热力学与统计物理学.doc

热力学与统计物理学 (专业限选课) Thermodynamics and statistical physics以下部分标题填写用黑体五号字体，具体填写内容字体为宋体五号）【课程编号】xz26390【课程类别】专业限选【学分数】3.5【编写日期】2010.3.30【学时数】66=60+6【先修课程】高数、热学【适用专业】物理学 一、教学目的、任务热力学与统计物理学是高等院校物理专业一门基础的专业理论课，是研究热运动的规律、与热运动有关的物性及宏观物质系统的演化的科学。学习本课程的主要目的是:了解热力学的基本概念,掌握热力学的三个基本定律,并能熟练应用了解统计物理的基本概念,掌握和区分三种基本统计的核心内容。通过该课程的学习初步建立分析微观世界的思路和方法,培养学生分析问题,解决问题,进行创造性思维的能力,为本专业后续课程打下良好基础。二、课程教学的基本要求热力学和统计物理都是研究有关热现象的理论.热力学是宏观理论,统计物理是微观理论,两种方法相辅相成,相互融会贯通,取长补短,应使学生掌握这两种研究方法,并受到足够的训练.二者不同之处在于采用了不同的出发点,因而也就决定了采用不同的处理问题的方法.该课程是物理专业重要的理论基础课程.通过该课程的学习是学生初步建立分析微观世界的思路和方法,并培养学生分析问题,解决问题,进行创造性思维的能力。三、教学内容和学时分配 8 + 6 + 6 + 4 + 6+ 8 + 12 + 8 + 8 = 66第一章热力学的基本规律 8学时（课堂讲授学时）主要内容：1 热力学系统的平衡状态及其描述(热力学系统，外界，孤立系，闭系，开系，热力学平衡态，状态参量，状态函数，简单系统，相与相变)2 热平衡定律和温度(温度，热平衡，热平衡定律，温标，温度计，理想气体温标)3 物态方程(物态方程，体胀系数，压强系数，等温压缩系数，理想气体物态方程，范氏方程，居里定律，广延量和强度量)4 功(准静态过程，表面薄膜，电介质，磁介质)5 热力学第一定律(绝热过程，内能，热量)6 热容量和焓(热容量，比热，焓)7 理想气体的内能(焦耳系数，焦耳定律，绝热指数)8 理想气体的绝热过程(绝热过程，绝热方程)9 理想气体的卡诺循环(卡诺循环，热功转换效率)10 热力学第二定律(热力学第二定律的克氏说法和开氏说法，第二类永动机，可逆过程)11卡诺定理(卡诺定理的导出与意义)12 热力学温标(热力学温标定义与实现)13 克劳修斯等式和不等式(克劳修斯等式和不等式导出与意义)14 熵和热力学基本方程(熵，热力学基本方程)15 理想气体的熵(理想气体的熵和熵变)16 热力学第二定律的数学表述(热力学第二定律的普遍表述，熵增加原理)17 熵增加原理的简单应用(熵增加原理的应用)18 自由能和吉布斯函数(自由能，最大功定理，吉布斯函数)教学要求：1、熟练掌握热力学的有关基本概念2、熟练掌握温度、物态方程的定义及应用3、牢固掌握热力学第一、二定律及其应用4、确切理解和掌握卡诺定理及热力学温标5、确切理解和掌握熵的定义、熵的性质和熵增加原理，熟练掌握熵的计算第二章 均匀物质的热力学性质 6学时（课堂讲授学时）1内能,焓,自由能和吉布斯函数的全微分(全微分条件，内能的全微分，焓的全微分，自由能和吉布斯函数的全微分)2麦氏关系的应用(麦氏关系，焦耳系数的计算，焦汤系数的计算，定压热容量与定容热容量的关系)3气体的节流膨胀与绝热膨胀(节流过程，焦汤效应，反转曲线，绝热膨胀过程)4基本热力学函数的确定(内能的确定，熵的确定，其他热力学函数的确定)5特性函数(特征函数的概念，典型特征函数，表面系统)6热辐射的热力学理论(平衡辐射，平衡辐射的热力学函数，斯特藩-玻尔兹曼定律)7磁介质的热力学* 8获得低温的方法教学要求：1、牢固掌握四个热力学基本方程2、牢固掌握四个麦氏关系并能熟练应用3、确切理解与掌握热力学函数及特性函数的性质与确定4、理解节流过程和绝热膨胀过程的特点与性质。了解低温是如何获得的。5、了解平衡辐射和磁介质的热力学。第三章单元系的相变 6学时（课堂讲授学时）主要内容：1热动平衡判据(自由能判据和吉布斯判据，平衡的稳定性)2开系的热力学基本方程(化学势，开系的热力学基本方程)3单元系的复相平衡条件(单元系的复相平衡条件，不平衡时的演化方向)4单元复相系的平衡性质(临界点，克拉珀龙方程，蒸气压方程)5临界点和气液两相的转变6液滴的形成7相变的分类(连续相变，爱伦费斯特方程)*8临界现象和临界指数*9朗道连续相变理论教学要求：1、掌握平衡判据的方法2、确切理解和掌握开放系的热力学基本方程3、确切理解和掌握复相平衡条件和平衡性质4、正确理解和掌握气液两相转变的特点与性质以及液滴形成的过程与条件5、了解相变的定义及其分类第四章 多元系的复相平衡和化学平衡 4 学时（课堂讲授学时）主要内容：1多元系的热力学函数和热力学方程(齐次函数的欧拉定理，偏摩尔量，多元系的热力学基本方程)2多元系的复相平衡条件(多元系的复相平衡条件，不平衡时的演化方向)3吉布斯相律(摩尔分数，吉布斯相律)*4二元系相图举例*5化学平衡条件(单相化学反应方程，化学平衡条件，反应度)*6混合理想气体的性质(分压，道尔顿分压定律，混个理想气体的物态方程，混合理想气体的热力学函数)*7理想气体的化学平衡(平衡常量，质量作用律，平衡反应度的计算) 8热力学第三定律(能斯特定理，绝对零度不能达到原理，绝对熵)教学要求：1.