课程基本信息课程名称热力学与统计物理学（I）课程代码08200160专业必修课程授课对象2023级物理学课程性质课程学时54学分3基本考试考核方式情况教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会教学研究项目辽宁省一流本科课程课程荣誉沈阳师范大学首批本科“金课”沈阳师范大学第六批、第七批、第九批教育教学改革研究项目教材：《热力学·统计物理》（第六版），汪志诚，高等教育出版社教材参考书：《热力学与统计物理》（第三版），周子舫曹兆烈编著，科学出版社《热力学与统计物理学简明教程》（第二版），包景东编著，高等教育出版社《统计物理学》，苏汝，高等教育出版社理解《热力学与统计物理学（I）》的基本概念和基础理论知识。学生能够应用热力学基本定律、热力学函数分析简单热现象问题。能够应用平衡稳定性条件分析系统的状态。理解单元系相变的特点、平衡条件、吉布斯相律和化学平衡条件。理解统计物理的微观机制。学生能够根据玻尔兹曼统计、玻色统计和费米统计进行理论评价。课程了解《热力学与统计物理学（I）》的发展前沿以及在实际应用中的重要进展。目标了解热力学与统计物理学的基本理论在生产生活和前沿科技中的广泛应用。拓展学生的科学视野，激发学生的爱国情怀，培养学生的科学精神及高尚的师德。理解热力学和统计物理的基本定律、基本原理和研究方法。培养学生自主学习能力和自我反思能力。学生能够应用热力学和统计物理理论进行中学物理教学。学生在学习热统过程中能够通过学习共同体实现与同伴、教师进行有效的沟通与合作，培养学生的团队协作精神。教学内容与学时分配章次内容学时第一章8热力学的基本规律8第二章均匀物质的热力学性质10第三章单元系的相变8第六章近独立粒子的最概然分布10第七章玻耳兹曼统计10第八章玻色统计和费米统计
课程基本信息 课程 基本 情况 课程名称 热力学与统计物理学（Ⅰ） 课程代码 08200160 授课对象 2023 级物理学 课程性质 专业必修课程 学时 54 学分 3 考核方式 考试 课程荣誉 教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会教学研究项目 辽宁省一流本科课程 沈阳师范大学首批本科“金课” 沈阳师范大学第六批、第七批、第九批教育教学改革研究项目 教材 及 参考 资料 教 材：《热力学·统计物理》（第六版），汪志诚，高等教育出版社 参考书：《热力学与统计物理》（第三版）, 周子舫 曹兆烈编著,科学出版社 《热力学与统计物理学简明教程》（第二版），包景东编著，高等教育出版社 《统计物理学》，苏汝铿，高等教育出版社 课程 目标 理解《热力学与统计物理学（Ⅰ）》的基本概念和基础理论知识。学生能够应用 热力学基本定律、热力学函数分析简单热现象问题。能够应用平衡稳定性条件分析 系统的状态。理解单元系相变的特点、平衡条件、吉布斯相律和化学平衡条件。理 解统计物理的微观机制。学生能够根据玻尔兹曼统计、玻色统计和费米统计进行理 论评价。 了解《热力学与统计物理学（Ⅰ）》的发展前沿以及在实际应用中的重要进展。 了解热力学与统计物理学的基本理论在生产生活和前沿科技中的广泛应用。拓展学 生的科学视野，激发学生的爱国情怀，培养学生的科学精神及高尚的师德。 理解热力学和统计物理的基本定律、基本原理和研究方法。培养学生自主学习 能力和自我反思能力。学生能够应用热力学和统计物理理论进行中学物理教学。学 生在学习热统过程中能够通过学习共同体实现与同伴、教师进行有效的沟通与合作， 培养学生的团队协作精神。 教学内容与学时分配 章次 内容 学时 第一章 热力学的基本规律 8 第二章 均匀物质的热力学性质 8 第三章 单元系的相变 10 第六章 近独立粒子的最概然分布 8 第七章 玻耳兹曼统计 10 第八章 玻色统计和费米统计 10
