《熱學》課程教學大綱

熱學Thermodynamics【課程編號】ZB25608 【課程類別】專業(yè)基礎課【學分數】3.5 【學時數】62=56+6 【先修課程】高數、力學【適用專業(yè)】物理學一、教學目的、任務熱學是高等院校物理學專業(yè)基礎課程之一，是普通物理學的一個重要組成部分。它以大量分子、原子組成的物體或物體系（熱力學系統(tǒng)）為研究對象，課程內容包括溫度、氣體動理學理論的基本概念、氣體分子熱運動速率和能量的統(tǒng)計分布律、氣體內的輸運現(xiàn)象、熱力學第一定律、熱力學第二定律、固體、液體、相變等部分。學習本課程的主要目的是:①認識物質熱運動形態(tài)的特點、規(guī)律和研究方法。掌握比較系統(tǒng)的分子物理和熱力學的基礎知識，對統(tǒng)計物理學有初步的了解，能較靈活地應用。②獲得本門課程領域內分析和處理一些基本問題的能力。為進一步學習原子物理學、熱力學與統(tǒng)計物理學等后繼課程打下良好的基礎。③了解熱力學理論對于科學技術的現(xiàn)代化的重要作用。二、課程教學的基本要求本課程是物理學本科專業(yè)的基礎課，因學時有限，在教學內容的選取上既要考慮中學物理教學的基礎,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,應著重介紹熱力學的基本概念及規(guī)律.有關熵和嫡增加原理的知識可根據具體情況決定取舍,但主要應由理論物理課程加以解決.在介紹熱現(xiàn)象的微觀理論時,只討論分子運動部分而不更多涉及統(tǒng)計物理學的內容.本課程也是學生在學完經典力學后學習非機械運動規(guī)律的第一門課程.在學習分子運動論時要特別強調由大量分子構成的系統(tǒng)所遵從的統(tǒng)計規(guī)律的特點,培養(yǎng)學生的辯證思維,克服學生在學完經典力學后容易產生機械唯物論思想的傾問.通過本課程的學習，使學生掌握熱力學的理論體系，能處理熱學的各類問題。教學過程中著重講清處理問題，解決問題的思路和方法。三、教學內容和學時分配12+14+12+16+8=62第一章熱學基本概念和物質聚集態(tài)12學時（課堂講授學時）主要內容：1、溫度(溫度計和溫標熱力學第零定律理想氣體狀態(tài)方程和理想氣體溫標)2、熱量及其本質(量熱學原子論分子力與分子運動)3.物質聚集態(tài)隨狀態(tài)參量的轉化與共存(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公式理想氣體定律的推導實際氣體)５、固體（晶體結構非晶態(tài)與準晶態(tài)固體中的分子熱運動）６、化學鍵(離子鍵共價鍵金屬鍵范德瓦爾斯健氫鍵)7、液體(表面張力)教學要求：1、確切理解與掌握溫度、熱量、熱容量、潛熱、化學鍵等基本概念。2、確切理解物質是由大量的分子、原子組成的，分子或原子作無規(guī)則的永不停息的熱運動，分子間有相互作用力。第二章熱平衡態(tài)的統(tǒng)計分布律14學時（課堂講授12學時+課程實驗2學時）1、麥克斯韋速度分布律(統(tǒng)計規(guī)律與分布函數的概念速度空間與速度分布函數麥克斯韋速度分布率的導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的分布（能級與量子態(tài)麥克斯韋-玻耳茲曼分布H定理能級離散性對熱容量的影響玻色-愛因斯坦分布和費米-狄拉克分布）5、費米氣體(量子關聯(lián)與量子簡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系式信息熵與遺傳密碼）教學要求：1、確切理解與掌握統(tǒng)計規(guī)律、分布函數、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。熟練掌握其應用。其它教學環(huán)節(jié)：習題課第三章熱力學第一定律12學時（課堂講授10學時+習題課2學時）主要內容：1、熱力學第一定律(能量守恒定律廣義功內能熱力學第一定律準靜態(tài)過程)2、氣體的熱容量內能和焓(熱容量焓焦耳實驗焦耳-湯姆孫效應節(jié)流膨脹液化氣體化學反應熱和生成焓)3、熱力學第一定律對理想氣體的應用（等溫過程絕熱過程大氣的垂直溫度梯度多方過程）4、循環(huán)過程和卡諾循環(huán)（循環(huán)過程理想氣體卡諾循環(huán)及其效率）教學要求：1、確切理解與掌握熱力學第一定律。2、確切理解與掌握氣體的熱容量、內能和焓的概念與定義。3、熟練地掌握熱力學第一定律的應用。4、確切理解循環(huán)效率的定義，熟練計算各種循環(huán)的效率。其它教學環(huán)節(jié)：習題課第四章熱力學第二定律16學時（課堂講授14學時+課程實驗2學時）主要內容：1、熱力學第二定律卡諾定理（熱力學第二定律卡諾定理熱力學溫標）2、卡諾定理的應用（內能和狀態(tài)方程的關系克拉珀龍方程及其在相變問題的應用）3.克勞休斯不等式與熵定理（克勞修斯不等式熵熱力學熵與玻耳茲曼熵）4、熱力學第二定律佯謬（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)的熱平衡判據定溫定體條件下的熱平衡判據定溫定壓條件下的熱平衡判據物體系內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平衡）6、連續(xù)相變超流（有序-無序轉變朗道二級相變理論液氦的超流現(xiàn)象準粒子）教學要求：1、確切理解與掌握可逆過程與不可逆過程、熱力溫標、熵、自由能等基本概念。2、確切理解與掌握熱力學第二定律。3、確切理解與掌握卡諾定理和應用4、確切理解與掌握熵的定義，熵的增加原理及熵的計算。5、理解與掌握熱平衡判據。6、掌握相變定義及克拉珀龍方程推導及應用。其它教學環(huán)節(jié)：實驗課第五章非平衡過程8學時（課堂講授7學時+習題課1學時）主要內容：1、近平衡態(tài)馳豫和輸運過程（平均自由程與碰撞頻率分子自由程的概率分布初級氣動理論）2、漲落關聯(lián)布朗運動（漲落臨界點的漲落布朗運動）3、分形4、線性不可逆過程熱力學（局域熱平衡概念熵流與熵產生廣義流和廣義力）5、耗散結構6、生命與生態(tài)環(huán)境（生命的熱力學基礎地球表面溫度與溫室效應蓋婭假說）7、熱宇宙模型（大爆炸，微波背景輻射熱寂說）教學要求：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算。2、理解與掌握輸運過程的宏觀規(guī)律及其微觀機制。3、了解熱力學漲落和布朗運動的理論。其它教學環(huán)節(jié)：習題課四、教學重點、難點及教學方法重點：狀態(tài)方程,麥克斯韋分布律,氣體內的輸送過程,準靜態(tài)過程,熱力學第一定律,循環(huán)過程,熱力學第二定律,可逆過程與不可逆過程,熵的統(tǒng)計意義難點：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、考核方式及成績評定方式：考試六、教材及參考書目推薦教材：趙凱