《熱力學與統(tǒng)計物理》課程教學大綱

《熱力學與統(tǒng)計物理》教學大綱一、課程基本信息課程名稱熱力學與統(tǒng)計物理ThermodynamicsandStatisticalPhysics課程編碼SCC610221030開課院部理學院課程團隊熱力學與統(tǒng)計物理學分3.0課內(nèi)學時48講授48實驗0上機0實踐0課外學時48適用專業(yè)新能源材料與器件授課語言中文先修課程大學物理（2-1）、大學物理（2-2）、大學物理實驗（2-1）課程簡介（限選）本課程主要介紹熱力學和統(tǒng)計物理學的基本規(guī)律、基本理論和方法，并從宏觀上和微觀上描述熱力學系統(tǒng)的熱現(xiàn)象和熱性質(zhì)，本課程與材料、物理、化學等學科都密切相關(guān)，是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，無論對后續(xù)的材料類、物理類和化學類等課程的學習都起到承上啟下的知識鏈接作用。本課程的設置目的是使學生能夠熟練掌握熱力學和統(tǒng)計物理的基本原理和研究方法，逐步建立分析物質(zhì)熱運動以及微觀世界熱現(xiàn)象的思路和方法，訓練學生嚴格的邏輯思維能力，培養(yǎng)演繹推理能力，并提高分析問題、解決具體問題的能力。Thiscoursemainlyintroducesthebasiclaws,theoriesandmethodsofthermodynamicsandstatisticalphysics,anddescribesthethermalphenomenaandthermalpropertiesofthermodynamicsystemsfrommacroandmicroperspectives.Inphysics,thiscourseandmaterials,physics,chemistryandotherdisciplinesarecloselyrelatedandareanimportantprofessionalBasicCourse,whichplaysaconnectingroleinthelearningofsubsequentcoursessuchasmaterials,physicsandchemistry.Thepurposeofthiscourseistoenablestudentstomasterthebasicprinciplesandresearchmethodsofthermodynamicsandstatisticalphysics,andgraduallyestablishideasandmethodsforanalyzingthethermalmovementofmaterialsandthermalphenomenainthemicroscopicworld,trainstudents'strictlogicalthinkingability,cultivatedeductivereasoningability,andimprovetheirabilitytoanalyzeandsolvespecificproblems.負責人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標序號代號課程目標OBE畢業(yè)要求指標點任務自選1M1目標1：認識物質(zhì)熱運動的特點，掌握與熱現(xiàn)象有關(guān)的物質(zhì)宏觀物理性質(zhì)的唯象理論和統(tǒng)計理論的基本概念、定理、定律和知識體系是1.11.12M2目標2：掌握熱力學與統(tǒng)計物理的基本原理和處理問題的重要方法，并初步具有用這些方法分析問題、解決具體問題的能力，為進一步學習其它理論課程或科研工作打下良好的基礎(chǔ)是2.12.1三、課程內(nèi)容序號章節(jié)號標題課程內(nèi)容/重難點支撐課程目標課內(nèi)學時教學方式課外學時課外環(huán)節(jié)1第1章第1章熱力學的基本定律本章重點難點：熱力學三定律；熱力學函數(shù)內(nèi)能、焓、熵、自由能、吉布斯函數(shù)的物理意義。