《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》課程教學(xué)大綱

《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》教學(xué)大綱課程名稱：熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)英文名稱：ThermodynamicsandStatisticalPhysics課程編號(hào)：F047091621學(xué)分：3總學(xué)時(shí)/課內(nèi)實(shí)踐學(xué)時(shí)：48/0課程性質(zhì)：必修課程開(kāi)課單位：數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院應(yīng)用物理系基層教學(xué)組織適應(yīng)對(duì)象：應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)一、課程簡(jiǎn)介熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是應(yīng)用物理學(xué)的專業(yè)核心課程，是理論物理學(xué)的重要組成部分，是許多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握與熱現(xiàn)象有關(guān)的物質(zhì)宏觀性質(zhì)的唯象理論與平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)理論，了解二者的特點(diǎn)與聯(lián)系，掌握熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的研究方法，了解當(dāng)前的研究動(dòng)態(tài)及進(jìn)展，進(jìn)一步提升對(duì)熱現(xiàn)象、熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)思維和創(chuàng)新精神。其內(nèi)容包括熱現(xiàn)象的熱力學(xué)理論與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)理論，前者為熱現(xiàn)象的宏觀理論，后者為微觀理論，包括平衡態(tài)熱力學(xué)、平衡態(tài)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)與量子統(tǒng)計(jì)。該課程的考核方式為閉卷考試。授課中介紹最近幾年我國(guó)在熱物理學(xué)方面取得的偉大成就及面臨的問(wèn)題，增長(zhǎng)知識(shí)見(jiàn)識(shí)的同時(shí)激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)。Thermodynamicsandstatisticalphysicsisthecorecourseofappliedphysicsspecialty,animportantpartoftheoreticalphysics,andthefoundationofmanymodernscienceandtechnology.Bystudyingthiscourse,studentswillinitiallymasterthephenomenologicaltheoryofmacroscopicpropertiesofmatterandequilibriumstatestatisticaltheoryrelatedtothermalphenomena,understandthecharacteristicsandrelationsofthetwotheory,mastertheresearchmethodsofthermodynamicsandstatisticalphysics,understandthecurrentresearchtrendsandprogress,furtherimprovetheunderstandingofthermalphenomenaandthermalmotionlaws,andcultivatescientificthinkingandinnovativespirit.Itscontentsincludethermodynamictheoryofthermalphenomenaandstatisticalphysicstheory.Theformeristhemacroscopictheoryofthermalphenomena,thelatteristhemicroscopictheory,includingequilibriumthermodynamics,classicalstatisticsofequilibriumstatesandquantumstatistics.Thecourseisassessedbyaclosedbookexamination.Inthelecture,weintroducethegreatachievementsandproblemsinthefieldofthermalphysicsinrecentyearstostimulatethesenseofmissiontoserveourcountrywithscienceandtechnology.二、課程目標(biāo)1．培養(yǎng)科學(xué)思維方法和科學(xué)精神，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的的能力，培養(yǎng)科學(xué)的世界觀。2．較系統(tǒng)地掌握熱物理學(xué)的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，掌握分析由大量微觀粒子構(gòu)成的熱力學(xué)系統(tǒng)的有效方法。