第五版课程教案编写说明本教案是根据高等教育出版社出版的由汪志诚编写的《热力学·统计物理》（第六版）教材基础上进行的编写。按照物理学专业认证评估标准，结合我院物理学国家一流专业建设点的建设目标，本次修订主要在每节课的课程教案中结合课程思政元素补充并修改了课程目标和部分授课内容，并对前几届授课过程中遇到的问题和个人想法与总结进行了教学反思。根据最新2023级物理学教学大纲的要求，改写了少量章节内容，并对某些具体问题的讲授作了修改和补充，同时在第四版授课教案的基础上做了全面的校对和润色。此外，本授课教案还配有与课堂同步的教学课件、讲义、授课视频、自学辅导材料、课外拓展视频、课堂讨论等相关教学资源，均同步上传到超星泛雅网络教学平台https:/mooc1.chaoxing.com/course/219096988.html，供物理学专业师范生进行线上学习和讨论。感谢教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会教学研究项目、科技部学术著作出版基金、国家自然科学基金、辽宁省一流本科课程、沈阳师范大学首批本科热力学与统计物理学（I）“金课"建设项目、沈阳师范大学第六批、第七批和第九批教育教学改革研究项目的资助。同时，感谢沈阳师范大学教务处、质评中心、校督学和物理科学与技术学院的各位领导、专家的大力支持。课程负责人水平有限，教案中的错误和不足不妥之处在所难免，欢迎各位专家赐正。未经课程负责人允许，请勿把本教案进行网络传播及其他盈利性应用。高天附2025年8月28日于实验中心
第五版课程教案编写说明 本教案是根据高等教育出版社出版的由汪志诚编写的《热力学·统计物理》 （第六版）教材基础上进行的编写。按照物理学专业认证评估标准，结合我院物 理学国家一流专业建设点的建设目标，本次修订主要在每节课的课程教案中结合 课程思政元素补充并修改了课程目标和部分授课内容，并对前几届授课过程中遇 到的问题和个人想法与总结进行了教学反思。根据最新 2023 级物理学教学大纲 的要求，改写了少量章节内容，并对某些具体问题的讲授作了修改和补充，同时 在第四版授课教案的基础上做了全面的校对和润色。 此外，本授课教案还配有与课堂同步的教学课件、讲义、授课视频、自学辅 导材料、课外拓展视频、课堂讨论等相关教学资源，均同步上传到超星泛雅网络 教学平台 https://mooc1.chaoxing.com/course/219096988.html，供物理学专业师范 生进行线上学习和讨论。 感谢教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会教学研究项目、科技部学 术著作出版基金、国家自然科学基金、辽宁省一流本科课程、沈阳师范大学首批 本科热力学与统计物理学（Ⅰ）“金课”建设项目、沈阳师范大学第六批、第七批 和第九批教育教学改革研究项目的资助。同时，感谢沈阳师范大学教务处、质评 中心、校督学和物理科学与技术学院的各位领导、专家的大力支持。 课程负责人水平有限，教案中的错误和不足不妥之处在所难免，欢迎各位专 家赐正。 未经课程负责人允许，请勿把本教案进行网络传播及其他盈利性应用。 高天附 2025 年 8 月 28 日于实验中心
目录第一章热力学的基本规律$1.1热力学若干基本概念物态方程2$1.2热力学第一定律烩理想气体内能...6.9$1.3热力学第二定律卡诺定理81.4克劳修斯不等式摘热力学基本方程.11..14$1.5理想气体的摘及应用..15$1.6自由能和吉布斯函数..18第二章均匀物质的热力学性质.1982.1内能、焰、自由能和吉布斯函数的全微分...21$2.2麦氏关系的简单应用..2282.3气体的节流过程和绝热膨胀过程..25S2.4基本热力学函数的确定$2.5特性函数...27..2882.6热辐射的热力学理论第三章单元系的相变..