熱學-蘭州大學物理學院

1、熱學課程教學大綱一、課程說明課程名稱：熱學所屬專業(yè)：物理學專業(yè)本科學生課程性質：大類平臺課程學分：3分主要先修課程和后續(xù)課程：（ 1）先修課程：高等數(shù)學，力學。（ 2）后續(xù)課程：熱力學與統(tǒng)計物理，電磁學，原子物理學，固體物理。課程簡介、目標與任務：“普通物理學”課程是理科物理類專業(yè)的重要基礎課，由力學、熱學電磁學、光學和原子物理學這五個部分組成。各個部分單獨設課， “熱學”是其中繼“力學”后的第二門課程。“普通物理學”課程的“目的是使學生系統(tǒng)地了解和掌握物理學的基本概念、基本原理、基本知識、基本思想“和方法，以及它們的實驗基礎；了解物理學的發(fā)展方向及物理學與其它自然科學和社會科學等的關系； 培

2、養(yǎng)學生進一步學好物理學的興趣， 提高學生的自學能力、 分析和解決問題的能力；逐步幫助學生建立科學的自然觀、世界觀和方法論。 ”“熱學”課程在物理類專業(yè)一年級第二學期開設。通過“熱學”課程的學習，使學生認識物質熱運動形態(tài)的特點、 規(guī)律和研究方法， 深刻地理解熱運動的本質， 較為系統(tǒng)地掌握熱力學、氣體動理論和物性學的基礎知識， 能獨立解決今后學習中遇到的一般熱學問題， 為進一步學習電磁學、原子物理學、理論物理熱力學和統(tǒng)計物理等后續(xù)課程打下良好的基礎。教材：熱學（第二版），李椿等編，高等教育出版社， 2008主要參考書：1. 熱學（第二版）習題分析與解答，宋峰 常樹人編，高等教育出版社， 20102

3、. 熱學（第二版） 常樹人編，南開大學出版社， 20092. 熱學教程，包科達編，科學出版社， 20073. 熱學（第二版），張玉民編，科學出版社， 20064. 新概念物理教程·熱學 （第二版），趙凱華等編，高等教育出版社， 20055. 普通物理學教程·熱學 （第二版），秦允豪編，高等教育出版社， 20046. 熱學（第二版），李洪芳編，高等教育出版社， 2001二、課程內容與安排緒論(1 學時)第一節(jié)熱學研究的對象和方法第二節(jié)熱學發(fā)展簡述主要內容 :熱學研究的對象 熱現(xiàn)象 熱運動 熱力學 統(tǒng)計物理學 氣體動理學理論 物性學 熱學研究的方法 宏觀量 微觀量 宏觀量與微觀

4、量的關系 熱學發(fā)展簡史 熱學常用物理量的符號 熱學常用物理量的單位 基本物理常量 基本物理常量的國際推薦值 物理量的數(shù)量級 物質世界的層次 分子的典型數(shù)據(jù) 熱學課程的特點【掌握】：熱學研究的對象 熱運動 熱學研究的方法 宏觀量 微觀量 宏觀量與微觀量的關系 熱學課程的特點【了解】：熱學發(fā)展簡史 熱學常用物理量的符號 熱學常用物理量的單位 物理量的數(shù)量級 分子的典型數(shù)據(jù) 物質世界的層次【難點】：深入理解熱學是適用于宏觀和微觀的普適理論宏觀理論和微觀理論的本質關系第一章溫度（ 5 學時）第一節(jié)平衡態(tài) 狀態(tài)參量第二節(jié)溫度第三節(jié)氣體的物態(tài)方程主要內容：平衡態(tài) 熱動平衡 對平衡態(tài)的描述 力學平衡 熱學平

