《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物1》課程教學(xué)大綱

《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理ThermodynamicsandStatisticalPhysics課程編碼SCC522411035開課院部理學(xué)院課程團(tuán)隊(duì)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理教學(xué)團(tuán)隊(duì)學(xué)分3.5課內(nèi)學(xué)時(shí)56講授56實(shí)驗(yàn)0上機(jī)0實(shí)踐0課外學(xué)時(shí)56適用專業(yè)應(yīng)用物理學(xué)授課語(yǔ)言中文先修課程熱學(xué)、量子力學(xué)課程簡(jiǎn)介（必修）熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理是應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的必修課程，是專業(yè)主要核心課程即理論物理學(xué)的四大分支之一。該課程包括熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理兩部分內(nèi)容，主要研究熱運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，研究與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的物性及宏觀物質(zhì)系統(tǒng)的演化，是固體、液體、氣體、等離子體理論的理論基礎(chǔ)之一。通過對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將明晰熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)在理論物理知識(shí)框架中的位置，掌握熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基本原理、基本理論和知識(shí)要點(diǎn)，以及運(yùn)用熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理基本思想和知識(shí)解決實(shí)際問題的技能和方法，鍛煉批判性的科學(xué)思維，提高實(shí)際應(yīng)用能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)其它理論課程或從事相關(guān)領(lǐng)域科研工作打下良好的基礎(chǔ)。Thermodynamicsandstatisticalphysicsisacompulsorycourseforthemajorofappliedphysics,andoneofthefourcorebranchesofthemajorcorecoursesofthemajor,theoreticalphysics.Thecourseconsistsoftwoparts:thermodynamicsandstatisticalphysics.Itmainlystudiesthelawsofthermalmotion,thephysicalpropertiesandtheevolutionofmacroscopicmattersystems.Itisoneofthetheoriesofsolid,liquid,gasandplasmatheory.Throughthestudyofthiscourse,studentscanunderstandthestatusofthermodynamicsandstatisticalphysicsintheentirephysicsframework,masterthebasicprinciples,basictheoreticalframeworkandknowledgepointsofthermodynamicsandstatisticalphysics.Studentswillhavetheskillsandmethodstousethermodynamicsandstatisticalphysicsbasicideasandknowledgetosolvepracticalproblems,exercisecriticalscientificthinkingandimprovepracticalapplicationability,whichwilllayagoodfoundationforfurtherstudyofothertheoreticalcoursesorscientificresearchinrelatedfields.負(fù)責(zé)人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標(biāo)序號(hào)代號(hào)課程目標(biāo)OBE畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)任務(wù)自選1M1目標(biāo)1：掌握熱力學(xué)、經(jīng)典統(tǒng)計(jì)和量子統(tǒng)計(jì)的基本概念、原理和核心理論，掌握熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理基本原理處理問題的方法，并初步具備運(yùn)用這些方法分析、解決具體問題的能力是3.22M2目標(biāo)2：了解熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理的發(fā)展歷程以及在整個(gè)理論物理框架中的位置，能夠基于課程的知識(shí)體系，結(jié)合文獻(xiàn)資