《热力学统计物理》课程教学大纲

《热力学统计物理》课程教学大纲

课程代码：060114课程性质：专业必修总学时：64学时

总学分：4开课学期：5适用专业：物理学

先修课程：热学、原子物理学后续课程：固体物理、天号物理

一、课程介绍

《热力学与统计物理》是物理学专业的主干课程，属于四大力学之一，它主要研究热运

动的规律，与热运动有关的物性及对宏观物质系统的演化。《热力学与统计物理》的基本理

论是物理学专业的学生所必须掌握的。本课程主要是让学生在完成普通物理学、热学和原子

物理学等的基础匕运用适当的数学知识对物质热运动规律有较系统和深入的认识。通过本

课程的学习可以领略到数学与物理结合的美妙，激发学生的学习兴趣，促使他们了解本学科

的最新发展动态,对培养具有一定科研能力的科技工作者和中学物理教师具有重要意义。《热

力学与统计物理》课程研究问题的方法与化学、生物、信息等学科有着密切的联系。现代科

学发展的趋势使所研究的功能材料和器件尺寸越来越小，集成度越来越高，因此原子团物理、

纳米科学与技术在快速发展，将进入分子、电子学时代，在这些学科领域量子效应和统计特

性将起主要作用。

二、本课程教学在专业人才培养中的地位和作用

《热力学与统计物理》是为物理学专业学生开设的一门重要基础理论课，在教学计划中

列为专业主干必修课程。通过本课程的学习，使学生对热学理论的认识进一步深化，特别是

建立在微观理论上的统计物理学，将帮助学生了解大量粒子所构成的系统的统计规律性，并

掌握分析这类系统的有效方法。为今后从事有关热现象的科学研究和技术工作打下坚实的基

础。

三、本课程教学所要达到的基本目标

通过《热力学与统计物理》的教学应达到如下教学目标：

(1)对生产生活中常见的热现象有较广泛和丰富的认识，对物质热运动的基本概念和规

律有深入的理解，知道这些知识在生产、生活和科学技术中的实际应用。

(2)能分析、比较与物质热运动有关的物理事实，找出共同特征，概括出物理概念和规

律。能运用所学热运动物理知识解释或解决一些实际问题，具有一定科学研究能力。能阅读

与教材水平相近的参考书，分析热学、分子物理学教科书及浅近的研究论文。学会分析高中

教材和中专物理教材相应的部分。

（3）树立物质世界是分层次的、宏观现象与微观本质深刻联系、量的积累引起质的变化

等物理学基本观点。

（4）了解本学科最新发展动态，知道一些学者、科学家勇于探索无私奉献的爱国主义精

神，激发求知欲望和树立献身物理教育的决心。

四、学生学习本课程应掌握的方法与技能

通过本课程的学习学会热力学与统计物理研究问题的•些特殊方法（热力学方法、力学

方法、量子力学方法和统计热力学方法等）及其中包括的•般科学方法，使学生具备和掌握

针对问题建立假设和模型上升到理论等。

五、本课程与其他课程的联系与分工

本课程是在学生已掌握《热学》、《原子物理学》、《量子力学》、《高等数学》等前

置课程的基本理论和实验技能的基础上开出，通过本课程学习，学生将系统学习热力学与统

计物理的基本概念、基本原理和发展规律，并能在今后的科研及生产实践中，运用这些规律

去分析问题和解决问题。

六、本课程的教学内容与目的要求

【第一章】热力学的基本规律（12学时）

1、教学目的和要求：

（1）知道热力学系统的平衡态及其判别方法：知道理想，体内能的微观意义：知道理

想气体的燃。

（2）理解热平衡定律和温度物理的意义：理解热力学第一定律并能用它处理和解决日

常生活中遇到的实际问题：理解理想气体的卡诺循环和卡诺定理：理解克劳修斯等式和不等

式：理解自由能和吉布斯函数的意义。

（3）掌握热力学第二定律的数学表述：掌握几种常见的物态方程和功的表达式：掌握

热力学第二定律的两种表述及其等效性：掌握炳增加原理及其应用。

2、教学内容：

（1）1.1热力学系统的平衡状态及其描述1.2热平衡定律和温度1.3物态方程

（2）1.4功1.5热力学第一定律1.6热容量和培

（3）1.7理想气体的内能1.8理想气体的绝热过程1.9理想气体的卡诺循环

（4）1.10热力学第二定律1.11卡诺定理1.12热力学温标1.13克劳修斯等式和不

等式

（5）1.14嫌和热力学基本方程1.15理想气体的炳1.16热力学第二定律的数学表

述

（6）1.17端增加原理的荷单应用1.18自由能和吉布斯函数（习题）

3、教学重点和难点：

（1）重点：热力学第一定律、热力学第二定律和燃增加原理。

（2）难点：应用热力学第一定律和热力学第二定律的数学表达式进行运算。

4、本章思考题：

（1）孤立系统的烯增加原理对生命体是否适用？

（2）、分析宇宙热寂说的观点是否合理？

【第二章】均匀物质的热力学性质（8学时）

1、教学目的和要求；

（1）能够根据内能、焰、自由能和吉布斯函数的全微分推导出麦氏关系，能够推导系

统的基本热力学函数。

（2）知道麦氏关系在热力学中的应用，知道使获取低温的常用方法•节流过程和绝热膨

胀过程，知道低温技术在现代科学技术中的重要应用。

（3）理解麦氏关系的物理意义，理解热力学理论在热辐射场中的应用。

（4）掌握根据特性函数求出均匀系统的全部热力学函数的方法。

2、教学内容；

（1）2.1内能、玲、自由能和吉布斯函数的全微分2.2麦氏关系的简单应用

（2）2.3气体的节流过程和绝热膨胀过程2.4基本热力学函数的确定

（3）2.5特性函数2.6热辐射的热力学理论

（4）2.7磁介质的热力学（习题）

3、教学重点和难点：

（1）重点：由热力学函数（内能、熔、自由能、吉布斯函数）的全微分推导出的麦氏

关系，基本热力学函数的确定，特性函数。

（2）难点：麦氏关系的推导及其应用，低温的获取.