5、衡 化學平衡 相變平衡 狀態(tài)參量幾何參量 力學參量 化學參量 電磁參量 熱接觸 熱平衡 熱動平衡的條件 熱力學第零定律溫度及溫標 建立溫標的要素 水的冰點 水的汽點 水的三相點 經驗溫標 華氏溫標 攝氏溫標理想氣體溫標 熱力學溫標 國際實用溫標 ITS-90 溫度計 液體溫度計 定體氣體溫度計 定壓氣體溫度計 物態(tài)方程 氣體物態(tài)方程 玻意耳定律 阿伏伽德羅定律 理想氣體物態(tài)方程 普適氣體常量 阿伏伽德羅常量 玻爾茲曼常量 洛施密特常量 道爾頓分壓定律 混合理想氣體的物態(tài)方程 分體積定律 平均摩爾質量 體積分數(shù) 壓強分數(shù) 摩爾質量分數(shù) 質量分數(shù) 物質的量分數(shù) 混合理想氣體的密度 非理想氣體物態(tài)方

6、程 范德瓦耳斯方程 范德瓦耳斯氣體 昂內斯方程【重點掌握】：平衡態(tài) 熱動平衡 熱動平衡的條件 熱力學第零定律 溫度及溫標的概念 理想氣體物態(tài)方程范德瓦耳斯方程【掌握】：對平衡態(tài)的描述 力學平衡 熱學平衡 化學平衡 相變平衡 狀態(tài)參量 幾何參量 力學參量 化學參量 熱接觸 熱平衡 建立溫標的要素 水的冰點 水的汽點 水的三相點 經驗溫標 理想氣體溫標 熱力學溫標 玻意耳定律 阿伏伽德羅定律 普適氣體常量阿伏伽德羅常量玻爾茲曼常量洛施密特常量道爾頓分壓定律混合理想氣體的物態(tài)方程【了解】：國際實用溫標 ITS-90 華氏溫標 攝氏溫標 溫度計 液體溫度計 定體氣體溫度計 定壓氣體溫度計 各種物態(tài)方程

7、 平均摩爾質量 體積分數(shù) 壓強分數(shù) 摩爾質量分數(shù) 質量分數(shù) 物質的量分數(shù) 混合理想氣體的密度 非理想氣體物態(tài)方程 昂內斯方程【難點】：平衡態(tài)熱動平衡溫度及溫標概念的建立物態(tài)方程的建立第二章氣體分子動理論的基本概念（6 學時）第一節(jié)物質的微觀模型第二節(jié)理想氣體的壓強第三節(jié)溫度的微觀解釋第四節(jié)分子力第五節(jié)范德瓦耳斯氣體的壓強主要內容：氣體動理學理論的基本論點 分子論點 熱運動論點 分子力論點 統(tǒng)計論點 布朗運動的微觀解釋統(tǒng)計規(guī)律性與漲落現(xiàn)象 偶然性與必然性的關系 統(tǒng)計性假設 平均值 加權平均 統(tǒng)計平均理想氣體的微觀模型 理想氣體壓強公式的推導 氣體壓強的微觀解釋 用不同的簡化模型推導理想氣體壓強公

8、式 理想氣體分子平均平動動能與熱力學溫度的關系 溫度的微觀解釋 對理想氣體定律的推證 阿伏伽德羅定律 道爾頓分壓定律 分子間力 倫納德瓊斯模型 短程力 分子間力勢能 常用分子間力勢能模型 微觀粒子的彈性碰撞模型 分子有效直徑 分子直徑與熱力學溫度的關系 分子間力的平衡距離 分子間斥力的有效作用距離 分子間引力的有效作用距離 分子間力的典型數(shù)據(jù) 分子體積引起的修正 分子間引力所引起的修正 范德瓦耳斯常量 b 范德瓦耳斯常量 a 范德瓦耳斯氣體的壓強 范德瓦耳斯氣體的壓強與理想氣體的壓強 范德瓦耳斯方程的適用范圍 范德瓦耳斯氣體的摩爾體積【重點掌握】：氣體動理學理論的基本論點 理想氣體的微觀模型

9、氣體壓強的微觀解釋 溫度的微觀解釋【掌握】：理想氣體壓強公式的推導 用不同的簡化模型推導理想氣體壓強公式 理想氣體分子平均平動動能與熱力學溫度的關系 對理想氣體定律的推證 常用分子間力勢能模型 微觀粒子的彈性碰撞模型 分子有效直徑的概念 分子體積引起的修正 分子間引力所引起的修正 范德瓦耳斯氣體的壓強【了解】：布朗運動的微觀解釋 分子間力來源 分子直徑與熱力學溫度的關系 分子間力的平衡距離 分子間斥力的有效作用距離 分子間引力的有效作用距離 分子間力的典型數(shù)據(jù) 范德瓦耳斯常量 b 范德瓦耳斯常量 a 范德瓦耳斯方程的適用范圍【一般了解】：偶然性與必然性的關系 統(tǒng)計性假設 算術平均 幾何平均 加