料調(diào)研方法，對(duì)當(dāng)下相關(guān)前沿領(lǐng)域發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行調(diào)研和分析是3.43.4三、課程內(nèi)容序號(hào)章節(jié)號(hào)標(biāo)題課程內(nèi)容/重難點(diǎn)支撐課程目標(biāo)課內(nèi)學(xué)時(shí)教學(xué)方式課外學(xué)時(shí)課外環(huán)節(jié)1第一章熱力學(xué)的基本定律熱力學(xué)三定律，熱力學(xué)函數(shù)內(nèi)能、焓、熵、自由能、吉布斯函數(shù)的物理意義////21.1熱力學(xué)的研究目的傳統(tǒng)熱力學(xué)，非平衡態(tài)熱力學(xué)的線性和非線性理論M1,M20.5講授1閱讀資料31.2熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡及其描述系統(tǒng)、外界、子系統(tǒng)；系統(tǒng)的分類；熱力學(xué)平衡態(tài)及其判別方法；狀態(tài)參量；廣延量與強(qiáng)度量M10.5講授0.5自學(xué)41.3溫度和物態(tài)方程熱接觸與熱平衡；熱平衡定律、溫度、熱平衡的傳遞性；態(tài)函數(shù)溫度存在的數(shù)學(xué)論證；物態(tài)方程的意義；物態(tài)方程舉例M11講授0.5自學(xué)51.4功和熱力學(xué)第一定律準(zhǔn)靜態(tài)過程；準(zhǔn)靜態(tài)過程的功；非準(zhǔn)靜態(tài)過程的功；改變系統(tǒng)狀態(tài)的方式及絕熱過程；內(nèi)能；熱量，熱力學(xué)第一定律M10.5講授0.5自學(xué)61.5熱容量和焓熱容量的定義；狀態(tài)函數(shù)焓；比熱M10.5講授0.5自學(xué)71.6理想氣體理想氣體的自由膨脹；焦耳實(shí)驗(yàn)，焦耳定律；理想氣體定容和定壓熱容量；狀態(tài)方程和過程方程；理想氣體的等溫過程和絕熱過程；卡諾循環(huán)；熱機(jī)、制冷機(jī)及其效率M11講授0.5自學(xué)81.7熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律的兩種表述及等價(jià)性；第二類永動(dòng)機(jī)；可逆過程，不可逆過程；實(shí)際過程的不可逆性；可逆機(jī)和不可逆機(jī)M11講授0.5自學(xué)91.8熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表述和熵卡諾定理；熱力學(xué)溫標(biāo)；克勞修斯等式和不等式；態(tài)函數(shù)熵的引入及意義；熱力學(xué)基本方程及其意義，熱力學(xué)基本方程的一般形式；理想氣體熵的計(jì)算公式及應(yīng)用；熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表述形式；熵增加原理；熵增加原理的簡(jiǎn)單應(yīng)用M11講授1自學(xué)101.9自由能和吉布斯函數(shù)自由能的引入和最大功原理；吉布斯函數(shù)的引入M11講授、討論2作業(yè)、閱讀資料11第二章均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)由熱力學(xué)函數(shù)（內(nèi)能、焓、自由能、吉布斯函數(shù)）的全微分推導(dǎo)出的麥?zhǔn)详P(guān)系，麥?zhǔn)详P(guān)系的應(yīng)用，基本熱力學(xué)函數(shù)的確定，特性函數(shù)////122.1麥克斯韋關(guān)系內(nèi)能、焓、自由能和吉布斯的全微分形式及應(yīng)用，麥?zhǔn)详P(guān)系的推導(dǎo)；麥?zhǔn)详P(guān)系的意義和應(yīng)用；雅可比行列式，定容熱容量與能態(tài)方程；定壓熱容量與焓方程M11.5講授1自學(xué)132.2氣體的節(jié)流膨脹和絕熱膨脹氣體節(jié)流過程；焦耳-湯姆遜效應(yīng)與焦耳自由膨脹實(shí)驗(yàn)的關(guān)系；氣體絕熱膨脹過程M11講授1自學(xué)142.3基本熱力學(xué)函數(shù)和特性函數(shù)基本熱力學(xué)函數(shù)的確定和應(yīng)用；特性函數(shù)；表面的熱力學(xué)性質(zhì)M11.5講授1自學(xué)152.4熱輻射的熱力學(xué)理論熱輻射的內(nèi)能密度是溫度的普適函數(shù)；輻射壓強(qiáng)與內(nèi)能密度的關(guān)系；熱輻射的熱力學(xué)函數(shù)M11講授1自學(xué)162.5磁介質(zhì)熱力學(xué)磁介質(zhì)的功；磁介質(zhì)的麥?zhǔn)详P(guān)系；絕熱去磁制冷；磁介質(zhì)熱力學(xué)基本方程M11講授1自學(xué)172.6小結(jié)與習(xí)題討論第一、二章內(nèi)容小結(jié)和習(xí)題討論M1,M21講授、討論2作業(yè)、閱讀資料18第三章單元系的相變平衡判據(jù)及應(yīng)用，相平衡條件，開系的熱力學(xué)性質(zhì)，相圖////193.1熱動(dòng)平衡判據(jù)熵判據(jù)，自由能判據(jù)，吉布斯函數(shù)判據(jù)；平衡條件，平衡穩(wěn)定條件M11.5講授1自學(xué)203.2開系的熱力學(xué)基本方程開系及其熱力學(xué)基本方程；化學(xué)勢(shì)；巨熱力勢(shì)M10.5講授0.5自學(xué)213.3單元系的復(fù)相平衡條件熱平衡條件，力平衡條件，相變平衡條件，過程進(jìn)行方向M10.5講授0.5自學(xué)223.4單元復(fù)相系的平衡性質(zhì)相圖；單元系相圖；平