《热力学与统计物理》课程教学大纲 一、课程基本信息 Thermodynamics and Statistical 英文名称 课程代码 Physics PHYS3002 课程性质专业必修课程 授课对象 物理学 学分 4学分 学时 72学时 主讲教师 须萍 修订日期 2021年6月 指定教材汪志诚，热力学·统计物理（第6版）[0，北京：高等教有出版社，2019. 二、课程目标 (一)总体目标： 通过本课程的学习，使学生掌握热力学与统计物理的基本概念、基本理论和基本方法， 并结合实际应用，对其研究问题的一些公认的、成熟的进展有所了解。理解热力学和统计物 理学研究方法的区别和研究目的和结论的统一，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。掌握热力学与统计物理研究热性质的宏观和微观的 基本方法，学会用统计的方法解决问题，提高分析问题与解决问题的能力，为以后解决实际 问题打下基础。能运用所学热运动物理知识解释或解决一些实际问题，能阅读与教材水平相 近的研究论文，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泰献的爱国 主义精神，激发求知欲望和建立正确的辩证唯物主义世界观。 (二)课程目标： 课程目标1：掌握热力学与统计物理的基本规律、基本概念、基本方法。应用数学方法， 通过逻辑演绎得出物质各种宏观性质之间的关系，使学生理解热运动必然影响到宏观物理系 统的演化，对热力学理论的认识进一步深化，并掌握热力学处理问题的方法。 课程目标2：了解宏观过程进行的方向和限度，以及热力学理论的普适性和局限性。掌 握热力学理论的逻辑推理方法，理解热力学的统计本质。应用统计物理学理论得出具体物质 的特性，理解其微观机理，掌握概率法、系综法等统计方法，以及统计分布律的意义及应用。 充分认识到统计物理在现代物理中的重要地位。 1
1 《热力学与统计物理》课程教学大纲 一、课程基本信息 英文名称 Thermodynamics and Statistical Physics 课程代码 PHYS3002 课程性质 专业必修课程 授课对象 物理学 学 分 4 学分 学 时 72 学时 主讲教师 须萍 修订日期 2021 年 6 月 指定教材 汪志诚，热力学·统计物理（第 6 版）[M]， 北京：高等教育出版社，2019. 二、课程目标 （一）总体目标： 通过本课程的学习，使学生掌握热力学与统计物理的基本概念、基本理论和基本方法， 并结合实际应用，对其研究问题的一些公认的、成熟的进展有所了解。理解热力学和统计物 理学研究方法的区别和研究目的和结论的统一。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。掌握热力学与统计物理研究热性质的宏观和微观的 基本方法，学会用统计的方法解决问题，提高分析问题与解决问题的能力，为以后解决实际 问题打下基础。能运用所学热运动物理知识解释或解决一些实际问题，能阅读与教材水平相 近的研究论文，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，激发求知欲望和建立正确的辩证唯物主义世界观。 （二）课程目标： 课程目标 1：掌握热力学与统计物理的基本规律、基本概念、基本方法。应用数学方法， 通过逻辑演绎得出物质各种宏观性质之间的关系，使学生理解热运动必然影响到宏观物理系 统的演化，对热力学理论的认识进一步深化，并掌握热力学处理问题的方法。 课程目标 2：了解宏观过程进行的方向和限度，以及热力学理论的普适性和局限性。掌 握热力学理论的逻辑推理方法，理解热力学的统计本质。应用统计物理学理论得出具体物质 的特性，理解其微观机理，掌握概率法、系综法等统计方法，以及统计分布律的意义及应用。 充分认识到统计物理在现代物理中的重要地位
