《熱學(xué)》課程教學(xué)大綱

熱學(xué)Thermodynamics【課程編號(hào)】ZB25608 【課程類(lèi)別】專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課【學(xué)分?jǐn)?shù)】3.5 【學(xué)時(shí)數(shù)】62=56+6 【先修課程】高數(shù)、力學(xué)【適用專(zhuān)業(yè)】物理學(xué)一、教學(xué)目的、任務(wù)熱學(xué)是高等院校物理學(xué)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程之一，是普通物理學(xué)的一個(gè)重要組成部分。它以大量分子、原子組成的物體或物體系（熱力學(xué)系統(tǒng)）為研究對(duì)象，課程內(nèi)容包括溫度、氣體動(dòng)理學(xué)理論的基本概念、氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速率和能量的統(tǒng)計(jì)分布律、氣體內(nèi)的輸運(yùn)現(xiàn)象、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、固體、液體、相變等部分。學(xué)習(xí)本課程的主要目的是:①認(rèn)識(shí)物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)形態(tài)的特點(diǎn)、規(guī)律和研究方法。掌握比較系統(tǒng)的分子物理和熱力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)有初步的了解，能較靈活地應(yīng)用。②獲得本門(mén)課程領(lǐng)域內(nèi)分析和處理一些基本問(wèn)題的能力。為進(jìn)一步學(xué)習(xí)原子物理學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)等后繼課程打下良好的基礎(chǔ)。③了解熱力學(xué)理論對(duì)于科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化的重要作用。二、課程教學(xué)的基本要求本課程是物理學(xué)本科專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課，因?qū)W時(shí)有限，在教學(xué)內(nèi)容的選取上既要考慮中學(xué)物理教學(xué)的基礎(chǔ),又要注意與后繼課和平行課之間的分工和銜接.例如介紹熱現(xiàn)象的宏觀理論時(shí),應(yīng)著重介紹熱力學(xué)的基本概念及規(guī)律.有關(guān)熵和嫡增加原理的知識(shí)可根據(jù)具體情況決定取舍,但主要應(yīng)由理論物理課程加以解決.在介紹熱現(xiàn)象的微觀理論時(shí),只討論分子運(yùn)動(dòng)部分而不更多涉及統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的內(nèi)容.本課程也是學(xué)生在學(xué)完經(jīng)典力學(xué)后學(xué)習(xí)非機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的第一門(mén)課程.在學(xué)習(xí)分子運(yùn)動(dòng)論時(shí)要特別強(qiáng)調(diào)由大量分子構(gòu)成的系統(tǒng)所遵從的統(tǒng)計(jì)規(guī)律的特點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維,克服學(xué)生在學(xué)完經(jīng)典力學(xué)后容易產(chǎn)生機(jī)械唯物論思想的傾問(wèn).通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握熱力學(xué)的理論體系，能處理熱學(xué)的各類(lèi)問(wèn)題。教學(xué)過(guò)程中著重講清處理問(wèn)題，解決問(wèn)題的思路和方法。三、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配12+14+12+16+8=62第一章熱學(xué)基本概念和物質(zhì)聚集態(tài)12學(xué)時(shí)（課堂講授學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：1、溫度(溫度計(jì)和溫標(biāo)熱力學(xué)第零定律理想氣體狀態(tài)方程和理想氣體溫標(biāo))2、熱量及其本質(zhì)(量熱學(xué)原子論分子力與分子運(yùn)動(dòng))3.物質(zhì)聚集態(tài)隨狀態(tài)參量的轉(zhuǎn)化與共存(閉合系的P-V-T曲面等溫線P–T三相圖)４、氣體(氣體的微觀模型和溫度的微觀意義理想氣體壓強(qiáng)公式理想氣體定律的推導(dǎo)實(shí)際氣體)５、固體（晶體結(jié)構(gòu)非晶態(tài)與準(zhǔn)晶態(tài)固體中的分子熱運(yùn)動(dòng)）６、化學(xué)鍵(離子鍵共價(jià)鍵金屬鍵范德瓦爾斯健氫鍵)7、液體(表面張力)教學(xué)要求：1、確切理解與掌握溫度、熱量、熱容量、潛熱、化學(xué)鍵等基本概念。2、確切理解物質(zhì)是由大量的分子、原子組成的，分子或原子作無(wú)規(guī)則的永不停息的熱運(yùn)動(dòng)，分子間有相互作用力。第二章熱平衡態(tài)的統(tǒng)計(jì)分布律14學(xué)時(shí)（課堂講授12學(xué)時(shí)+課程實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)）1、麥克斯韋速度分布律(統(tǒng)計(jì)規(guī)律與分布函數(shù)的概念速度空間與速度分布函數(shù)麥克斯韋速度分布率的導(dǎo)出方均根速率平均速率瀉流速率)2、玻耳茲曼密度分布（等溫氣壓公式玻耳茲曼密度分布律麥克斯韋-玻耳茲曼能量分布律）3、能量均分定理與熱容量（自由度能量均分定理理想氣體的熱容量固體的熱容量）4、量子氣體中的粒子按能級(jí)的分布（能級(jí)與量子態(tài)麥克斯韋-玻耳茲曼分布H定理能級(jí)離散性對(duì)熱容量的影響玻色-愛(ài)因斯坦分布和費(fèi)米-狄拉克分布）5、費(fèi)米氣體(量子關(guān)聯(lián)與量子簡(jiǎn)并金屬中的自由電子氣)6、玻色氣體（光子氣體）7、宏觀態(tài)的概率和熵（宏觀態(tài)的概率玻耳茲曼熵關(guān)系式信息熵與遺傳密碼）教學(xué)要求：1、確切理解與掌握統(tǒng)計(jì)規(guī)律、分布函數(shù)、方均根速率、平均速率、最可幾速率等基本概念。