10、權平均 統(tǒng)計平均 范德瓦耳斯氣體的壓強與理想氣體的壓強 用迭代法計算范德瓦耳斯氣體的摩爾體積【難點】：各種簡化模型的建立方式 物體內分子之間的相互作用和分子的熱運動決定其宏觀性質 理想氣體壓強公式的推導 宏觀量的微觀本質第三章氣體分子熱運動速率和能量的統(tǒng)計分布（11 學時）第一節(jié)氣體分子的速率分布率第二節(jié)用分子射線實驗驗證麥克斯韋速度分布律第三節(jié) 玻爾茲曼分布律 重力場中微粒按高度的分布第四節(jié) 能量按自由度均分定理主要內容：分布函數(shù) 速率分布函數(shù) 速率分布函數(shù)的歸一化條件麥克斯韋速率分布律麥克斯韋速率分布曲線的特征麥克斯韋速率分布律的適用范圍隨機事件 概率 概率加法定理 概率乘法定理 概率分布

11、函數(shù) 氣體分子的最概然速率 麥克斯韋速率分布函數(shù)的約化形式用麥克斯韋速率分布函數(shù)求平均值 氣體分子的平均速率和方均速率用麥克斯韋速率分布函數(shù)求分子數(shù) 誤差函數(shù)的計算氣體分子速率其他特征速率麥克斯韋速度分布律麥克斯韋速度分布曲線的特征麥克斯韋速度分布函數(shù)的約化形式速度空間麥克斯韋速度分布函數(shù)與麥克斯韋速率分布函數(shù)的關系 麥克斯韋速度分布函數(shù)的定義域氣體分子速度分量的最概然值 、平均值和方均根值分子通量公式 瀉流 分子束 瀉流存在的條件麥克斯韋發(fā)射分布麥克斯韋發(fā)射分布的約化形式麥克斯韋速率分布律的實驗驗證密勒和庫士實驗葛正權實驗 等溫大氣 等溫氣壓公式 氣壓計和高度計 玻爾茲曼分布律 重力場中微拉

12、按高度的分布阿伏伽德羅常量的測定大氣標高 大氣粒子總數(shù) 大氣的溫度結構標準大氣 負絕對溫度自由度 分子運動的自由度分子的平動自由度 分子的轉動自由度分子的振動自由度剛性分子和非剛性分子的自由度線形分子和非線形分子的自由度能量均分定理理想氣體的內能理想氣體熱容的經典理論能量均分定理的應用限度量子理論對氣體熱容量的解釋【重點掌握】：麥克斯韋速率分布律麥克斯韋速度分布律玻爾茲曼分布律能量均分定理【掌握】：麥克斯韋速率分布曲線的特征 麥克斯韋速率分布律的適用范圍 氣體分子的最概然速率用麥克斯韋速率分布函數(shù)求平均值 、氣體分子的平均速率和方均速率 用麥克斯韋速率分布函數(shù)求分子數(shù) 麥克斯韋速度分布曲線的特

13、征 分子通量公式 等溫大氣 等溫氣壓公式 重力場中微拉按高度的分布 分子運動的自由度 理想氣體的內能 理想氣體熱容的經典理論【了解】：分布函數(shù)隨機事件概率 概率加法定理概率乘法定理氣體分子特征速率的量綱分析麥克斯韋速率分布函數(shù)的約化形式 麥克斯韋發(fā)射分布 麥克斯韋速率分布律的實驗驗證 密勒和庫士實驗 葛正權實驗 大氣標高 能量均分定理的應用限度 量子理論對氣體熱容量的解釋【一般了解】：誤差函數(shù)的計算 麥克斯韋發(fā)射分布的約化形式 阿伏伽德羅常量的測定 大氣粒子總數(shù) 大氣總質量 大氣的溫度結構 大氣的均質層 標準大氣 負絕對溫度【難點】：速率分布函數(shù)及分布函數(shù)的統(tǒng)計意義麥克斯韋速率及速度分布律函數(shù)