课程目标3：了解热力学与统计物理在概念、理论方法和实际应用上的重要进展，了解 与本课程相关的最新科学前沿发展，拓宽学生视野，培养学生自主性、研究性、创新性学习 的能力。提高学生物理直觉和解决实际问题的能力，鼓励创新性思维。建立辩证唯物主义世 界观和由确定论的方法改变为概率论的方法论：培养学生的科学精神，勇于在物理学前沿及 交义领域探索、创新与攀登的责任感和使命感。 (三)课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系 表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表 课程目标 对应课程内容 对应毕业要求 毕业要求2：掌握数学、物 第一章热力学基本规律 理相关的基础知识、基本物 理实验方法和实验技能， 第二章均匀物质的热力学性质 具有运用物理学理论和方 课程目标1 第三章单元系的相变 法解决问题、解释或理解物 理规律。 第四章多元系的复相平衡和化 毕业要求8：具有自主学习 学平衡热力学第三定律 和终身学习意识和社会适 应能力 毕业要求2：掌握数学、物 理相关的基础知识、基本物 理实哈方法和实哈技能 第六章近独立粒子的最概然分 具有运用物理学理论和方 希 法解决问题、解释或理解物 理规律。 课程目标2 第七章玻耳兹曼统计 毕业要求7：具有课题调研、 第八章玻色统计和费米统计 设计、数据处理和学术交流 第九章系综理论 能力。 毕业要求8：具有自主学 和终身学习意识和社会适 过能力。 第三章单元系的相变 毕业要求3：了解物理学前 第四章多元系的复相平衡和化 沿和发展动态，新技术中的 物理思想，熟悉物理学新发 课程目标3 学平衡热力学第三定律 现、新理论、新技术对社会 第七章玻耳兹曼统计 的影。 第八章玻色统计和费米统计 毕业要求7：具有课题调研
2 课程目标 3：了解热力学与统计物理在概念、理论方法和实际应用上的重要进展，了解 与本课程相关的最新科学前沿发展，拓宽学生视野，培养学生自主性、研究性、创新性学习 的能力。提高学生物理直觉和解决实际问题的能力，鼓励创新性思维。建立辩证唯物主义世 界观和由确定论的方法改变为概率论的方法论；培养学生的科学精神，勇于在物理学前沿及 交叉领域探索、创新与攀登的责任感和使命感。 （三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系 表 1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表 课程目标 对应课程内容 对应毕业要求 课程目标 1 第一章 热力学基本规律 第二章 均匀物质的热力学性质 第三章 单元系的相变 第四章 多元系的复相平衡和化 学平衡 热力学第三定律 毕业要求 2：掌握数学、物 理相关的基础知识、基本物 理实验方法和实验技能 , 具有运用物理学理论和方 法解决问题、解释或理解物 理规律。 毕业要求 8：具有自主学习 和终身学习意识和社会适 应能力 课程目标 2 第六章 近独立粒子的最概然分 布 第七章 玻耳兹曼统计 第八章 玻色统计和费米统计 第九章 系综理论 毕业要求 2：掌握数学、物 理相关的基础知识、基本物 理实验方法和实验技能 , 具有运用物理学理论和方 法解决问题、解释或理解物 理规律。 毕业要求 7：具有课题调研、 设计、数据处理和学术交流 能力。 毕业要求 8：具有自主学习 和终身学习意识和社会适 应能力。 课程目标 3 第三章 单元系的相变 第四章 多元系的复相平衡和化 学平衡 热力学第三定律 第七章 玻耳兹曼统计 第八章 玻色统计和费米统计 毕业要求 3：了解物理学前 沿和发展动态，新技术中的 物理思想，熟悉物理学新发 现、新理论、新技术对社会 的影响。 毕业要求 7：具有课题调研
