教学模式等不同教学方式。
2.本课程根据不同的内容采用多媒体技术。
六、 课程教学内容
绪论（2学时）
1.教学内容：
本课程的研究对象、研究任务、研究方法、研究意义、前沿动态及如何学习本课程。
第一章热力学的基本定律（4学时）
1.教学内容：
（1）热力学的研究对象和方法、系统与外界；
（2）平衡态、温度、状态参量、状态方程；
（3）准静态过程和非静态过程、可逆过程与不可逆过程；
（4）功、热量、内能、热力学第一定律；
（5）热力学第二定律的两种表述、热力学第二定律的数学表述；
（6）克劳修斯等式与不等式、熵、熵增加原理；
（7）理想气体熵的表达式、熵差的计算、热力学基本方程。
2．重、难点提示
重点：
平衡态、功、热量、内能、熵等概念，热力学第一、第二、第三定律。
难点：
熵的概念的建立，熵的统计意义，熵增加的计算。
第二章均匀闭系的热力学关系及其应用（6学时）
1.教学内容：
（1）焓、自由能、吉布斯函数；
（2）热力学基本方程、麦氏关系、特性函数；
（3）热力学偏导数的推导方法；
（4）气体系统的热力学性质、气体的节流膨胀与绝热膨胀规律；
（5）平衡辐射场的热力学性质；
（6）磁介质系统的热力学性质、绝热去磁致冷原理；
（7）表面系统的热力学函数；
（8）热力学第三定律的表述和应用、热力学第三定律与绝对零度不能达到原理的等价性。
2．重、难点提示
重点：
焓、自由能、吉布斯函数、特性函数等基本概念；热力学基本方程、麦氏关系、热力学偏导数的推导方法及具体应用。
难点：
热力学偏导数的推导方法。
第三章相平衡和化学平衡（6学时）
1.教学内容：
（1）偏摩尔量、化学势、巨热力学势、多元均匀开放系统的热力学基本方程；
（2）平衡判据、热力学系统的平衡条件；
（3）平衡稳定性条件；
（4）相、相变、单元双相系的平衡、克拉珀龙方程、相图；
（5）气液二相的转变、范德瓦耳斯等温线、临界点；
（6）表面效应对相平衡的影响；
（7）二级相变；
（8）多元复相系的平衡条件、吉布斯相律；
（9）化学平衡条件、质量作用定律、范托夫方程。
2．重、难点提示
重点：
偏摩尔量、化学势、巨热力学势、相图等基本概念；多元均匀开放系统的热力学基本方程、克拉珀龙方程；平衡判据、热力学系统的平衡条件、多元复相系的平衡条件、吉布斯相律；单元双相系的平衡性质、气液二相的转变、范德瓦耳斯等温线。
难点：
偏摩尔量、化学势、巨热力学势；多元均匀开放系统的热力学基本方程、多元复相系的平衡条件。
第五章概率论的基本知识（2学时）
1.教学内容：
（1）乘法原理、排列、组合、三种粒子系统各自一个宏观态所对应的微观态数；
（2）概率论的基本概念；
（3）随机变量的概率分布及其数字特征、
维随机变量；
（4）二项分布、高斯分布、泊松分布。
2．重、难点提示
重点：
推求定域子、费米子、玻色子系统一个宏观态所对应的微观态数；随机变量的概率分布及其数字特征、
维随机变量。
难点：
推求定域子、费米子、玻色子系统一个宏观态所对应的微观态数二项分布、高斯分布、泊松分布。
第六章统计物理学的基本概念（4学时）
1.教学内容：
（1）统计物理学的研究对象和方法；
（2）经典粒子的特征及其状态的描述、量子粒子的特征及其状态的描述、经典描述与量子描述的关系、
空间、相体积、相格；
（3）系统微观状态的描述、系统宏观状态的描述、系统的宏观态与微观态的关系；
（4）等概率原理、统计平均值。
2．重、难点提示
重点：
系统微观状态的描述、系统宏观状态的描述、系统的宏观态与微观态的关系；等概率原理、计算统计平均值。
难点：
系统的宏观态与微观态的关系。
第七章最概然统计法（18学时）
1.教学内容：
（1）最概然统计法、三种统计分布律；
（2）单粒子的配分函数、热力学量的统计表达式；
（3）玻耳兹曼关系、熵的统计解释；
（4）三种分布与经典分布的关系、非简并性条件；
（5）单原子分子理想气体的热力学函数、分子的速度分布和位置分布；