衡曲線；克拉柏龍方程M11講授0.5自學(xué)233.5臨界點(diǎn)和氣液兩相的轉(zhuǎn)變實(shí)際氣體等溫線，范德瓦爾斯等溫線；麥克斯韋等面積法則，臨界系數(shù)M11講授1自學(xué)243.6相變的分類一級(jí)相變，連續(xù)相變；愛倫費(fèi)斯特方程M10.5講授0.5自學(xué)253.7朗道二級(jí)相變理論簡(jiǎn)介序參量；對(duì)稱性破缺M1,M21講授2作業(yè)、閱讀資料26第四章多元系的復(fù)相平衡和化學(xué)平衡多元系的復(fù)相平衡條件；吉布斯相律；混合理想氣體的性質(zhì)////274.1多元系的熱力學(xué)函數(shù)和熱力學(xué)方程歐勒定理；多元單相系的熱力學(xué)函數(shù)和基本方程；多元復(fù)相系的熱力學(xué)函數(shù)，吉布斯關(guān)系M11講授1自學(xué)284.2多元系的復(fù)相平衡條件多元系復(fù)相平衡條件的一般性推導(dǎo)；膜平衡M10.5講授0.5自學(xué)294.3吉布斯相律強(qiáng)度變量，摩爾分?jǐn)?shù)；吉布斯相律的推導(dǎo)及簡(jiǎn)單應(yīng)用M10.5講授0.5自學(xué)304.4化學(xué)平衡條件化學(xué)反應(yīng)的表示，單相系化學(xué)平衡條件，反應(yīng)度M11講授1自學(xué)314.5混合理想氣體的性質(zhì)道爾頓分壓定律；混合理想氣體的物態(tài)方程、焓和熵；吉布斯佯謬M11講授0.5自學(xué)324.6理想氣體的化學(xué)平衡平衡常量；質(zhì)量作用律M11講授0.5自學(xué)334.7熱力學(xué)第三定律能斯特定理熱力學(xué)第三定律；絕對(duì)熵，絕對(duì)零度不能到達(dá)M11講授0.5自學(xué)344.8小結(jié)與習(xí)題討論第三、四章內(nèi)容小結(jié)和習(xí)題討論M1,M21講授、討論2作業(yè)、閱讀資料35第五章近獨(dú)立粒子系統(tǒng)的最概然分布相空間，系統(tǒng)微觀狀態(tài)的描述，等概率原理，三個(gè)統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)////365.1統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的研究對(duì)象、目的與方法統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的研究對(duì)象、目的與方法M10.5講授0.5自學(xué)375.2粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的經(jīng)典描述粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的含義；相空間及舉例；廣義坐標(biāo)和廣義動(dòng)量；經(jīng)典粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述舉例M10.5講授0.5自學(xué)385.3粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子描述量子態(tài)，自由度；粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述舉例；簡(jiǎn)并能級(jí)，相格；態(tài)密度M11講授1自學(xué)395.4系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述全同近獨(dú)立粒子系統(tǒng)；經(jīng)典系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述，量子系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述；玻耳茲曼系統(tǒng)，玻色系統(tǒng)，費(fèi)米系統(tǒng)M11講授1自學(xué)405.5等概率原理宏觀狀態(tài)，微觀狀態(tài)；等概率原理-統(tǒng)計(jì)物理的基本假設(shè)M10.5講授0.5自學(xué)415.6分布和微觀狀態(tài)分布的意義；宏觀狀態(tài)、微觀狀態(tài)與分布的關(guān)系；玻耳茲曼系統(tǒng)、玻色系統(tǒng)、費(fèi)米系統(tǒng)的區(qū)別M11講授0.5自學(xué)425.7玻耳茲曼分布最概然分布；斯特令近似公式；拉格朗日不定乘子法求玻耳茲曼分布；平衡態(tài)與最概然分布M11講授1自學(xué)435.8玻色分布和費(fèi)米分布拉格朗日不定乘子法求玻色分布和費(fèi)米分布M11講授1自學(xué)445.9三種分布的關(guān)系經(jīng)典極限條件（非簡(jiǎn)并性條件）；玻耳茲曼分布、玻色分布、費(fèi)米分布的關(guān)系M1,M20.5講授2作業(yè)、閱讀資料45第六章玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)量統(tǒng)計(jì)表達(dá)式，能量均分定理的統(tǒng)計(jì)意義/////466.1熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)的配分函數(shù)；內(nèi)能、物態(tài)方程、熵的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式；熵的統(tǒng)計(jì)意義；玻爾茲曼關(guān)系式，滿足經(jīng)典極限條件的玻色（費(fèi)米）系和定域系統(tǒng)的熵M11.5講授1自學(xué)476.2理想氣體的物態(tài)方程單原子分子理想氣體