第九章系综理论 设计、数据处理和学术交流 能力。 毕业要求8：具有自主学习 和终身学习意识和社会适 应能力。 三、教学内容 第一章热力学基本规律 1.教学目标 了解热力学温标的建立，热力学基本方程的意义： 理解热平衡定律和温度，热力学第一定律，热力学第二定律，箱和嫡增加原理 掌握平衡态，几种物质的物态方程，根据条件求系统的物态方程，各种条件下做功的表 达式，热力学基本方程，嬸的计算和熵增加原理的应用，内能、熵、自由能、焓、吉布斯函 数的定义和意义。 2.教学重难点 物态方程的求解：熵的性质、熵的计算和嫡增加原理的应用：热力学基本方程，内能、 烙、熵、自由能和吉布斯函数。 3.教学内容 3.1热力学系统的平衡状态及其描述 掌握平衡态、状态参量的基本概念：描述物质的状态的参量有哪些 3.2热平衡定律和温度 掌握热平衡定律，理解定律的物理意义：了解经验温标、理想气体温标、热力学温标 3.3物态方程 理解体胀系数、等温压缩系数、压强系数的概念：掌握气体、简单液体和固体、顺磁性 固体的物态方程 3.4功 掌握体积功的计算；推导表面张力做功、电介质极化做功、磁介质磁化做功 3.5热力学第一定律 掌握热力学第一定律中的能量守恒和转化 3.6热容和烙 掌握热容和烙的概念：理解热容与态函数的关系 3.7理想气体的内能
3 第九章 系综理论 设计、数据处理和学术交流 能力。 毕业要求 8：具有自主学习 和终身学习意识和社会适 应能力。 三、教学内容 第一章 热力学基本规律 1.教学目标 了解热力学温标的建立，热力学基本方程的意义； 理解热平衡定律和温度，热力学第一定律，热力学第二定律，熵和熵增加原理； 掌握平衡态，几种物质的物态方程，根据条件求系统的物态方程，各种条件下做功的表 达式，热力学基本方程，熵的计算和熵增加原理的应用，内能、熵、自由能、焓、吉布斯函 数的定义和意义。 2.教学重难点 物态方程的求解；熵的性质、熵的计算和熵增加原理的应用；热力学基本方程，内能、 焓、熵、自由能和吉布斯函数。 3.教学内容 3.1 热力学系统的平衡状态及其描述 掌握平衡态、状态参量的基本概念；描述物质的状态的参量有哪些 3.2 热平衡定律和温度 掌握热平衡定律，理解定律的物理意义；了解经验温标、理想气体温标、热力学温标 3.3 物态方程 理解体胀系数、等温压缩系数、压强系数的概念；掌握气体、简单液体和固体、顺磁性 固体的物态方程 3.4 功 掌握体积功的计算；推导表面张力做功、电介质极化做功、磁介质磁化做功 3.5 热力学第一定律 掌握热力学第一定律中的能量守恒和转化 3.6 热容和焓 掌握热容和焓的概念；理解热容与态函数的关系 3.7 理想气体的内能
理解焦耳实验的意义：推导理想气体的内能表达式 3.8理想气体的绝热过程 推导绝热过程的方程 3.9理想气体的卡诺循环 推导卡诺循环的效率公式 3.10热力学第二定律 理解热力学第二定律开氏表述和克氏表述的等效性：理解可逆过程、不可逆过程 3.11卡诺定理 理解卡诺定理及推论 3.12热力学温标 证明热力学温标和理想气体温标的一致性 3.13克劳修斯等式和不等式 理解克劳修斯等式和克劳修斯不等式的意义 3.14熵和热力学基本方程 掌握熵的概念：推导热力学基本方程 3.15理想气体的熵 推导理想气体的熵函数 3.16热力学第二定律的数学表述 根据克氏等式和不等式推导热力学第二定律的数学表述：理解熵增加原理 3.17熵增加原理的简单应用 掌握几个不可逆过程的熵变的计算 3.18自由能和吉布斯函数 掌握自由能、吉布斯函数的概念：理解最大功、最小功原理 4.教学方法 课堂讲授与学生讨论结合，学生自主学习汇报等。 5.教学评价 课后相应习题，课后阅读，小组讨论汇报 第二章均匀物质的热力学性质 1.教学目标 了解气体的节流过程和绝热膨胀过程，平衡辐射和磁介质的热力学性质：