4、本章思考题：

（1）绝热去磁致冷的原理及其在现代科学技术中的应用？

（2）黑体辐射的原理？

【第三章】单元系的相变（6学时）

1、教学目的和要求：

（1）理解开系的热力学方程的物理意义。

（2）掌握用热动平衡判据如炳判据、自由能判据等判断系统是否处于平衡状态，掌握

单元复相系的平衡条件以及平衡未满足时相变发生的方向。

（3）了解铁磁系统的临界现象和临界指数、朗道连续相变理论。

2、教学内容：

（1）3.1热动平衡判据3.2开系的热力学基本方程

（2）3.3单元系的复相平衡条件3.4单元复相系的平衡性质

（3）3.5临界点和气液两相的转变3.7相变的分类3.9知道连续相变理论

3、教学重点和难点：

（1）重点：热动平衡判据判断系统是否处于平衡状态以及相变的方向，开系的热力学

基本方程，单元复相系的平衡条件，相变的分类。

（2）难点：单元复相系的平衡条件、液滴的形成。

4、本章思考题：

（1）过饱和蒸气和过热液体的形成原因？

（2）用朗道连续相变理论分析单轴各向异性铁磁体的相变？

【第四章】多元系的复相平衡和化学平衡（8学时）

1、教学目的和要求：

（1）在前几章的基础上进一步掌握多元系的热力学函数和热力学方程，能推导多元系

的复相平衡条件。能够根据吉布斯相律来理解二元系相图。

（2）知道吉布斯相律的意义，即多元复相系达到平衡时的独立参量数。

（3）理解多元系中各组元可以发生化学反应时系统达到平衡所要满足的条件。

2、教学内容；

（1）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

（2）4.5化学平衡条件4.6混合理想气体的性质

（3）4.7理想气体的化学平衡4.8热力学第三定律

（4）（3、4章习题）

3、教学重点和难点：

（1）教学重点：多元系的巨相平衡条件，吉布斯相律，化学平衡平衡条件及其应用，

混合理想气体的性质。

（2）教学难点：化学平衡条件，热力学第三定律的推导和证明。

4、本章思考题：

（1）、讨论多元系中各组元可以发生化学反应时系统达到平衡所要满足的条件？

（2）、绝对零度为何不能到达？与实物粒子的速度不能到达光速有何异同？

（3）、同种理想气体混合后的炳增为多少？如何理解吉布斯徉谬？

【第六章】近独立粒子的最概然分布（8学时）

1、教学目的和要求：

（1）知道微观粒子运动状态的经典描述和量子描述，知道等概率原理，经典极限条件

等。

（2）掌握系统微观运动状态的描述，掌握玻耳兹曼系统、玻色系统和费米系统的区别

和联系，理解与之对应的三种分布并会推导。

（3）理解分布和微观状态的概念及其关系。

（4）培养学生用统计学和数学建模等方法探讨物理问题。

2、教学内容：

（1）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

（2）6.3系统微观运动状态的描述6.4等概率原理

（3）6.5分布和微观状态6.6玻耳兹曼分布

（4）6.7玻色分布和费米分布6B三种分布的关系

3、教学重点和难点：

（1）教学重点：系统微观运动状态的描述、分布与微观状态的概念、玻耳兹区系统、

玻色系统和费米系统及其分布。

（2）教学难点：玻耳兹曼系统、玻色系统和费米系统及其三种分布的推导和物理意义。

4、本章思考题：

（1）、在量子力学中全同粒子既然不能分辨，那么如何来芍述系统的微观运动状态？

（2）、满足经典极限条件时玻色分布和费米分布在形式上都过渡到玻耳兹曼分布的形

式，其物理意义是否相同？

【第七章】玻耳兹曼统计（10学时）

1、教学目的和要求：

（1）知道热力学量的统计表达式，知道理想气体的内能和热容量以及理想气体的熔，

知道固体热容量的爱因斯坦理论、负温度状态等前沿科学。

（2）能应用玻耳兹区统计讨论理想气体的物态方程，理解麦克斯韦速度分布律和能量