准确掌握多元系的热力学函数和热力学方程。2.确切掌握和理解多元复相系平衡条件3.确切理解吉布斯相律4.掌握理解混合理想气体的性质5.准确理解和掌握热力学第三定律第五章 不可逆过程热力学简介 6 学时（课堂讲授学时+课程实验学时） 主要内容：1局域平衡 熵流密度和局域熵产生率2 线性与非线性过程 昂萨格倒易关系3温差电现象4最小熵产生定理5化学反应与扩散过程6非平衡系统在非线性区的发展判据7三分子模型与耗散结构的概念教学要求： 掌握局域平衡 熵流密度和局域熵产生率。其它教学环节：2学时 习题第六章 近独立粒子的最概然分布 8 学时（课堂讲授学时） 主要内容：1粒子运动状态的经典描述(广义坐标和广义动量，J空间，准自由粒子，线性谐振子)2粒子运动状态的量子描述(波粒二象性，德布罗意关系，量子态和量子数，兼并度，相格)3系统微观运动状态的描述(全同粒子，近独立粒子，全同性原理，经典粒子和玻尔兹曼系统，玻色子和玻色系统，费米子和费米系统)4等概率原理(统计平均值，等概率原理)5分布和微观状态(分布，微观状态数，经典极限条件)6玻耳兹曼分布(最概然分布，拉格朗日未定乘子法，玻尔兹曼分布)7玻色分布和费米分布(玻色分布，费米分布)8三种分布的关系(经典极限条件下的玻色分布和费米分布，定域系统)教学要求：1.理解与掌握微观运动态是如何描述的。2.理解玻尔兹曼分布的推导过程，牢固掌握玻尔兹曼分布. 3.理解玻色分布和费米分布的推导过程，牢固掌握玻色分布和费米分布。4.确切理解三种分布的关系，掌握它们过度的条件。第七章 玻耳兹曼统计 12 学时（课堂讲授学时+课程实验学时） 主要内容：1热力学量的统计表达式(粒子配分函数，内能，广义力和熵的统计表达式，玻尔兹曼关系)2理想气体的物态方程(理想气体的物态方程，经典极限条件)3麦克斯韦速度分布律(麦克斯韦速度分布律，气体分子的速率分布，最概然速率、平均速率和方均根速率)4能量均分定理(能量均分定理及其适用范围，杜隆-珀蒂定律，瑞利金斯公式)5理想气体的内能和热容量(单原子分子理想气体的内能和热容量，双原子分子理想气体的内能和热容量)6理想气体的熵(单原子分子理想气体的熵和化学势)*7固体热容量的爱因斯坦理论(固体热容量的爱因斯坦理论，爱因斯坦特征温度等概率原理)*8顺磁性固体*9负温度状态教学要求：1、确切的理解和掌握玻耳兹曼统计及热力学量的统计表达式2、熟练掌握玻耳兹曼统计的应用其它教学环节：2学时 习题第八章 玻色统计和费米统计 8 学时（课堂讲授学时+课程实验学时） 主要内容：1热力学量的统计表达式(巨配分函数，热力学量的统计表达式)2弱简并理想玻色气体和费米气体(粒子数和内能的弱简并展开，统计关联的等效作用) 3玻色爱因斯坦凝聚4光子气体(光子的性质，普朗克公式，斯特藩-玻尔兹曼定律，维恩位移定律)5金属中的自由电子气体*6白矮星*7二维电子气体与量子霍耳效应教学要求：1、确切理解和掌握玻色统计和费米统计及热力学量的表达式2、熟练地掌握应用玻色统计和费米统计求解一些问题的方法与步骤3、弄清并熟记各种气体的性质 第九章 系综理论 8 学时（课堂讲授学时+课程实验学时） 主要内容：1相空间 刘维尔定理(光子的性质，普朗克公式，斯特藩-玻尔兹曼定律，维恩位移定律)2微正则分布3微正则分布的热力学公式4正则分布5正则分布的热力学公式6实际气体的物态方程7固体的热容量8液4He的性质和朗道超流理论9伊辛模型的平均场理论10巨正则分布11 巨正则分布的热力学公式12巨正则分布的简单应用教学要求：1、了解与掌握相空间、刘维尔定理的基本内容。2、了解和掌握微正则分布的基本内容和基本思想。3、确切理解与掌握正则分布的内涵及其与热力学量的关系；并掌握它们解决问题的一般方法。4、理解与掌握巨正则分布的内容及其与热力学量的关系；了解它的简单应用。5、注意区分三种系综的区别和联系。其它教学环节：2学时 习题四、教学重点、难点及教学方法重点：温度与物态方程，热力学的基本定律，热力学函数的定义、表示式及物理含义，热力学系统相（化学）平衡及各相（各化学成分）间转变的条件及特征，宏观物体的统计规律，微观粒子的量子属性， Boltzmann 关系， Liouville 定理，系综和系综分布，近独立子系系统及其分布，平衡态统计理论的应用，涨落理论， Boltzmann 输运方程及弛豫时间近似等。难点：温度、熵、平衡态、可逆和不可逆，热力学系统平衡的条件及判据，统计物理学的基本原理，近独立子系系统和强相互作用系统，利用适当的分布确定热力学系统的性质，输运现象与 Boltzmann 方程等 五、考核方式及成绩评定方式：考试六、教材及参考书目 推荐教材：