3．了解熱物理學(xué)的理論前沿、發(fā)展動(dòng)態(tài)、應(yīng)用前景和面臨的問(wèn)題。了解我國(guó)古人在熱物理學(xué)中的偉大創(chuàng)舉和當(dāng)代中國(guó)科學(xué)家所取得的一系列成就，增長(zhǎng)見(jiàn)識(shí)的同時(shí)激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)。1.Cultivatingscientificthinkingmethodandscientificspirit,improvingtheabilitytoanalyzeandsolveproblems,andcultivatingascientificworldview.2.Masteringsystematicallythebasictheories,knowledgeandskillsofthermalphysics,andmasteringtheeffectivemethodsofanalyzingthethermodynamicsystemcomposedofalargenumberofmicroscopicparticles.3.Understandingthetheoreticalfrontiers,developmenttrends,applicationprospectsandproblemsofthermalphysics.LearningaboutthegreatpioneeringworkofancientChineseinthermalphysicsandaseriesofachievementsmadebycontemporaryChinesescientists,broadeningtheirknowledgeandinspiretheirmissiontoserveourcountrywithscienceandtechnology.三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)關(guān)系本課程的課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐情況如表1所示：表1課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)畢業(yè)要求1：素質(zhì)要求①1畢業(yè)要求2：知識(shí)要求①2畢業(yè)要求3：知識(shí)要求④3四、課程教學(xué)安排課程共有7項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容，具體安排如下。表2：課程教學(xué)安排表序號(hào)教學(xué)內(nèi)容思政元素課堂教學(xué)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)小計(jì)1熱力學(xué)的基本定律科學(xué)精神培養(yǎng)102均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)愛(ài)國(guó)教育科學(xué)精神培養(yǎng)63單元系的相變愛(ài)國(guó)教育科學(xué)精神培養(yǎng)64多元系的復(fù)相平衡熱力學(xué)第三定律科學(xué)精神培養(yǎng)45近獨(dú)立粒子的最概然分布科學(xué)精神培養(yǎng)86玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)愛(ài)國(guó)教育科學(xué)精神培養(yǎng)107費(fèi)米統(tǒng)計(jì)和玻色統(tǒng)計(jì)科學(xué)精神培養(yǎng)4合計(jì)48教學(xué)安排1.熱力學(xué)的基本定律教學(xué)要求：了解熱力學(xué)的基本概念，熟練地掌握熱力學(xué)平衡狀態(tài)及其描述、熱力學(xué)第零、第一和第二定律，掌握熱容量、焓、絕熱方程和卡諾循環(huán)；熟練地掌握與物態(tài)方程有關(guān)的三個(gè)熱力學(xué)系數(shù)，掌握求解簡(jiǎn)單熱力學(xué)系統(tǒng)物態(tài)方程的方法；掌握準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中功的表達(dá)式，能熟練地借助于過(guò)程方程或狀態(tài)方程計(jì)算具體過(guò)程的功；掌握克勞修斯等式和不等式、熵的概念及其性質(zhì)，掌握理想氣體熵函數(shù)的表達(dá)式；掌握均勻封閉系熱力學(xué)基本方程的一般形式，明確熱力學(xué)基本方程的重要意義；掌握熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表述，掌握熵增加原理及應(yīng)用；熟練地掌握系統(tǒng)在變化過(guò)程中熵的計(jì)算方法；掌握自由能、吉布斯函數(shù)的概念，了解最大功原理的意義教學(xué)內(nèi)容：溫度及物態(tài)方程，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，功；熱力學(xué)第一定律、第二定律；卡諾定理、熱力學(xué)基本方程、熵增加原理和熵差的計(jì)算重點(diǎn)難點(diǎn)：熱力學(xué)第一定律；熱力學(xué)第二定律和熵增加原理；熱力學(xué)基本方程；熵差的計(jì)算；不可逆過(guò)程的判斷思政元素：通過(guò)焦耳持續(xù)幾十年時(shí)間用電量熱法和機(jī)械熱量法等測(cè)量熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)，表明只有持續(xù)不斷地堅(jiān)持探索，才能取得科學(xué)原理的突破和確立，并以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。