熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué).doc

熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué) (專業(yè)限選課) Thermodynamics and statistical physics以下部分標(biāo)題填寫用黑體五號(hào)字體，具體填寫內(nèi)容字體為宋體五號(hào)）【課程編號(hào)】xz26390【課程類別】專業(yè)限選【學(xué)分?jǐn)?shù)】3.5【編寫日期】2010.3.30【學(xué)時(shí)數(shù)】66=60+6【先修課程】高數(shù)、熱學(xué)【適用專業(yè)】物理學(xué) 一、教學(xué)目的、任務(wù)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是高等院校物理專業(yè)一門基礎(chǔ)的專業(yè)理論課，是研究熱運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的物性及宏觀物質(zhì)系統(tǒng)的演化的科學(xué)。學(xué)習(xí)本課程的主要目的是:了解熱力學(xué)的基本概念,掌握熱力學(xué)的三個(gè)基本定律,并能熟練應(yīng)用了解統(tǒng)計(jì)物理的基本概念,掌握和區(qū)分三種基本統(tǒng)計(jì)的核心內(nèi)容。通過該課程的學(xué)習(xí)初步建立分析微觀世界的思路和方法,培養(yǎng)學(xué)生分析問題,解決問題,進(jìn)行創(chuàng)造性思維的能力,為本專業(yè)后續(xù)課程打下良好基礎(chǔ)。二、課程教學(xué)的基本要求熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理都是研究有關(guān)熱現(xiàn)象的理論.熱力學(xué)是宏觀理論,統(tǒng)計(jì)物理是微觀理論,兩種方法相輔相成,相互融會(huì)貫通,取長(zhǎng)補(bǔ)短,應(yīng)使學(xué)生掌握這兩種研究方法,并受到足夠的訓(xùn)練.二者不同之處在于采用了不同的出發(fā)點(diǎn),因而也就決定了采用不同的處理問題的方法.該課程是物理專業(yè)重要的理論基礎(chǔ)課程.通過該課程的學(xué)習(xí)是學(xué)生初步建立分析微觀世界的思路和方法,并培養(yǎng)學(xué)生分析問題,解決問題,進(jìn)行創(chuàng)造性思維的能力。三、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配 8 + 6 + 6 + 4 + 6+ 8 + 12 + 8 + 8 = 66第一章熱力學(xué)的基本規(guī)律 8學(xué)時(shí)（課堂講授學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：1 熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)及其描述(熱力學(xué)系統(tǒng)，外界，孤立系，閉系，開系，熱力學(xué)平衡態(tài)，狀態(tài)參量，狀態(tài)函數(shù)，簡(jiǎn)單系統(tǒng)，相與相變)2 熱平衡定律和溫度(溫度，熱平衡，熱平衡定律，溫標(biāo)，溫度計(jì)，理想氣體溫標(biāo))3 物態(tài)方程(物態(tài)方程，體脹系數(shù)，壓強(qiáng)系數(shù)，等溫壓縮系數(shù)，理想氣體物態(tài)方程，范氏方程，居里定律，廣延量和強(qiáng)度量)4 功(準(zhǔn)靜態(tài)過程，表面薄膜，電介質(zhì)，磁介質(zhì))5 熱力學(xué)第一定律(絕熱過程，內(nèi)能，熱量)6 熱容量和焓(熱容量，比熱，焓)7 理想氣體的內(nèi)能(焦耳系數(shù)，焦耳定律，絕熱指數(shù))8 理想氣體的絕熱過程(絕熱過程，絕熱方程)9 理想氣體的卡諾循環(huán)(卡諾循環(huán)，熱功轉(zhuǎn)換效率)10 熱力學(xué)第二定律(熱力學(xué)第二定律的克氏說法和開氏說法，第二類永動(dòng)機(jī)，可逆過程)11卡諾定理(卡諾定理的導(dǎo)出與意義)12 熱力學(xué)溫標(biāo)(熱力學(xué)溫標(biāo)定義與實(shí)現(xiàn))13 克勞修斯等式和不等式(克勞修斯等式和不等式導(dǎo)出與意義)14 熵和熱力學(xué)基本方程(熵，熱力學(xué)基本方程)15 