/9/3/21.11.1熱力學系統(tǒng)的平衡及其描述系統(tǒng)、外界、子系統(tǒng)；系統(tǒng)的分類；熱力學平衡態(tài)及其判別方法；狀態(tài)參量；廣延量與強度量M10.5講授//31.21.2熱平衡定律和溫度熱接觸與熱平衡；熱平衡定律、溫度、熱平衡的傳遞性；態(tài)函數(shù)溫度存在的數(shù)學論證M10.5講授//41.31.3物態(tài)方程物態(tài)方程的意義；實驗系數(shù)；物態(tài)方程舉例；幾個常用的數(shù)學關(guān)系；由實驗系數(shù)求物態(tài)方程M10.5講授0.5作業(yè)51.41.4功準靜態(tài)過程；準靜態(tài)過程的功；非準靜態(tài)過程的功；準靜態(tài)過程外界對系統(tǒng)做功的一般行形式M10.5講授//61.51.5熱力學第一定律改變系統(tǒng)狀態(tài)的方式及絕熱過程；焦耳實驗，內(nèi)能；熱量，熱力學第一定律；第一類永動機M10.5講授0.5自學文獻71.61.6熱容量和焓熱容量的定義；狀態(tài)函數(shù)焓；等壓熱容量；等容熱容量M10.5講授//81.71.7理想氣體的內(nèi)能理想氣體的自由膨脹；焦耳實驗，焦耳定律；理想氣體定容和定壓熱容量M10.5講授//91.81.8理想氣體的絕熱過程狀態(tài)方程和過程方程；理想氣體的等溫過程和絕熱過程M10.5講授//101.91.9理想氣體的卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)；熱機、制冷機及其效率M10.5講授//111.101.10熱力學第二定律熱力學第二定律的兩種表述及等價性；第二類永動機；可逆過程，不可逆過程；實際過程的不可逆性M10.5講授、討論0.5自學文獻121.111.11卡諾定理可逆機和不可逆機；卡諾定理及其證明M10.5講授//131.121.12熱力學溫標熱力學溫標的引入和意義；熱力學溫標和理想氣體溫標的等價性M10.5講授//141.131.13克勞修斯等式和不等式卡諾循環(huán)的等式和不等式；任意循環(huán)的等式和不等式M10.5講授//151.141.14熵和熱力學基本方程態(tài)函數(shù)熵的引入及意義；熱力學基本方程及其意義，熱力學基本方程的一般形式M10.5講授0.5自學文獻161.151.15理想氣體的熵理想氣體熵的計算公式及應用M10.5講授//171.161.16熱力學第二定律的數(shù)學表述熱力學第二定律的數(shù)學表述形式；熵增加原理的理解M10.5講授0.5自學文獻181.171.17熵增加原理的簡單應用熱源、物體、已知熵表達式的系統(tǒng)的熵變的求解M10.5講授0.5作業(yè)191.181.18自由能和吉布斯函數(shù)自由能的引入和最大功原理；吉布斯函數(shù)的引入和最大功原理M10.5講授//20第二章第二章均勻物質(zhì)的熱力學性質(zhì)本章重點難點：由熱力學函數(shù)（內(nèi)能、焓、自由能、吉布斯函數(shù)）的全微分推導出的麥氏關(guān)系，麥氏關(guān)系的應用，基本熱力學函數(shù)的確定，特性函數(shù)/5/1/212.12.1內(nèi)能、焓、自由能和吉布斯內(nèi)能、焓、自由能和吉布斯的全微分形式及應用，麥氏關(guān)系的推導M11講授//222.22.2麥氏關(guān)系的簡單應用麥氏關(guān)系的意義和應用；雅可比行列式，定容熱容量與能態(tài)方程；定壓熱容量與焓方程M11講授0.5作業(yè)232.32.3氣體的節(jié)流膨脹和絕熱膨脹氣體節(jié)流過程；焦耳-湯姆遜效應與焦耳自由膨脹實驗的關(guān)系；氣體絕熱膨脹過程M21講授、討論//242.42.4基本熱力學函數(shù)和特性函數(shù)基本熱力學函數(shù)的確定和應用；特性函數(shù)；表面的熱力學性質(zhì)M11講授//252.52.5