4 理解焦耳实验的意义；推导理想气体的内能表达式 3.8 理想气体的绝热过程 推导绝热过程的方程 3.9 理想气体的卡诺循环 推导卡诺循环的效率公式 3.10 热力学第二定律 理解热力学第二定律开氏表述和克氏表述的等效性；理解可逆过程、不可逆过程 3.11 卡诺定理 理解卡诺定理及推论 3.12 热力学温标 证明热力学温标和理想气体温标的一致性 3.13 克劳修斯等式和不等式 理解克劳修斯等式和克劳修斯不等式的意义 3.14 熵和热力学基本方程 掌握熵的概念；推导热力学基本方程 3.15 理想气体的熵 推导理想气体的熵函数 3.16 热力学第二定律的数学表述 根据克氏等式和不等式推导热力学第二定律的数学表述；理解熵增加原理 3.17 熵增加原理的简单应用 掌握几个不可逆过程的熵变的计算 3.18 自由能和吉布斯函数 掌握自由能、吉布斯函数的概念；理解最大功、最小功原理 4.教学方法 课堂讲授与学生讨论结合，学生自主学习汇报等。 5.教学评价 课后相应习题，课后阅读，小组讨论汇报 第二章 均匀物质的热力学性质 1.教学目标 了解气体的节流过程和绝热膨胀过程，平衡辐射和磁介质的热力学性质；
理解基本热力学函数，特性函数： 掌握内能、培、自由能和吉布斯函数的全微分，麦克斯韦关系及其简单应用，基本热力 学函数的确定，会分析用热力学偏导数表达的一些物理效应，特性函数及其应用， 2.教学重难点 麦克斯韦关系的简单应用，特性函数和基本热力学函数的应用，气体的节流过程和绝热 膨胀过程，平衡辐射的热力学性质，磁介质的热力学性质 3.教学内容 3.1内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分 掌握偏导数的概念：推导内能、格、自由能、吉布斯函数的全微分表达式 3.2麦氏关系的简单应用 推导麦氏关系：理解内能方程、内能的附属方程、格方程、焓的附属方程：掌握导数变 换运 3.3气体的节流过程和绝热膨胀过程 理解节流过程的焦汤效应，绝热膨胀过程的降温效应：推导焦汤系数 3.4基本热力学函数的确定 推导简单系统的基本热力学函数的一般表达式 3.5特性函数 理解特性函数自由能和吉布斯函数：推导吉布斯-亥姆霍兹方程 3.6热辐射的热力学理论 理解辐射能量密度、辐射压强、辐射的内能密度、辐射通量密度等概念：推导斯特藩 玻耳兹曼定律：理解黑体辐射 3.7磁介质的热力学 理解磁介质的热力学函数的全微分：推导磁介质的麦氏关系 3.8获得低温的方法 了解获得低温的几种有效方法 4.教学方法 课堂讲授与学生讨论结合，阅读讨论等。 5.教学评价 课后相应习，补充习题，课后阅读 第三章单元系的相变 1.教学目标
5 理解基本热力学函数，特性函数； 掌握内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分，麦克斯韦关系及其简单应用，基本热力 学函数的确定，会分析用热力学偏导数表达的一些物理效应，特性函数及其应用。 2.教学重难点 麦克斯韦关系的简单应用，特性函数和基本热力学函数的应用，气体的节流过程和绝热 膨胀过程，平衡辐射的热力学性质，磁介质的热力学性质 3.教学内容 3.1 内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分 掌握偏导数的概念；推导内能、焓、自由能、吉布斯函数的全微分表达式 3.2 麦氏关系的简单应用 推导麦氏关系；理解内能方程、内能的附属方程、焓方程、焓的附属方程；掌握导数变 换运算 3.3 气体的节流过程和绝热膨胀过程 理解节流过程的焦汤效应，绝热膨胀过程的降温效应；推导焦汤系数 3.4 基本热力学函数的确定 推导简单系统的基本热力学函数的一般表达式 3.5 特性函数 理解特性函数自由能和吉布斯函数；推导吉布斯-亥姆霍兹方程 3.6 热辐射的热力学理论 理解辐射能量密度、辐射压强、辐射的内能密度、辐射通量密度等概念；推导斯特藩- 玻耳兹曼定律；理解黑体辐射 3.7 磁介质的热力学 理解磁介质的热力学函数的全微分；推导磁介质的麦氏关系 3.8 获得低温的方法 了解获得低温的几种有效方法 4.教学方法 课堂讲授与学生讨论结合，阅读讨论等。 5.教学评价 课后相应习题，补充习题，课后阅读 第三章 单元系的相变 1.教学目标