理想氣體的熵(理想氣體的熵和熵變)16 熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表述(熱力學(xué)第二定律的普遍表述，熵增加原理)17 熵增加原理的簡(jiǎn)單應(yīng)用(熵增加原理的應(yīng)用)18 自由能和吉布斯函數(shù)(自由能，最大功定理，吉布斯函數(shù))教學(xué)要求：1、熟練掌握熱力學(xué)的有關(guān)基本概念2、熟練掌握溫度、物態(tài)方程的定義及應(yīng)用3、牢固掌握熱力學(xué)第一、二定律及其應(yīng)用4、確切理解和掌握卡諾定理及熱力學(xué)溫標(biāo)5、確切理解和掌握熵的定義、熵的性質(zhì)和熵增加原理，熟練掌握熵的計(jì)算第二章 均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì) 6學(xué)時(shí)（課堂講授學(xué)時(shí)）1內(nèi)能,焓,自由能和吉布斯函數(shù)的全微分(全微分條件，內(nèi)能的全微分，焓的全微分，自由能和吉布斯函數(shù)的全微分)2麥?zhǔn)详P(guān)系的應(yīng)用(麥?zhǔn)详P(guān)系，焦耳系數(shù)的計(jì)算，焦湯系數(shù)的計(jì)算，定壓熱容量與定容熱容量的關(guān)系)3氣體的節(jié)流膨脹與絕熱膨脹(節(jié)流過程，焦湯效應(yīng)，反轉(zhuǎn)曲線，絕熱膨脹過程)4基本熱力學(xué)函數(shù)的確定(內(nèi)能的確定，熵的確定，其他熱力學(xué)函數(shù)的確定)5特性函數(shù)(特征函數(shù)的概念，典型特征函數(shù)，表面系統(tǒng))6熱輻射的熱力學(xué)理論(平衡輻射，平衡輻射的熱力學(xué)函數(shù)，斯特藩-玻爾茲曼定律)7磁介質(zhì)的熱力學(xué)* 8獲得低溫的方法教學(xué)要求：1、牢固掌握四個(gè)熱力學(xué)基本方程2、牢固掌握四個(gè)麥?zhǔn)详P(guān)系并能熟練應(yīng)用3、確切理解與掌握熱力學(xué)函數(shù)及特性函數(shù)的性質(zhì)與確定4、理解節(jié)流過程和絕熱膨脹過程的特點(diǎn)與性質(zhì)。了解低溫是如何獲得的。5、了解平衡輻射和磁介質(zhì)的熱力學(xué)。第三章單元系的相變 6學(xué)時(shí)（課堂講授學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：1熱動(dòng)平衡判據(jù)(自由能判據(jù)和吉布斯判據(jù)，平衡的穩(wěn)定性)2開系的熱力學(xué)基本方程(化學(xué)勢(shì)，開系的熱力學(xué)基本方程)3單元系的復(fù)相平衡條件(單元系的復(fù)相平衡條件，不平衡時(shí)的演化方向)4單元復(fù)相系的平衡性質(zhì)(臨界點(diǎn)，克拉珀龍方程，蒸氣壓方程)5臨界點(diǎn)和氣液兩相的轉(zhuǎn)變6液滴的形成7相變的分類(連續(xù)相變，愛倫費(fèi)斯特方程)*8臨界現(xiàn)象和臨界指數(shù)*9朗道連續(xù)相變理論教學(xué)要求：1、掌握平衡判據(jù)的方法2、確切理解和掌握開放系的熱力學(xué)基本方程3、確切理解和掌握復(fù)相平衡條件和平衡性質(zhì)4、正確理解和掌握氣液兩相轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)與性質(zhì)以及液滴形成的過程與條件5、了解相變的定義及其分類第四章 多元系的復(fù)相平衡和化學(xué)平衡 4 學(xué)時(shí)（課堂講授學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：1多元系的熱力學(xué)函數(shù)和熱力學(xué)方程(齊次函數(shù)的歐拉定理，偏摩爾量，多元系的熱力學(xué)基本方程)2多元系的復(fù)相平衡條件(多元系的復(fù)相平衡條件，不平衡時(shí)的演化方向)3吉布斯相律(摩爾分?jǐn)?shù)，吉布斯相律)*4二元系相圖舉例*5化學(xué)平衡條件(單相化學(xué)反應(yīng)方程，化學(xué)平衡條件，反應(yīng)度)*6混合理想氣體的性質(zhì)(分壓，道爾頓分壓定律，混個(gè)理想氣體的物態(tài)方程，混合理想氣體的熱力學(xué)函數(shù))*7理想氣體的化學(xué)平衡(平衡常量，質(zhì)量作用律，平衡反應(yīng)度的計(jì)算) 8熱力學(xué)第三定律(能斯特定理，絕對(duì)零度不能達(dá)到原理，絕對(duì)熵)教學(xué)要求：1.