《理论物理概论（热力学统计物理学）》课程教学大纲

PAGE1PAGE6理论物理概论（热力学统计物理学）课程教学大纲(ConspectusofTheoreticalPhysics（ThermodynamicsandStatisticalPhysics）)学时数：48其中：实验学时：0课外学时：0学分数：3适用专业：物理学一、课程的性质、目的和任务《热力学统计物理学》由热力学和统计物理学两部分组成，是物理学专业的一门学科基础课程。它比热学有着更严谨更完整的理论结构，更多地使用数学语言表述定律、定理和物理结论。同时还为量子力学、固体物理学等后续课程奠定必要的基础。通过本课程的学习，一方面在于为学生较好地打好理论物理的基础，另一方面可以使学生进一步学习科学的思维方法以及研究、解决与热现象有关的问题的方法、技能，对学生毕业后的工作和进一步学习新理论、新技术,不断更新知识都将产生深远的影响。二、课程教学的基本要求（一）养学生的抽象思维能力、逻辑推理能力、空间想象能力和自学能力。（二）使学生对宏观物体的热现象及其相关现象的规律性有比较全面、系统的认识。（三）使学生掌握热力学和统计物理两种不同的研究方法，同时了解它们之间密切而深刻的联系。（四）通过学习使学生对一般的热现象能运用相关理论去进行分析、解决，培养学生综合运用知识去分析问题和解决问题的能力。三、课程的教学内容、重点和难点 第一章热力学的基本规律§1.1热力学系统的平衡状态及其描述§1.2热平稀定律和温度§1.3物态方程§1.4功§1.5热力学第一定律§1.6热容量和焓§1.7理想气体的内能§1.8理想气体绝热过程§1.9理想气体的卡诺循环§1.10热力学第二定律§1.11卡诺定理§1.12热力学温标§1.13§1.14熵和热力学基本方程§1.15理想气体的熵§1.16热力学第二定律的数学表达§1.17熵增加原理的简单应用§1.18自由能和吉布斯函数重点：理解温度、内能等概念，掌握热力学基本定律，掌握熵、熵增加原理及其应用。难点：熵、熵增加原理及其应用。第二章均匀物质的热力学性质§2.1内能、焓、自由能和布吉斯函数的全微分§2.2麦氏关系的简单应用§2.3气体的节流过程和膨胀与绝热膨胀过程§2.4基本热力学函数的确定§2.5特性函数§2.6热辐射的热力学理论§2.7磁介质的热力学§2.8获得低温的方法重点：难点：第三章单元系的相变§3.1热动平衡判据§3.2开系的热力学基本方程§3.3单元复相平衡条件§3.4单元复相平衡性质§3.5临界点和气液两相的转变§3.6液熵的形成§3.7相变的分类§3.8临界现象和临界指数§3.9朗道连续相变理论重点：理解热平衡判据、平衡条件，理解平衡稳定条件，掌握平衡性质。难点：热平衡判据的理解。第四章多元系的复相平衡和化学平衡§4.1多元系的热力学函数和热力学方程§4.2多元系的复相平衡条件§4.3吉布斯相律§4.4二元系的相图举例§4.5化学平衡条件§4.6合理想气体的性质§4.7想气体的化学平衡§4.8力学第三定律重点：热力学第三定律、化学平衡条件。难点：化学平衡条件。第五章不可逆热力学过程简介§5.1局域平衡熵流密度与局域熵产生率§5.2线性与非线性过程昂萨格关系§5.3温差电现象§5.4最小熵产生定律§5.5化学反应与扩散过程§5.6非平衡系统在非线性区的发展判据§5.7三分子模型与耗散结构的概念重点：最小熵产生定律。难点：最小熵产生定律。第六章近独立粒子的最概然分布§6.1粒子运动状态的经典描述§6.2粒子运动状态的量子描述§6.3系统微观状态的描述§6.4等概率原理§6.5分布和微观状态§6.6玻耳兹曼分布§6.7玻色分布和费米分布§6.8三种分布的关系重点：粒子运动状态的量子描述、玻耳兹曼分布、玻色分布、费米分布。