14、的統(tǒng)計意義及應用玻爾茲曼分布律的統(tǒng)計意義及應用第四章氣體內的輸運過程（ 5 學時）第一節(jié)氣體分子的平均自由程第二節(jié)輸運過程的宏觀規(guī)律第三節(jié)輸運過程的微觀規(guī)律主要內容：氣體分子的碰撞頻率 氣體分子的碰撞截面 氣體分子的平均自由程 氣體分子的平均相對速率與平均速率的關系 分子的自由程分布函數(shù) 穿過指定截面的分子的平均自由程 分子穿過指定截面前最后一次受碰處至截面的平均距離 黏性現(xiàn)象 牛頓黏性定律 黏度系數(shù) 黏性現(xiàn)象的微觀解釋 熱傳導現(xiàn)象 傅里葉定律 熱導率 熱傳導現(xiàn)象的微觀解釋 熱傳導與電傳導 擴散現(xiàn)象 菲克定律 擴散系數(shù) 擴散現(xiàn)象的微觀解釋 黏度系數(shù)、熱導率、擴散系數(shù)與壓強的關系 黏度系數(shù)、熱導

15、率、擴散系數(shù)與溫度的關系 黏度系數(shù)、熱導率、擴散系數(shù)彼此之間的關系 黏度系數(shù)、熱導率、擴散系數(shù)的數(shù)量級 低壓下氣體的黏性現(xiàn)象 低壓下氣體的熱傳導現(xiàn)象 容器對其內的低壓氣體分子的碰撞頻率和平均自由程的限定 估算分子有效直徑的方法的比較 分子熱運動的典型數(shù)據(jù)【重點掌握】：氣體分子的碰撞頻率 氣體分子的碰撞截面 氣體分子的平均自由程 黏性現(xiàn)象 熱傳導現(xiàn)象 擴散現(xiàn)象【掌握】：牛頓黏性定律及其微觀解釋傅里葉定律及其微觀解釋菲克定律及其微觀解釋低壓下氣體的黏性現(xiàn)象 低壓下氣體的熱傳導現(xiàn)象 容器對其內的低壓氣體分子的碰撞頻率和平均自由程的限定【了解】：黏度系數(shù)、熱導率、擴散系數(shù)與壓強、溫度的理論和實驗比較

16、黏度系數(shù)、熱導率、擴散系數(shù)彼此之間的關系 黏度系數(shù)、熱導率、擴散系數(shù)的數(shù)量級 估算分子有效直徑的方法的比較分子熱運動的典型數(shù)據(jù)【一般了解】：穿過指定截面的分子的平均自由程 分子穿過指定截面前最后一次受碰處至截面的平均距離的概念【難點】：氣體分子的碰撞頻率、氣體分子的碰撞截面、氣體分子的平均自由程的概念的建立穿過指定截面前最后一次受碰處至截面的平均距離第五章熱力學第一定律（ 10 學時）第一節(jié)熱力學過程第二節(jié)功第三節(jié)熱量第四節(jié)熱力學第一定律第五節(jié)熱容 焓第六節(jié)氣體的內能焦耳 - 湯姆孫實驗第七節(jié)熱力學第一定律對理想氣體的應用第八節(jié)循環(huán)過程和卡諾循環(huán)主要內容：熱力學過程準靜態(tài)過程非靜態(tài)過程作功體積

17、功作功的計算過程曲線示功圖廣義坐標廣義位移廣義力絕熱過程絕熱功內能熱量傳熱傳熱的計算熱容量比熱容摩爾熱容作功與傳熱都是過程量作功與傳熱的等當性熱力學第一定律能量守恒定律動機符號規(guī)定焦耳實驗絕熱自由膨脹過程等內能過程理想氣體的內能焦耳湯姆孫實驗流膨脹過程等焓過程焦耳湯姆孫效應焦耳湯姆孫系數(shù)理想氣體的焓反轉溫度分子廣義功焓第一類永絕熱節(jié)理想氣體的宏觀定義邁耶關系熱功當量的測定熱力學第一定律對理想氣體的應用等體過程等壓過程等溫過程絕熱過程 多方過程 等熱容過程直線過程理想氣體絕熱過程方程泊松公式循環(huán) 熱機的工作原理正循環(huán)的效率制冷機與熱泵的工作原理逆循環(huán)的制冷系數(shù)符號規(guī)定卡諾熱機卡諾循環(huán)理想氣體卡諾

