物理学专业《热力学与统计物理》教学大纲

黄淮学院《热力学与统计物理》课程教学大纲

一、课程编码及课程名称 课程编码：3321320514

课程名称：热力学与统计物理 Thermodynamics and Statistical Physics 二、学时及学分

总学时数：72，其中，讲授学时：72。 学分：4 三、适用专业及开设学期

适用专业：物理学（本科） 开设学期：第5学期 四、课程的性质、目标和任务

本课程是高等院校本科物理学专业的一门专业基础课程。该课程由热力学和统计力学两部分内容组成，两者的任务都是研究热运动的规律，与热现象有关的物理性质和宏观物质系统的演化。前者关于热现象的宏观理论，后者是微观理论，是联系微观世界与宏观世界的桥梁。通过本课程的学习，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。要求学生掌握热统的基本概念、掌握基本定理、定律、基本公式、基本热力学量及它们相互推导。通过该课程的学习使学生初步建立分析微观世界的思路和方法，并培养学生分析问题、解决问题、进行创造性思维能力的培养，使理论分析能力得到必要的锻炼，为进一步学习打下牢固的基础。

五、课程教学的基本要求

在教学中，要注意培养学生的学习兴趣。由于本课程理论性较强，内容较抽象，学生在学习进程中容易感觉枯燥，故教学前要多查找资料，努力寻找理论与实际的结合点，并引导学生体验课程知识的系统性，对物理科学的系统性进行深层次认识。

六、课程教学内容

第一章 热力学的基本规律（共8学时）

（一）本章教学目的和要求

本章是热力学与统计物理学的基础，以热力学第一定律、热力学第二定律和热力学基本方程、热容量和焓、理想气体的内能为重点讲授内容；将热力学系统的平衡态及其描述、平衡定律和温度、物态方程、准静态功、热力学第一定律、绝热过程、卡诺循环作为课堂自学内容，这些内容在《热学》中都已学过。

（二）教学内容

1.1热力学系统的平衡态及其描述； 1.2平衡定律和温度； 1.3物态方程； 1.4功；

1.5热力学第一定律； 1.6热容量和焓；

1.7理想气体的内能； 1.8理想气体的绝热过程；

1.9理想气体的卡诺循环； 1.10热力学第二定律； 1.11卡诺定理； 1.12热力学温标；

1.13克劳修斯等式和不等式 1.14熵和热力学基本方程 1.15理想气体的熵

1.16热力学第二定律的数学表述 1.17熵增加原理的简单应用 1.18自由能和吉布斯函数 （三）重点与难点

重点：温度定理、物态方程、准静态过程中的微功、热力学第一定律、热力学过程、卡诺循环、热力学第二定律及其数学表述、不可逆过程、熵、熵增加原理、不可逆过程的熵变、自由能、吉布斯函数。

难点：实际气体物态方程、电磁介质的微功、不可逆过程、克劳修斯等式和不等式的证明、熵增加原理、通过可逆过程求不可逆过程熵变对外界的影响。

第二章 均匀物质的热力学性质 (共8学时)

（一）本章教学基本要求

通过本章教学，使学生了解内能、焓、自由能等基本热力学函数，掌握这些函数的意义、表达式，熟记并理解麦克斯韦关系，掌握运用麦氏关系求热力学量之间关系的方法，掌握节流过程和绝热膨胀过程及其分析方法，掌握如何求热力学基本函数的方法，了解特性函数的重要性，掌握求特性函数的方法。 （二）教学内容

2.1 内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分 2.2 麦克斯韦关系的简单应用 2.3 气体的节流过程和绝热膨胀过程 2.4 基本热力学函数的确定 2.5特性函数 （三）重点与难点

重点：麦氏关系、热力学函数、热力学量的求法。 难点：麦氏关系的运用。

第三章 单元系的相变 (共8学时)

（一）本章教学基本要求

通过本章教学，使学生掌握熵判据、自由能判据、吉布斯判据和能量判据，虚变动的处理方法；掌握开系的热力学基本方程，化学热的物理意义；掌握用热动平衡判据推导单元复相平衡条件和平衡稳定性条件的方法，并掌握平衡稳定性条件的物理意义；掌握两相平衡时系统的热力学性质及克珀龙方程。 （二）教学内容 3.1 热动平衡判据