磁介質(zhì)熱力學磁介質(zhì)的功；磁介質(zhì)的麥氏關(guān)系；絕熱去磁制冷；磁介質(zhì)熱力學基本方程M21講授、討論0.5自學文獻26第三章第三章單元系的相變本章重點難點：平衡判據(jù)及應用，相平衡條件，開系的熱力學性質(zhì)，相圖/6///273.13.1熱動平衡判據(jù)熵判據(jù)，自由能判據(jù)，吉布斯函數(shù)判據(jù)；平衡條件，平衡穩(wěn)定條件M11講授//283.23.2開系的熱力學基本方程開系及其熱力學基本方程；化學勢；巨熱力勢M11講授//293.33.3單元系的復相平衡條件熱平衡條件，力平衡條件，相變平衡條件，過程進行方向M21講授0.5作業(yè)303.43.4單元復相系的平衡性質(zhì)相圖；單元系相圖的理解；平衡曲線的確定；克拉柏龍方程M11講授//313.53.5臨界點和氣液兩相的轉(zhuǎn)變實際氣體等溫線，范德瓦爾斯等溫線；麥克斯韋等面積法則，臨界系數(shù)M11講授、討論//323.63.6相變的分類一級相變，連續(xù)相變；愛倫費斯特方程M21講授0.5自學文獻33第四章第四章多元系的復相平衡和化學平衡本章重點難點：多元系的復相平衡條件；吉布斯相律；混合理想氣體的性質(zhì)/7/1.5/344.14.1多元系的熱力學函數(shù)和熱力學方程歐勒定理；多元單相系的熱力學函數(shù)和基本方程；多元復相系的熱力學函數(shù)，吉布斯關(guān)系M11講授//354.24.2多元系的復相平衡條件多元系復相平衡條件的一般性推導；膜平衡M21講授、討論//364.34.3吉布斯相律強度變量，摩爾分數(shù)；吉布斯相律的推導及簡單應用M21講授//374.44.4化學平衡條件化學反應的表示；單相系化學平衡條件；反應度M21講授0.5作業(yè)384.54.5混合理想氣體的性質(zhì)道爾頓分壓定律；混合理想氣體的物態(tài)方程、焓和熵；吉布斯佯謬M21講授、討論//394.64.6理想氣體的化學平衡平衡常量；質(zhì)量作用律及應用M21講授0.5作業(yè)404.74.7熱力學第三定律能斯特定理熱力學第三定律；絕對熵，絕對零度不能到達M11講授0.5自學文獻41第五章第五章近獨立粒子系統(tǒng)的最概然分布本章重點難點：相空間，系統(tǒng)微觀狀態(tài)的描述，等概率原理，三個統(tǒng)計分布函數(shù)/6講授1/425.15.1粒子運動狀態(tài)的經(jīng)典描述粒子的運動狀態(tài)的含義；相空間及舉例；廣義坐標和廣義動量；經(jīng)典粒子運動狀態(tài)描述舉例M10.5講授//435.25.2粒子運動狀態(tài)的量子描述量子態(tài)，自由度；粒子運動狀態(tài)描述舉例；簡并能級，相格；態(tài)密度M20.5講授0.5作業(yè)445.35.3系統(tǒng)微觀運動狀態(tài)的描述全同近獨立粒子系統(tǒng)；經(jīng)典系統(tǒng)微觀運動狀態(tài)的描述，量子系統(tǒng)微觀運動狀態(tài)的描述；玻耳茲曼系統(tǒng)，玻色系統(tǒng)，費米系統(tǒng)M11講授、討論//455.45.4等概率原理宏觀狀態(tài)，微觀狀態(tài)；等概率原理-統(tǒng)計物理的基本假設M10.5講授//465.55.5分布和微觀狀態(tài)分布的意義；宏觀狀態(tài)、微觀狀態(tài)與分布的關(guān)系；玻耳茲曼系統(tǒng)、玻色系統(tǒng)、費米系統(tǒng)的一個分布包含的微觀狀態(tài)數(shù)M11講授、討論0.5作業(yè)475.65.6玻耳茲曼分布最概然分布；斯特令近似公式；拉格朗日不定乘子法求玻耳茲曼分布；平衡態(tài)與最概然分布M21講授//485.75.7玻色分布和費米分布拉格朗日不定乘子法求玻色分布和費米分布M21講授//495.85.8三種分布的關(guān)系經(jīng)典極限條件（非簡并性條件）；玻耳茲曼分布、玻色分布、費米分布的關(guān)系M10.5講授//50第六章第六章玻耳茲