2.均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)教學(xué)要求：掌握均勻物質(zhì)系統(tǒng)的內(nèi)能、焓、自由能和吉布斯函數(shù)等熱力學(xué)函數(shù)及熱力學(xué)基本方程，理解焓、自由能及吉布斯函數(shù)的物理意義。熟練地掌握特性函數(shù)的概念、麥?zhǔn)详P(guān)系及其應(yīng)用，明確特性函數(shù)與熱力學(xué)函數(shù)之間的區(qū)別和聯(lián)系；掌握氣體的節(jié)流過(guò)程與絕熱膨脹過(guò)程；能確定簡(jiǎn)單系統(tǒng)的基本熱力學(xué)函數(shù)，明確熱力學(xué)函數(shù)方法應(yīng)用的普遍性，熟悉并掌握熱力學(xué)函數(shù)方法的特點(diǎn)；了解表面的熱力學(xué)性質(zhì)；掌握磁介質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)；掌握平衡輻射場(chǎng)的熱力學(xué)性質(zhì)教學(xué)內(nèi)容：內(nèi)能、焓、自由能、吉布斯函數(shù)的全微分；麥克斯韋關(guān)系；特性函數(shù)；節(jié)流膨脹過(guò)程與絕熱膨脹過(guò)程；熱輻射的熱力學(xué)理論重點(diǎn)難點(diǎn)：熱力學(xué)函數(shù)的全微分；特性函數(shù)、麥克斯維關(guān)系；麥克斯韋關(guān)系及其應(yīng)用思政元素：由熱力學(xué)第二定律引出的熵增原理等熱力學(xué)理論在其他學(xué)科中也有重要應(yīng)用，如在城市發(fā)展規(guī)劃和生態(tài)保護(hù)及規(guī)劃中的應(yīng)用，典型的理論有“耗散結(jié)構(gòu)”、“信息熵”等等。在教學(xué)過(guò)程中，以資源型城市的轉(zhuǎn)型發(fā)展規(guī)劃，如煤炭資源城市生態(tài)的保護(hù)和規(guī)劃發(fā)展等相關(guān)案例嵌入熱力學(xué)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，也可作為思政元素切入點(diǎn)引入課堂。拓展學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。增長(zhǎng)知識(shí)見(jiàn)識(shí)的同時(shí)激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)。3.單元系的相變教學(xué)要求：掌握熱力學(xué)系統(tǒng)的熱動(dòng)平衡判據(jù)，明確均勻系統(tǒng)的平衡條件和平衡的穩(wěn)定性條件；掌握開(kāi)放系的熱力學(xué)基本方程，理解化學(xué)勢(shì)的概念；掌握單元系的復(fù)相平衡條件和平衡性質(zhì)；理解液、氣兩相的轉(zhuǎn)變及范德瓦爾斯等溫線，了解臨界點(diǎn)的意義；了解液滴的平衡條件與形成，理解亞穩(wěn)態(tài)的概念，了解氣泡形成；了解一級(jí)相變與二級(jí)相變的特征教學(xué)內(nèi)容：熱動(dòng)平衡判據(jù)、熱動(dòng)平衡條件、熱動(dòng)平衡的穩(wěn)定性條件；開(kāi)放系統(tǒng)的熱力學(xué)基本公式；單元二相系的平衡、克拉珀龍方程；氣、液平衡相變，臨界現(xiàn)象；相變的分類重點(diǎn)難點(diǎn)：?jiǎn)卧嘞档钠胶?；臨界現(xiàn)象；熱動(dòng)平衡判據(jù)；克拉珀龍方程；相變的分類；熱動(dòng)平衡的穩(wěn)定性條件思政元素：介紹我國(guó)著名物理化學(xué)家黃子卿教授測(cè)到水的三相點(diǎn)的相關(guān)故事。在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)定如此高的精度是非常不簡(jiǎn)單的。測(cè)到的水的三相點(diǎn)精度作為熱力學(xué)溫標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)被國(guó)際上推崇，并作為通用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)非常精確，獲得美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的認(rèn)可，并以此為標(biāo)準(zhǔn)確立了絕對(duì)零度。成功源自艱辛地付出，源自嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的工作作風(fēng)和探究精神，這也正是我們工作學(xué)習(xí)中需遵守的準(zhǔn)則。不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并且民族自豪感油然而生。4.多元系的復(fù)相平衡·熱力學(xué)第三定律教學(xué)要求：理解多元復(fù)相系熱力學(xué)函數(shù)的一般性質(zhì)，掌握多元系的熱力學(xué)基本方程；明確多元系的復(fù)相平衡條件；理解相律及其應(yīng)用；掌握熱力學(xué)第三定律，了解物質(zhì)在低溫下的一些極限性質(zhì)教學(xué)內(nèi)容：多元系的復(fù)相平衡條件、多元系的復(fù)相平衡穩(wěn)定性條件，相律，相圖；熱力學(xué)第三定律重點(diǎn)難點(diǎn)：多元復(fù)相系的平衡條件、相律；熱力學(xué)第三定律；多元復(fù)相系的相圖；熱力學(xué)第三定律。