3.2 开系的热力学基本方程

3.3 单元系的复相平衡条件 3.4 单元复相系的平衡性质 （三）重点与难点

重点：热动平衡判据、开系的基本方程、单元复相平衡条件和平衡稳定性条件。 难点：热动平衡判据、虚变动；平衡条件和平衡稳定条件的分析。

第四章 多元系的复相平衡和化学平衡能 (共4学时)

（一）本章教学基本要求

了解多元系的热力学函数和热力学方程，了解多元系的平衡条件，了解吉布斯相律的物理含义。

（二）教学内容

4.1 多元系的热力学函数和热力学方程 4.2 多元系的复相平衡条件 4.3 吉布斯相律 （三）重点与难点 重点：吉布斯相律。

第五章 不可逆过程热力学简介 （共4学时）

（一）本章教学基本要求

通过本章教学，使学生了解局域平衡的性质和含义，知道线性与非线性过程。 （二）教学内容

5.1 局域平衡 熵流密度与局域熵产生率 5.2 线性与非线性过程 昂萨格关系 （三）重点与难点

重点：局域平衡、线性与非线性关系。

第六章 近独立粒子的最概然分布（共10学时）

（一）本章教学基本要求

掌握粒子运动的经典描述和量子描述方法；掌握μ空间的概念和系统微观运动状态的描述方法；掌握粒子运动状态和系统微观运动状态的区别与联系；掌握等几率原理的含义；掌握分布的概念，最概然分布，以及分布与微观运动状态之间的关系；掌握玻称兹曼系统的微观状态数，和玻尔兹曼分布；掌握玻色系统、费米系统的微观状态数，以及玻色分布和费米分布；掌握经典极限条件下三种分布之间的关系，三个系统微观状态数之间的关系。

（二）教学内容

6.1 粒子运动状态的经典描述 6.2 粒子运动状态的量子描述 6.3 系统微观运动状态的描述

6.4 等概率原理 6.5 6.6 6.7 6.8

分布和微观状态 玻耳兹曼分布

玻色分布和费米分布 三种分布的关系

（三）重点与难点

重点：相空间，等几率原理，分布和微观运动状态的关系，玻尔兹曼分布、玻色、费米分布的微观状态数和分布函数，三者之间的关系，经典极限条件。

难点：等几率原理，最概然分布，玻尔兹曼分布、玻色、费米分布的微观状态数和三者之间的关系。

第七章 玻耳兹曼统计 （共12学时）

（一）本章教学基本要求

通过本章教学，使学生掌握配分函数及其物理意义，求配分函数的方法，麦克斯韦速度、速率分布函数，求气体分子碰壁数的方法、能量均分定理及其适用条件，利用能量均分定理分析理想气体的内能和热容量、固体热容量的爱因斯坦模型及结论、磁介质热力学性质等。

（二）教学内容

7.1 热力学量的统计表达式 7.2 理想气体的物态方程 7.3 麦克斯韦速度分布律 7.4 能量均分定理

7.5 理想气体的内能和热容量

7.6 理想气体的熵 （三）重点与难点 重点：配分函数及其求法、麦克斯韦速度、速率分布函数、能量均分定理及其适用条件。 难点：麦克斯韦速度、速率分布函数，如何判断系统是否满足经典极限条件。

第八章 玻色统计和费米统计 （共10学时）

（一）本章教学基本要求

通过本章教学，使学生掌握玻色统计和费米统计的巨配分函数，求和与积分的变换关系，掌握弱简并的概念，掌握普朗克公式的物理意义，求内能的一般方法。 （二）教学内容

8.1 热力学量的统计表达式 8.3 玻色-爱因斯坦凝聚 8.4 光子气体

8.5 金属中的自由电子气体 （三）重点与难点

重点：玻色统计和费米统计的巨配分函数，求和与积分的变换关系。 难点：求和与积分的变换关系。