準(zhǔn)確掌握多元系的熱力學(xué)函數(shù)和熱力學(xué)方程。2.確切掌握和理解多元復(fù)相系平衡條件3.確切理解吉布斯相律4.掌握理解混合理想氣體的性質(zhì)5.準(zhǔn)確理解和掌握熱力學(xué)第三定律第五章 不可逆過程熱力學(xué)簡(jiǎn)介 6 學(xué)時(shí)（課堂講授學(xué)時(shí)+課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)） 主要內(nèi)容：1局域平衡 熵流密度和局域熵產(chǎn)生率2 線性與非線性過程 昂薩格倒易關(guān)系3溫差電現(xiàn)象4最小熵產(chǎn)生定理5化學(xué)反應(yīng)與擴(kuò)散過程6非平衡系統(tǒng)在非線性區(qū)的發(fā)展判據(jù)7三分子模型與耗散結(jié)構(gòu)的概念教學(xué)要求： 掌握局域平衡 熵流密度和局域熵產(chǎn)生率。其它教學(xué)環(huán)節(jié)：2學(xué)時(shí) 習(xí)題第六章 近獨(dú)立粒子的最概然分布 8 學(xué)時(shí)（課堂講授學(xué)時(shí)） 主要內(nèi)容：1粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的經(jīng)典描述(廣義坐標(biāo)和廣義動(dòng)量，J空間，準(zhǔn)自由粒子，線性諧振子)2粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子描述(波粒二象性，德布羅意關(guān)系，量子態(tài)和量子數(shù)，兼并度，相格)3系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述(全同粒子，近獨(dú)立粒子，全同性原理，經(jīng)典粒子和玻爾茲曼系統(tǒng)，玻色子和玻色系統(tǒng)，費(fèi)米子和費(fèi)米系統(tǒng))4等概率原理(統(tǒng)計(jì)平均值，等概率原理)5分布和微觀狀態(tài)(分布，微觀狀態(tài)數(shù)，經(jīng)典極限條件)6玻耳茲曼分布(最概然分布，拉格朗日未定乘子法，玻爾茲曼分布)7玻色分布和費(fèi)米分布(玻色分布，費(fèi)米分布)8三種分布的關(guān)系(經(jīng)典極限條件下的玻色分布和費(fèi)米分布，定域系統(tǒng))教學(xué)要求：1.理解與掌握微觀運(yùn)動(dòng)態(tài)是如何描述的。2.理解玻爾茲曼分布的推導(dǎo)過程，牢固掌握玻爾茲曼分布. 3.理解玻色分布和費(fèi)米分布的推導(dǎo)過程，牢固掌握玻色分布和費(fèi)米分布。4.確切理解三種分布的關(guān)系，掌握它們過度的條件。第七章 玻耳茲曼統(tǒng)計(jì) 12 學(xué)時(shí)（課堂講授學(xué)時(shí)+課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)） 主要內(nèi)容：1熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式(粒子配分函數(shù)，內(nèi)能，廣義力和熵的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式，玻爾茲曼關(guān)系)2理想氣體的物態(tài)方程(理想氣體的物態(tài)方程，經(jīng)典極限條件)3麥克斯韋速度分布律(麥克斯韋速度分布律，氣體分子的速率分布，最概然速率、平均速率和方均根速率)4能量均分定理(能量均分定理及其適用范圍，杜隆-珀蒂定律，瑞利金斯公式)5理想氣體的內(nèi)能和熱容量(單原子分子理想氣體的內(nèi)能和熱容量，雙原子分子理想氣體的內(nèi)能和熱容量)6理想氣體的熵(單原子分子理想氣體的熵和化學(xué)勢(shì))*7固體熱容量的愛因斯坦理論(固體熱容量的愛因斯坦理論，愛因斯坦特征溫度等概率原理)*8順磁性固體*9負(fù)溫度狀態(tài)教學(xué)要求：1、確切的理解和掌握玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)及熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式2、熟練掌握玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)的應(yīng)用其它教學(xué)環(huán)節(jié)：2學(xué)時(shí) 