（6）能量均分定理、固体热容量的爱因斯坦理论、气体热容量的量子理论；
（7）金属的自由电子气模型、费米能级、费米球；
（8）平衡辐射场、光子气体、普朗克公式、维恩公式、瑞利—金斯公式，维恩位移定律；
（9）固体热容量的德拜理论、声子及其性质、准粒子；
（10）玻色—爱因斯坦凝结、凝结温度。
2．重、难点提示
重点：
（1）最概然统计法、三种统计分布律、三种分布与经典分布的关系、单粒子的配分函数、热力学量的统计表达式、玻耳兹曼关系、熵的统计解释、能量均分定理、普朗克公式；
（2）三种统计分布律在各种系统的应用，如，单原子分子理想气体的热力学函数、分子的速度分布和位置分布、固体热容量的爱因斯坦理论、金属的自由电子气模型、固体热容量的德拜理论、光子、声子及其性质、准粒子、维恩公式、瑞利—金斯公式、维恩位移定律、玻色—爱因斯坦凝结、凝结温度。
难点：
用最概然统计法导出三种统计分布律及三种统计分布律在各种系统的应用。
第八章系综统计法（10学时）
1.教学内容：
（1）Γ相空间、统计系综；
（2）微正则系综、微观态数与热力学量的关系；
（3）正则系综、正则分布的热力学公式、正则分布的能量涨落；
（4）实际气体的状态方程、位形积分、梅逸函数、第二维里系数；
（5）巨正则系综、巨正则分布的热力学公式、巨正则分布的粒子数涨落和能量涨落。
2．重、难点提示
重点：
（1）Γ相空间、统计系综、微正则系综、正则系综、巨正则系综等基本概念；
（2）正则分布及其热力学公式、巨正则分布及其热力学公式；（3）计算正则分布的能量涨落、巨正则分布的粒子数涨落和能量涨落、位形积分、第二维里系数，导出实际气体的状态方程。
难点：
（1）Γ相空间、统计系综、微正则系综、正则系综、巨正则系综等基本概念；
（2）计算正则分布的能量涨落、巨正则分布的粒子数涨落和能量涨落、位形积分、第二维里系数，导出实际气体的状态方程。
第九章涨落理论（4学时）
1.教学内容：
（1）基本热力学量涨落的概率分布公式、热力学量涨落的计算；
（2）光的散射、丁铎尔现象、瑞利散射（或分子散射）；
（3）布朗离子位移的方均值、布朗运动与扩散的关系、散粒效应、约翰逊效应；
（4）涨落的空间相关性、涨落的时间相关性、耗散涨落定理。
2．重、难点提示
重点：
基本热力学量涨落的概率分布公式、热力学量涨落的计算、布朗离子位移的方均值、布朗运动与扩散的关系。
难点：
基本热力学量涨落的概率分布公式、热力学量涨落的计算、布朗离子位移的方均值、布朗运动与扩散的关系。
七、学时分配
章目
教学内容
教学环节
理论教学学时
实验教学学时
绪论
本课程相关信息
2
0
一
热力学的基本定律
4
0
二
均匀闭系的热力学关系及其应用
6
0
三
相平衡和化学平衡
6
0
五
概率论的基本知识
2
0
六
统计物理学的基本概念
4
0
七
最概然统计法
18
0
八
系综统计法
10
0
九
涨落理论
4
0
总计
56
0
八、课程考核方式
1.考核方式：
笔试；闭卷
2.成绩构成：
期末考试成绩+平时成绩
九、选用教材和参考书目
［1］《热力学·统计物理学》侯俊华，杨红萍.中国原子能出版社,2015年。
［2］《热力学与统计物理学》龚昌德编，高等教育出版社,1982年。
［3］《热力学与统计物理学》马本昆等编，高等教育出版社,1981年。
［4］《热力学·统计物理》汪志诚编，高等教育出版社,2013年。
［5］《统计物理现代教程》L.E．雷克..黄昀等译,科学出版社,1979年。
［6］《热学热力学统计物理》郑久任,周子舫编，科学出版社,2005年。
［7］《热力学与统计物理学》林宗涵编，北京大学出版社,2007年。
［8］《统计热力学》梁希侠，班士良编，科学出版社,2010年。
［9］《热力学与统计物理学简明教程》包景东编，高等教育出版社,2011年。
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