31..3283.1热动平衡判据3.2开系的热力学基本方程...35...36$3.3单元系的复相平衡条件，..38$3.4单元复相系的平衡性质..4183.5临界点和气液两相的转变..4483.7相变的分类.47第六章近独立粒子的最概然分布..4886.1粒子运动状态的经典描述..50$6.2粒子运动状态的量子描述...54.86.3系统微观运动状态的描述$6.4等概率原理.....57..58$6.5分布和微观态..62$6.6玻耳兹曼分布...65$6.7玻色分布和费米分布..67$6.8三种分布的关系...69第七章玻耳兹曼统计7.1热力学量的统计表达式...70..73$7.2理想气体的物态方程$7.6理想气体的摘....7587.4能量均分定理....77$7.5理想气体的内能和热容量...80..83$7.7固体热容量的爱因斯坦理论...86第八章玻色统计和费来统计$8.1热力学量的统计表达式...87...89$8.3玻色一爱因斯坦凝聚..9388.4光子气体..88.5金属中的自由电子气体..97
目 录 第一章 热力学的基本规律.1 §1.1 热力学若干基本概念 物态方程.2 §1.2 热力学第一定律 焓 理想气体内能.6 §1.3 热力学第二定律 卡诺定理.9 §1.4 克劳修斯不等式 熵 热力学基本方程.11 §1.5 理想气体的熵及应用.14 §1.6 自由能和吉布斯函数.15 第二章 均匀物质的热力学性质.18 §2.1 内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分.19 §2.2 麦氏关系的简单应用.21 §2.3 气体的节流过程和绝热膨胀过程.22 §2.4 基本热力学函数的确定.25 §2.5 特性函数.27 §2.6 热辐射的热力学理论.28 第三章 单元系的相变.31 §3.1 热动平衡判据.32 §3.2 开系的热力学基本方程.35 §3.3 单元系的复相平衡条件.36 §3.4 单元复相系的平衡性质.38 §3.5 临界点和气液两相的转变.41 §3.7 相变的分类.44 第六章 近独立粒子的最概然分布.47 §6.1 粒子运动状态的经典描述.48 §6.2 粒子运动状态的量子描述.50 §6.3 系统微观运动状态的描述.54 §6.4 等概率原理.57 §6.5 分布和微观态.58 §6.6 玻耳兹曼分布.62 §6.7 玻色分布和费米分布.65 §6.8 三种分布的关系.67 第七章 玻耳兹曼统计.69 §7.1 热力学量的统计表达式.70 §7.2 理想气体的物态方程.73 §7.6 理想气体的熵.75 §7.4 能量均分定理.77 §7.5 理想气体的内能和热容量.80 §7.7 固体热容量的爱因斯坦理论.83 第八章 玻色统计和费来统计.86 §8.1 热力学量的统计表达式.87 §8.3 玻色一爱因斯坦凝聚.89 §8.4 光子气体.93 §8.5 金属中的自由电子气体.97
第一章热力学的基本规律（8学时）（1）本章教学目的本章在复习热力学的基本概念和热力学过程所满足的规律的基础上，加深对热力学规律（热力学第零定律、热力学第一定律，热力学第二定律）的认识。理解物态方程的概念和几种热力学系统的物态方程，理解内能、恰、熵、自由能和吉布斯函数的物理意义。掌握热力学第二定律的数学表示方法以及增加原理的物理意义，重点掌握如何通过熵函数判断过程的方向，如何求不可逆过程的变，（2）本章重点难点物态方程的理解；掌握热力学第二定律的数学表示方法以及增加原理的物理意义：重点掌握如何通过函数判断过程的方向；如何求不可逆过程的炳变