習(xí)題第八章 玻色統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米統(tǒng)計(jì) 8 學(xué)時(shí)（課堂講授學(xué)時(shí)+課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)） 主要內(nèi)容：1熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式(巨配分函數(shù)，熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式)2弱簡(jiǎn)并理想玻色氣體和費(fèi)米氣體(粒子數(shù)和內(nèi)能的弱簡(jiǎn)并展開，統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)的等效作用) 3玻色愛因斯坦凝聚4光子氣體(光子的性質(zhì)，普朗克公式，斯特藩-玻爾茲曼定律，維恩位移定律)5金屬中的自由電子氣體*6白矮星*7二維電子氣體與量子霍耳效應(yīng)教學(xué)要求：1、確切理解和掌握玻色統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米統(tǒng)計(jì)及熱力學(xué)量的表達(dá)式2、熟練地掌握應(yīng)用玻色統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米統(tǒng)計(jì)求解一些問題的方法與步驟3、弄清并熟記各種氣體的性質(zhì) 第九章 系綜理論 8 學(xué)時(shí)（課堂講授學(xué)時(shí)+課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)） 主要內(nèi)容：1相空間 劉維爾定理(光子的性質(zhì)，普朗克公式，斯特藩-玻爾茲曼定律，維恩位移定律)2微正則分布3微正則分布的熱力學(xué)公式4正則分布5正則分布的熱力學(xué)公式6實(shí)際氣體的物態(tài)方程7固體的熱容量8液4He的性質(zhì)和朗道超流理論9伊辛模型的平均場(chǎng)理論10巨正則分布11 巨正則分布的熱力學(xué)公式12巨正則分布的簡(jiǎn)單應(yīng)用教學(xué)要求：1、了解與掌握相空間、劉維爾定理的基本內(nèi)容。2、了解和掌握微正則分布的基本內(nèi)容和基本思想。3、確切理解與掌握正則分布的內(nèi)涵及其與熱力學(xué)量的關(guān)系；并掌握它們解決問題的一般方法。4、理解與掌握巨正則分布的內(nèi)容及其與熱力學(xué)量的關(guān)系；了解它的簡(jiǎn)單應(yīng)用。5、注意區(qū)分三種系綜的區(qū)別和聯(lián)系。其它教學(xué)環(huán)節(jié)：2學(xué)時(shí) 習(xí)題四、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)及教學(xué)方法重點(diǎn)：溫度與物態(tài)方程，熱力學(xué)的基本定律，熱力學(xué)函數(shù)的定義、表示式及物理含義，熱力學(xué)系統(tǒng)相（化學(xué)）平衡及各相（各化學(xué)成分）間轉(zhuǎn)變的條件及特征，宏觀物體的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，微觀粒子的量子屬性， Boltzmann 關(guān)系， Liouville 定理，系綜和系綜分布，近獨(dú)立子系系統(tǒng)及其分布，平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)理論的應(yīng)用，漲落理論， Boltzmann 輸運(yùn)方程及弛豫時(shí)間近似等。難點(diǎn)：溫度、熵、平衡態(tài)、可逆和不可逆，熱力學(xué)系統(tǒng)平衡的條件及判據(jù)，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基本原理，近獨(dú)立子系系統(tǒng)和強(qiáng)相互作用系統(tǒng)，利用適當(dāng)?shù)姆植即_定熱力學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)，輸運(yùn)現(xiàn)象與 Boltzmann 方程等 五、考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定方式：考試六、教材及參考書目 推薦教材：