曼統(tǒng)計本章重點難點：熱力學量統(tǒng)計表達式，麥克斯韋速度分布律，能量均分定理的統(tǒng)計意義/6/1/516.16.1熱力學量的統(tǒng)計表達式玻爾茲曼統(tǒng)計的配分函數(shù)；內(nèi)能、物態(tài)方程、熵的統(tǒng)計表達式；熵的統(tǒng)計意義；玻爾茲曼關(guān)系式，滿足經(jīng)典極限條件的玻色（費米）系和定域系統(tǒng)的熵M11講授//526.26.2理想氣體的物態(tài)方程單原子分子理想氣體系統(tǒng)的配分函數(shù)；由配分函數(shù)求物態(tài)方程M21講授0.5作業(yè)536.36.3能量均分定理能量均分定理的證明；應用能量均分定理求熱容量；討論平衡輻射問題M11講授、討論//546.46.4理想氣體的內(nèi)能和熱容量量子統(tǒng)計理論討論雙原子分子理想氣體的內(nèi)能和熱容量M11講授//556.56.5理想氣體的熵單原子理想氣體熵的求導，吉布斯徉謬M21講授、討論0.5作業(yè)566.66.6固體熱容量的愛因斯坦理論固體熱容量的經(jīng)典理論；固體熱容量的愛因斯坦M21講授//57第七章第七章玻色統(tǒng)計和費米統(tǒng)計本章重點難點：玻色-愛因斯坦凝聚現(xiàn)象；光子氣體費米能級，費米動量/4/1/58第八章第八章系統(tǒng)理論本章重點難點：微正則分布、正則分布、巨正則分布理論的理解和應用/4/1/597.17.1熱力學量的統(tǒng)計表達式巨配分函數(shù)，玻色、費米系統(tǒng)的熱力學量統(tǒng)計表達式的推導M11講授//608.18.1相空間和劉維爾定理平衡態(tài)統(tǒng)計物理的普遍理論-系綜理論，相空間，劉維爾定理簡介，統(tǒng)計系綜的分類M11講授//617.27.2玻色-愛因斯坦凝聚玻色理想氣體模型；玻色愛因斯坦凝聚，凝聚溫度，玻色愛因斯坦凝聚體的性質(zhì)M21講授、討論//627.47.4金屬中的自由電子氣體金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和自由電子氣體模型；費米能量，費米速度，費米溫度M21講授、討論0.5作業(yè)638.28.2微正則分布的熱力學公式微正則系綜熱力學量的統(tǒng)計表達式，微正則系綜理論的簡單應用M11講授//648.48.4巨正則分布及其熱力學公式巨正則分布的宏觀條件；巨正則分布函數(shù)；巨正則分布的熱力學公式；三種系綜理論的關(guān)系M21講授、討論0.5作業(yè)658.38.3正則分布和熱力學公式正則分布的宏觀條件；正則分布函數(shù)，配分函數(shù)；正則分布的熱力學公式；正則分布與微正則分布的關(guān)系M11講授//667.37.3光子氣體光子氣體模型，普朗克公式，低頻、高頻范圍的極限結(jié)果；空窖輻射總內(nèi)能及內(nèi)能密度、維恩位移定律M21講授0.5作業(yè)678.58.5巨正則分布的簡單應用巨正則分布求解理想氣體問題M21講授、討論0.5作業(yè)四、考核方式序號考核環(huán)節(jié)操作細節(jié)總評占比1平時作業(yè)1.每章布置3~4道題目，平均每次課1道題以上。2.成績采用等級制，根據(jù)作業(yè)完成準確性、是否按時上交、是否獨立完成評分。3.考核學生對熱力學與統(tǒng)計物理基本知識的掌握能力，學生綜合運用所學知識分析問題、解決問題的能力，題型主要有證明和計算題。15%2專題匯報1.指定或?qū)W生自選與熱力學與統(tǒng)計物理有關(guān)的題目，要求學生制作匯報PPT并錄制解說語音。2.成績采用百分制。3.根據(jù)內(nèi)容的創(chuàng)新性、準確性和解說的條理性評分。15%3課程論文1.學生自選與熱力學與統(tǒng)計物理有關(guān)的課題，搜集、整理文獻資料，撰寫課程論文。2.成績采用百分制，根據(jù)內(nèi)容的創(chuàng)新性、準確性、文字和格式的條理性評分。