均分定理。

2.教学内容：

（1）7.1热力学量的统计表达式7.2理想气体的物态方程

（2）73麦克斯韦速度分布律7.4能量均分定理

（3）7.5理想气体的内能和热容量7.6理想气体的燧

（4）7.7固体热容量的爱因斯坦理论7.8顺磁性固体

（5）习题

3、教学重点和难点：

（1）教学重点：热力学量的统计表达式，麦克斯韦速度公布律，能量均分定理的统计

意义，固体热容量的爱因斯坦理论，负温度状态。

（2）教学难点：理热力学量的统计表达式，想气体的内能和热容量，负温度状态。

4、本章思考题:

（1）、负温度的物理意义以及如何实现负温度状态的？

（2）、根据经典统计的能量均分定理讨论理想气体的热容量，所得结果与实验结果不符

合的几个问题如何解释？

【第八章】玻色统计和费米统计（10学时）

1、教学目的和要求：

（1）知道玻色系统和费米系统热力学量的统计表达式；理解玻色-爱因斯坦凝聚的物理

意义。

（2）弱简并下玻色气体和费米气体的差异：并会解释白矮星等的成因。

（3）能根据玻色分布讨论平衡辐射问题；掌握费米动量、费米能量等概念。

2、教学内容：

（1）8.1热力学量的统计表达式

（2）8.2弱简并玻色气体和费米气体

（3）83玻色-爱因斯坦凝聚

（4）8.4光子气体

（5）8.5金属中的自由电子气体（习题）

3、教学重点和难点：

（1）教学重点：玻色系统和费米系统热力学量的统计表达式；玻色-爱因斯坦凝聚现象；

费米能级，费米动量。

（2）教学难点：弱简并玻色气体和费米气体的性质：光子气体、费米动量、费米能量。

4、本章思考题：

（1）、玻色-爱因斯坦凝聚如何实现，绝对零度附近费米子系统有怎样的性质？

（2）、讨论白矮星简并压的形成原因？

七、本课程教学时数分配表

章节标题学时分配

讲及实践

一热力学的基本规律12

二均匀物质的热力学性质8

三单元系的相变6

四多元系的复相和化学平衡8

六近独立粒子的最慨然分布8

七玻耳兹曼统计10

八玻色统计和费米统计10

九复习2

总计64

八、教材和主要参考资料

1、推荐教材：

汪志诚，《热力学统计物理》（第四版），高等教育出版社，2008；

2、主要参考资料：

马本昆、高尚惠、孙煜编，《热力学与统计物理学》，高等教育出版社，2003；

王诚泰，《统计物理学》，清华大学出版社，2003：

王竹溪，《热力学简明教程》，人民教育出版社，1964：

陈仁烈，《统计物理导论》，人民教育出版社，1979；

王竹溪，《统计物理学导论》，人民教育出版社，1964；

L.E.雷克（黄韵等译），《统计物理现代教程》,北京大学出版社，1983。

九、课程考核与成绩评定方法

1、命题要求

（1）命题内容要求

第1章热力学的基本规律

1、考试内容：物态方程、热力学第一定律，理想气体的内能，理想气体的绝热过程，

热力学第二定律，熠和热力学基本方程。

2、考试要求：理解物态方程，掌握理想气体绝热过程的性质，理解热力学第二定律，

会灵活运用简单系统熠的计算。

第2章均匀物质的热力学性质

1、考试内容：内能、焙、自由能和吉布斯函数的全微分，麦氏关系的应用，基本热力

学关系的确定。

2、考试要求：（1）理解热力学关系，掌握麦氏关系式，（2）会利用麦氏关系式表示

或证明某些物理量。

第3章单元系的相变

1、考试内容：单元复相系的平衡条件，临界点和气液两相的转变。

2、考试要求：（1）理解热动平衡判据，掌握单元复相系的平衡条件，（2）会利用平

衡条件求解临界点的物理量。

第4章多元系的复相平衡和化学平衡

1、考试内容：多元系的热力学函数、方程，吉布斯相律、定压平衡常数和复相平衡条

件。

2、考试要求：（1）理解多元系的热力学函数、方程，掌握多元系的复相平衡条件，（2）