难点：粒子运动状态的量子描述、玻耳兹曼分布、玻色分布、费米分布。第七章玻耳兹曼统计§7.1热力学量的统计表达式§7.2理想气体的物态方程§7.3麦克斯韦速度分布率§7.4能量均分定律§7.5理想气体的内能和热容量§7.6理想气体的熵§7.7固体热容量的爱因斯坦理论§7.8顺磁性固体§7.9负温度状态重点：麦克斯韦速度分布率、能量均分定律。难点：麦克斯韦速度分布率。第八章玻色统计和费米统计§8.1热力学量的统计表达式§8.2弱简并理想气体和费米气体§8.3玻色-爱因斯坦凝聚§8.4光子气体§8.5金属中的自由电子气体§8.6白矮星§8.7二维电子气体与量子霍尔效应重点：玻色-爱因斯坦凝聚、光子气体、金属中的自由电子气体。难点：玻色-爱因斯坦凝聚、金属中的自由电子气体。第九章系综理论§9.1相空间、刘维尔定理§9.2微正则分布§9.3微正则分布的热力学公式§9.4正则分布§9.5正则分布的热力学公式§9.6实际气体的物态方程§9.7固体的热容量§9.8液4He的性质和朗超流理论§9.9伊辛模型的平均场理论§9.10巨正则分布§9.11巨正则分布的热力学公式§9.12巨正则分布的简单应用重点：相空间、刘维尔定理、微正则分布、正则分布。难点：刘维尔定理。第十章系综理论§10.1涨落的准热力学理论§10.2临界点附近的涨落和关联§10.3布朗运动理论§10.4布朗颗粒动量的扩散和关联§10.5布朗运动简例重点：布朗运动理论、涨落的准热力学理论。难点：布朗运动理论、涨落的准热力学理论。第十一章非平衡态统计理论初步§11.1玻耳兹曼方程的弛豫时间近似§11.2气体的粘滞现象§11.3金属的电导率§11.4玻耳兹曼积分微分方程§11.5H定理§11.6细致平衡原理与平衡态的分布函数重点：气体的粘滞现象、H定理。难点：气体的粘滞现象、H定理。四、课程各教学环函数节要求1、讲授为主。教学过程中，要注意各部分内容之间的相互联系，贯彻少而精原则，使学生学在掌握主要知识的基础上，还要扩大知识面。此外，因课时的关系，教学过程中对教学内容的体系及先后次序，习题课，讨论课及自学等教学环节的安排及教学方法的使用，均可视具体的情况而适当调整，目的是熟悉基本内容,掌握重点,突破或了解难点。2、由于课时少，信息量大，教学方法应尽量利用现代教学手段，采用多媒体课件、优化组合教学、教学方法应在教师讲授的基础上兼顾学生自学。五、学时分配 教学内容各教学环节学时分配作业题量备注章节主要内容讲授实验讨论习题课外其它小计一热力学的基本定律7184二均匀物质的热力学性质443三单元系的相变4153四多元系的复相平衡和化学平衡221五不可逆过程热力学简介11六近独立粒子的最概然分布8195七玻耳兹曼统计6173八玻色统计和费米统计5164九系综理论3142十涨落理论111十一非平衡态统计理论初步11合计4264826六、课程与其它课程的联系本课程是在普通物理尤其是热学这一课程基础上升华、提高的。《高等数学》和《普通物理》是本课程必需的重要的先修课，此外，《电动力学》、《量子力学》的相关理论也在本课程得到应用。尤其要注意的是《热力学统计物理学》不象经典力学、量子力学、电动力学等具有确定的研究领域，凡是由大量较小单位或较多层次构成的系统都属于它的研究范围，故从这个角度说，《热力学统计物理学》既是物理学又是方法论。七、教材与教学参考书（一）教材：汪志诚.热力学·统计物理（第三版）.北京：高等教育出版社