15%4課堂表現(xiàn)隨機檢查學生上課精神狀態(tài)、回答問題情況5%5期末考試1.閉卷考試，成績采用百分制，卷面成績總分100分。3.主要考核學生對熱力學與統(tǒng)計物理基本知識的掌握能力，學生綜合運用所學知識分析問題、解決問題的能力，題型主要有選擇題、填空題、簡答題、證明題、計算題等。50%五、評分細則序號課程目標考核環(huán)節(jié)大致占比評分等級1M1平時作業(yè)10%A-獨立思考、按時完成，解題思路清晰、步驟完整、格式合理、答案準確。B-獨立思考、按時完成，解題思路比較清晰、步驟比較完整、格式合理、答案準確。C-獨立思考、按時完成，解題思路比較清晰、步驟比較完整、格式比較合理、答案準確。D-作業(yè)抄襲，未能按時完成，結(jié)論錯誤，解題思路混亂。2M1專題匯報10%90-100:匯報課題很有創(chuàng)新性，PPT制作精美細致，具有一定的工作量，語言嚴謹、正確、生動，介紹、解釋熱力學與統(tǒng)計物理的相關(guān)課題清楚、明白；75-90：匯報課題比較有創(chuàng)新性，PPT制作比較精美細致，具有一定的工作量，能動用比較嚴謹?shù)恼Z言介紹、解釋清楚熱力學與統(tǒng)計物理的相關(guān)課題；60-75：匯報課題的創(chuàng)新性一般，PPT制作比較認真，工作量一般，匯報語言比較有條理，基本能介紹、解釋清楚熱力學與統(tǒng)計物理的相關(guān)課題；<60:匯報內(nèi)容互相抄襲，工作量過少，匯報語言沒有條理，對熱力學與統(tǒng)計物理相關(guān)課題解釋不清.3M1課程論文10%90-100:選題很有創(chuàng)新性，推理、推導嚴謹正確，內(nèi)容條理較清晰，研究結(jié)果真實可靠，語言流暢，研究內(nèi)容對熱力學與統(tǒng)計物理有一定的價值；75-90:選題比較有創(chuàng)新性，推理、推導嚴謹正確，內(nèi)容條理比較清晰，研究結(jié)果真實可靠，語言比較流暢，研究內(nèi)容對熱力學與統(tǒng)計物理有一定的價值；60-75：選題創(chuàng)新性一般，推理、推導比較正確，語言比較流暢，敘述比較具有條理，具有一定的工作量，內(nèi)容對熱力學與統(tǒng)計物理具有一定的價值；<60:存在明顯抄襲現(xiàn)象，完全沒有自己的觀點，論文選題沒有創(chuàng)新性，工作量過少，格式錯誤，語言蒼白，推理、推導錯誤4M1課堂表現(xiàn)10%90-100:精神狀態(tài)飽滿，回答問題準確;75-90:精神狀態(tài)良好，問題回答較好;60-75:精神狀態(tài)一般，問題回答一般;<60:精神狀態(tài)一般，問題回答一般。5M1期末考試60%（見試卷評分標準）6M2平時作業(yè)10%A-獨立思考、按時完成，解題思路清晰、步驟完整、格式合理、答案準確。B-獨立思考、按時完成，解題思路比較清晰、步驟比較完整、格式合理、答案準確。C-獨立思考、按時完成，解題思路比較清晰、步驟比較完整、格式比較合理、答案準確。D-作業(yè)抄襲，未能按時完成，結(jié)論錯誤，解題思路混亂。7M2專題匯報20%90-100:匯報課題很有創(chuàng)新性，PPT制作精美細致，具有一定的工作量，語言嚴謹、正確、生動，介紹、解釋熱力學與統(tǒng)計物理的相關(guān)課題清楚、明白；75-90：匯報課題比較有創(chuàng)新性，PPT制作比較精美細致，具有一定的工作量，能動用比較嚴謹?shù)恼Z言介紹、解釋清楚熱力學與統(tǒng)計物理的相關(guān)課題；60-75：匯報課題的創(chuàng)新性一般，PPT制作比較認真，工作量一般，匯報語言比較有條理，基本能介紹、解釋清楚熱力學與統(tǒng)計物理的相關(guān)課題；<60:匯報內(nèi)容互相抄襲，工作量過少，匯報語言沒有條理，對熱力學與統(tǒng)計物理相關(guān)課題解釋不清.8M2課程論文20%90-100:選題很有創(chuàng)新性，推理、推導嚴謹正確，內(nèi)容條理較清晰，研究結(jié)果真實可靠，語言流暢，研