系統(tǒng)的配分函數(shù)；由配分函數(shù)求物態(tài)方程M10.5講授0.5自學(xué)486.3麥克斯韋速度分布速度分布的推導(dǎo)M10.5講授0.5自學(xué)496.4能量均分定理能量均分定理的證明；應(yīng)用能量均分定理求熱容量；討論平衡輻射問題M11講授1自學(xué)506.5理想氣體的內(nèi)能和熱容量量子統(tǒng)計(jì)理論討論雙原子分子理想氣體的內(nèi)能和熱容量M11講授0.5自學(xué)516.6固體熱容量的愛因斯坦理論介紹固體熱容量的愛因斯坦理論M1,M21講授1作業(yè)、閱讀資料52第七章玻色統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米統(tǒng)計(jì)玻色-愛因斯坦凝聚現(xiàn)象；光子氣體費(fèi)米能級(jí)，費(fèi)米動(dòng)量////537.1熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式巨配分函數(shù)，玻色、費(fèi)米系統(tǒng)的熱力學(xué)量統(tǒng)計(jì)表達(dá)式的推導(dǎo)M11講授1自學(xué)547.2玻色-愛因斯坦凝聚玻色理想氣體模型；玻色愛因斯坦凝聚，凝聚溫度，玻色愛因斯坦凝聚體的性質(zhì)M11.5講授1自學(xué)557.3光子氣體光子氣體模型，普朗克公式，低頻、高頻范圍的極限結(jié)果；空窖輻射總內(nèi)能及內(nèi)能密度、維恩位移定律M11.5講授1自學(xué)567.4金屬中的自由電子氣體金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和自由電子氣體模型；費(fèi)米能量，費(fèi)米速度，費(fèi)米溫度；二維電子氣，量子霍爾效應(yīng)M11.5講授1自學(xué)578.4正則系綜正則系綜的宏觀條件；分布函數(shù)，配分函數(shù)；正則系綜的熱力學(xué)公式；正則分布與微正則分布的關(guān)系；介紹伊辛模型的平均場(chǎng)理論M12講授1自學(xué)588.1經(jīng)典統(tǒng)計(jì)系綜的概念平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理的普遍理論-系綜理論；相空間；相軌道M11.5講授1自學(xué)598.3微正則系綜微正則系綜熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式，微正則系綜理論的簡(jiǎn)單應(yīng)用M11.5講授1自學(xué)608.6巨正則分布的簡(jiǎn)單應(yīng)用介紹幾個(gè)巨正則分布的簡(jiǎn)單應(yīng)用M1,M21講授2作業(yè)、閱讀資料61總結(jié)課程總結(jié)課程內(nèi)容總結(jié)和梳理M1,M21.5講授、討論4大作業(yè)628.5巨正則系綜巨正則系綜的宏觀條件；分布函數(shù)；巨正則系綜的熱力學(xué)公式；三種系綜理論的關(guān)系M11.5講授1自學(xué)637.5小結(jié)與習(xí)題討論第五、六、七章內(nèi)容小結(jié)和習(xí)題討論M1,M21講授、討論2作業(yè)、閱讀資料64第八章系綜理論微正則系綜、正則系綜、巨正則系綜理論的理解和應(yīng)用/////658.2劉維爾定理劉維爾定理簡(jiǎn)介，統(tǒng)計(jì)系綜的分類M11講授1自學(xué)四、考核方式序號(hào)考核環(huán)節(jié)操作細(xì)節(jié)總評(píng)占比1平時(shí)作業(yè)1.每周布置2-3道題目，平均每次課1道題以上。2.成績(jī)采用百分制，根據(jù)作業(yè)完成準(zhǔn)確性、是否按時(shí)上交、是否獨(dú)立完成評(píng)分。3.考核學(xué)生對(duì)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理基本知識(shí)的掌握能力，學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力，題型主要有簡(jiǎn)答題和計(jì)算題。10%2期中考試1.閉卷考試，成績(jī)采用百分制，卷面成績(jī)總分100分。2.主要考核學(xué)生對(duì)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理基本知識(shí)的掌握情況，學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力，題型主要有簡(jiǎn)答題、分析題、計(jì)算題等。20%3大作業(yè)1.本課程給定部分專題題目，調(diào)研熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理前沿領(lǐng)域的進(jìn)展，完成相關(guān)專題的進(jìn)展的調(diào)研報(bào)告。2.根據(jù)調(diào)研報(bào)告的完成情況評(píng)分。10%4期末考試1.閉卷考試，成績(jī)采用百分制，卷面成績(jī)總分100分。2.主要考核學(xué)生對(duì)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理基本知識(shí)的掌握能力，學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力，題型主要有簡(jiǎn)答題、分析題、計(jì)算題等。50%5課堂表現(xiàn)考察學(xué)生出勤、上課精神狀態(tài)、回答問題、參與討論的情況等。10%五、評(píng)分細(xì)則序號(hào)課程目標(biāo)考核環(huán)節(jié)大致占比評(píng)分等級(jí)1M1平