2、確切理解與掌握麥克斯韋速度分布率及其應(yīng)用。3、確切理解玻爾茲曼密度分布律。4、確切理解與掌握能均分定理。熟練掌握其應(yīng)用。其它教學(xué)環(huán)節(jié)：習(xí)題課第三章熱力學(xué)第一定律12學(xué)時(shí)（課堂講授10學(xué)時(shí)+習(xí)題課2學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：1、熱力學(xué)第一定律(能量守恒定律廣義功內(nèi)能熱力學(xué)第一定律準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程)2、氣體的熱容量?jī)?nèi)能和焓(熱容量焓焦耳實(shí)驗(yàn)焦耳-湯姆孫效應(yīng)節(jié)流膨脹液化氣體化學(xué)反應(yīng)熱和生成焓)3、熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用（等溫過(guò)程絕熱過(guò)程大氣的垂直溫度梯度多方過(guò)程）4、循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)（循環(huán)過(guò)程理想氣體卡諾循環(huán)及其效率）教學(xué)要求：1、確切理解與掌握熱力學(xué)第一定律。2、確切理解與掌握氣體的熱容量、內(nèi)能和焓的概念與定義。3、熟練地掌握熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用。4、確切理解循環(huán)效率的定義，熟練計(jì)算各種循環(huán)的效率。其它教學(xué)環(huán)節(jié)：習(xí)題課第四章熱力學(xué)第二定律16學(xué)時(shí)（課堂講授14學(xué)時(shí)+課程實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：1、熱力學(xué)第二定律卡諾定理（熱力學(xué)第二定律卡諾定理熱力學(xué)溫標(biāo)）2、卡諾定理的應(yīng)用（內(nèi)能和狀態(tài)方程的關(guān)系克拉珀龍方程及其在相變問(wèn)題的應(yīng)用）3.克勞休斯不等式與熵定理（克勞修斯不等式熵?zé)崃W(xué)熵與玻耳茲曼熵）4、熱力學(xué)第二定律佯謬（洛施密特詰難策爾梅洛詰難麥克斯韋妖與信息）5、熱平衡自由能（孤立系統(tǒng)的熱平衡判據(jù)定溫定體條件下的熱平衡判據(jù)定溫定壓條件下的熱平衡判據(jù)物體系內(nèi)各部分間的平衡條件范德瓦爾斯氣液相平衡混合氣體的化學(xué)平衡）6、連續(xù)相變超流（有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變朗道二級(jí)相變理論液氦的超流現(xiàn)象準(zhǔn)粒子）教學(xué)要求：1、確切理解與掌握可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程、熱力溫標(biāo)、熵、自由能等基本概念。2、確切理解與掌握熱力學(xué)第二定律。3、確切理解與掌握卡諾定理和應(yīng)用4、確切理解與掌握熵的定義，熵的增加原理及熵的計(jì)算。5、理解與掌握熱平衡判據(jù)。6、掌握相變定義及克拉珀龍方程推導(dǎo)及應(yīng)用。其它教學(xué)環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)課第五章非平衡過(guò)程8學(xué)時(shí)（課堂講授7學(xué)時(shí)+習(xí)題課1學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：1、近平衡態(tài)馳豫和輸運(yùn)過(guò)程（平均自由程與碰撞頻率分子自由程的概率分布初級(jí)氣動(dòng)理論）2、漲落關(guān)聯(lián)布朗運(yùn)動(dòng)（漲落臨界點(diǎn)的漲落布朗運(yùn)動(dòng)）3、分形4、線性不可逆過(guò)程熱力學(xué)（局域熱平衡概念熵流與熵產(chǎn)生廣義流和廣義力）5、耗散結(jié)構(gòu)6、生命與生態(tài)環(huán)境（生命的熱力學(xué)基礎(chǔ)地球表面溫度與溫室效應(yīng)蓋婭假說(shuō)）7、熱宇宙模型（大爆炸，微波背景輻射熱寂說(shuō)）教學(xué)要求：1、理解與掌握氣體分子平均自由程與碰撞頻率的定義及其計(jì)算。2、理解與掌握輸運(yùn)過(guò)程的宏觀規(guī)律及其微觀機(jī)制。3、了解熱力學(xué)漲落和布朗運(yùn)動(dòng)的理論。其它教學(xué)環(huán)節(jié)：習(xí)題課四、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)及教學(xué)方法重點(diǎn)：狀態(tài)方程,麥克斯韋分布律,氣體內(nèi)的輸送過(guò)程,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,熱力學(xué)第一定律,循環(huán)過(guò)程,熱力學(xué)第二定律,可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程,熵的統(tǒng)計(jì)意義難點(diǎn)：氣體熱容量的量子解釋,焓,卡諾定理,熵與克勞修斯等式,T—S圖及熵增加原理,玻爾茲曼表式.五、考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定方式：考試六、教材及參考書(shū)目推薦教材：趙凱