5.近獨(dú)立粒子的最概然分布教學(xué)要求：掌握粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的經(jīng)典描述與量子描述，正確理解μ空間；掌握系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的經(jīng)典描述與量子描述；掌握等概率原理的意義，明確宏觀量是微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值的意義；理解分布和微觀狀態(tài)的概念及三種系統(tǒng)；掌握玻耳茲曼分布、玻色分布及費(fèi)米分布；正確理解微觀態(tài)、宏觀態(tài)和最概然分布的概念；掌握三種分布的關(guān)系、經(jīng)典極限條件及其意義教學(xué)內(nèi)容：粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的經(jīng)典描述和量子描述，系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述；微觀態(tài)分布；等概率原理；玻爾茲曼分布、費(fèi)米分布和玻色分布；三種分布的關(guān)系重點(diǎn)難點(diǎn)：等概率原理；玻爾茲曼分布、費(fèi)米分布和玻色分布；三種分布的關(guān)系；粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的經(jīng)典描述和量子描述；系統(tǒng)微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述6.玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)教學(xué)要求：掌握定域系統(tǒng)和滿足非簡(jiǎn)并性條件的非定域系統(tǒng)的熱力學(xué)公式；掌握玻耳茲曼關(guān)系和熵函數(shù)的統(tǒng)計(jì)意義；了解用玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)討論理想氣體物態(tài)方程的方法。教學(xué)內(nèi)容：玻爾茲曼分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律及其熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)公式；理想氣體的物態(tài)方程；能量均分定理；麥克斯韋速度分布律；固體熱容量的愛(ài)因斯坦理論；理想氣體內(nèi)能、熱容量和熵重點(diǎn)難點(diǎn)：玻爾茲曼系統(tǒng)熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)公式；固體熱容量的愛(ài)因斯坦理論思政元素：以錢學(xué)森回國(guó)早年在科學(xué)院講授單原子分子理想氣體配分函數(shù)的事例為切入點(diǎn)，從麥克斯韋-玻爾茲曼分布出發(fā)，推演單原子分子理想氣體配函數(shù)，并借此講述錢學(xué)森回國(guó)后對(duì)中國(guó)科學(xué)事業(yè)三個(gè)方面的貢獻(xiàn)（工程物理學(xué)、理論物理學(xué)、思維科學(xué)），引導(dǎo)學(xué)生努力打好物理基礎(chǔ)，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)，激發(fā)學(xué)術(shù)為國(guó)家科技事業(yè)貢獻(xiàn)力量的熱情7.費(fèi)米統(tǒng)計(jì)和玻色統(tǒng)計(jì)教學(xué)要求：掌握費(fèi)米分布和玻色分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律及其熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)公式；了解金屬中的自由電子，掌握理想玻色氣體的性質(zhì)教學(xué)內(nèi)容：費(fèi)米分布和玻色分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律及其熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)公式；理想玻色氣體，光子氣體，玻色一愛(ài)因斯坦凝聚；理想費(fèi)米氣體，金屬中的自由電子重點(diǎn)難點(diǎn)：費(fèi)米分布和玻色分布的熱力學(xué)量統(tǒng)計(jì)公式；光子氣體和金屬中的自由電子氣體；玻色一愛(ài)因斯坦凝聚五、課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容及要求無(wú)。六、課程考核與評(píng)價(jià)根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的表現(xiàn)給出平時(shí)成績(jī)，平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)30%，平時(shí)成績(jī)的依據(jù)是出勤、課堂表現(xiàn)、作業(yè)完成情況。本課程采用閉卷筆試方式進(jìn)行考核，考試的卷面成績(jī)也就是期末成績(jī)，占總成績(jī)的70%。具體見(jiàn)表3。表3：成績(jī)?cè)u(píng)定方式表考核環(huán)節(jié)分值考核/評(píng)價(jià)細(xì)則出勤100以課上提問(wèn)、點(diǎn)名、