18、循環(huán)的效率理想氣體逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)奧托循環(huán)狄塞爾循環(huán)斯特林循環(huán)回熱式循環(huán)熱機與熱泵的組合應用【重點掌握】：熱力學過程準靜態(tài)過程作功體積功作功的計算絕熱功內能熱量熱容量比熱容摩爾熱容焓 理想氣體的宏觀定義邁耶關系熱力學第一定律對理想氣體的應用循環(huán)熱機的工作原理正循環(huán)的效率逆循環(huán)的制冷系數(shù)【掌握】：理想氣體的內能理想氣體絕熱過程方程泊松公式【難點】：絕熱過程多方過程第六章熱力學第二定律（6 學時）第一節(jié)熱力學第二定律第二節(jié)熱現(xiàn)象過程的不可逆性第三節(jié)熱力學第二定律的統(tǒng)計意義第四節(jié)卡諾定理第五節(jié)熱力學溫標第六節(jié)應用卡諾定理的例子主要內容：熱力學第二定律開爾文表述克勞修斯表述第二類永動機熱力學第二

19、定律的適用范圍熱力學第二定律兩種表述的等效性可逆過程不可逆過程各種不可逆過程互相關聯(lián)熱力學第二定律的實質論證過程的不可逆性的方法不可逆過程的特點孤立系統(tǒng)宏觀狀態(tài)和微觀狀態(tài)氣體自由膨脹的不可逆性熱力學第二定律的統(tǒng)計意義卡諾定理可逆卡諾循環(huán)的效率不可逆卡諾循環(huán)的效率對于制冷機類似卡諾定理的結論卡諾定理的推廣任意正循環(huán)的效率卡諾定理的應用熱力學溫標的引入熱力學溫標與理想氣體溫標和攝氏溫標的關系內能隨體積的改變與物態(tài)方程的關系定壓摩爾熱容與定體摩爾熱容的關系【重點掌握】：熱力學第二定律開爾文表述克勞修斯表述 熱力學第二定律兩種表述的等效性 可逆過程不可逆過程熱力學第二定律的實質卡諾定理【掌握】：孤立系

20、統(tǒng) 宏觀狀態(tài)和微觀狀態(tài)氣體自由膨脹的不可逆性熱力學第二定律的統(tǒng)計意義【難點】：論證過程的不可逆性的方法不可逆過程的特點第七章 固體（ 1 學時）第一節(jié) 晶體第二節(jié) 晶體中粒子的結合力和結合能第三節(jié) 晶體中粒子的熱運動主要內容：物質的聚集態(tài)凝聚體固體液體氣體晶體與非晶體單晶體和多晶體長程有序晶體中粒子的結合力晶體彈性的微觀解釋晶體中粒子的熱運動熱振動杜隆珀蒂定律晶體熱膨脹的微觀解釋晶體線膨脹率的計算 非晶態(tài)固體過冷液體短程有序【重點掌握】：晶體中粒子的熱運動熱振動杜隆珀蒂定律【掌握】：晶體與非晶體單晶體和多晶體 晶體中粒子的結合力晶體彈性的微觀解釋晶體熱膨脹的微觀解釋第八章 液體（ 4 學時）第一節(jié) 液體的微觀結構液晶第二節(jié) 液體的徹體性質第三節(jié) 液體的表面性質主要內容：液體與晶體和氣體的比較液體的宏觀特征液體的微觀結構定居時間液體各向同性液晶外界因素對液晶的影響顯示技術液體的表面性質表面張力表面層表面張力的微觀解釋表面張力系數(shù)影響表面張力系數(shù)的因素表面活性物質球形液面下的附加壓強拉普拉斯公式柱形液面