第一章 热力学的基本规律（8学时） （1）本章教学目的 本章在复习热力学的基本概念和热力学过程所满足的规律的基础上，加深对热 力学规律(热力学第零定律、热力学第一定律，热力学第二定律)的认识。理解物态 方程的概念和几种热力学系统的物态方程，理解内能、焓、熵、自由能和吉布斯函 数的物理意义。掌握热力学第二定律的数学表示方法以及熵增加原理的物理意义， 重点掌握如何通过熵函数判断过程的方向，如何求不可逆过程的熵变。 （2）本章重点难点 物态方程的理解；掌握热力学第二定律的数学表示方法以及熵增加原理的物理 意义；重点掌握如何通过熵函数判断过程的方向；如何求不可逆过程的熵变。 1
第一章热力学的基本规律s1.1热力学若干基本概念（1）教学目的：本节主要在复习热力学的基本概念和热力学过程所满足的规律基础上，加深对孤立系统、热力学平衡态、热平衡定律、物态方程的理解，能够运用物态方程解决一些实际问题；通过学习功的计算过程，逐渐培养学生一丝不苟、严谨求实的科学态度。（2）教学方法与手段：采用启发式与讲授法相结合的教学方法进行线上线下混合式教学：同时利用多媒体与板书相结合的教学手段。（3）教学时数：2学时（4）教学重点：对孤立系统、热力学平衡态、热平衡定律的理解：掌握常见的几种物态方程形式；能够运用物态方程解决一些实际问题。（5）教学难点：热平衡定律的理解，物态方程的应用。（6）教学内容和教学过程：一、热力学系统的平衡状态及其描述热力学研究的对象是由大量微观粒子（分子或其他粒子）组成的宏观物质系统外界：与系统发生相互作用的其他物体孤立系：与其它物体既没有物质交换也没有能量交换的系统闭系：与外界没有物质交互但有能量交互的系统开系：与外界既有物质交互又有能量交互的系统实际情况：当系统与外界的相互作用十分微弱交换的粒子数远小于系统本身的粒子数相互作用的能量远小于系统本身的能量在讨论中可忽略不计时可把系统看作孤立系统经验：一个孤立系统不论其初态如何复杂经过足够长的时间后将会达到系统的各种宏观性质在长时间内不发生变化一一热力学平衡态说明：第一系统由初始状态达到平衡状态所经历的时间称驰豫时间弛豫时间的长短由趋向平衡过程的性质确定第二，在平衡状态下系统宏观性质不随时间改变但组成系统的大量微观粒子仍处在不断的运动之中一一微观粒子运动的统计平均效果不变热力学平衡状态是一种动态平衡一热动平衡第三，在平衡态下系统宏观物理量的数值仍会发生或大或小的涨落在热力学中将不考虑涨落认为平衡态下系统宏观物理量具有确定数值第四平衡状态概念不限于孤立系统对非孤立系统可把系统与外界合起来一复合的孤立系统状态参量：确定系统平衡状态的自变量状态函数：宏观变量可表达为状态参量的函数2
第一章 热力学的基本规律 §1.1 热力学若干基本概念 （1）教学目的：本节主要在复习热力学的基本概念和热力学过程所满足的规律基础 上， 加深对孤立系统、热力学平衡态、热平衡定律、物态方程的理解，能够运用物态方程解 决一些实际问题；通过学习功的计算过程，逐渐培养学生一丝不苟、严谨求实的科学态度。 （2）教学方法与手段：采用启发式与讲授法相结合的教学方法进行线上线下混合式教学； 同时利用多媒体与板书相结合的教学手段。 （3）教学时数：2 学时 （4）教学重点：对孤立系统、热力学平衡态、热平衡定律的理解；掌握常见的几种物态 方程形式；能够运用物态方程解决一些实际问题。 （5）教学难点：热平衡定律的理解，物态方程的应用。 （6）教学内容和教学过程： 一、热力学系统的平衡状态及其描述 热力学研究的对象是由大量微观粒子（分子或其他粒子）组成的宏观物质系统 外界：与系统发生相互作用的其他物体 孤立系：与其它物体既没有物质交换也没有能量交换的系统 闭系：与外界没有物质交互 但有能量交互的系统 开系：与外界既有物质交互 又有能量交互的系统 实际情况：当系统与外界的相互作用十分微弱 交换的粒子数远小于系统本身的粒子数 相互作用的能量远小于系统本身的能量 在讨论中可忽略不计时 可把系统看作孤立系统 经验：一个孤立系统不论其初态如何复杂 经过足够长的时间后将会达到系统的各种宏观 性质在长时间内不发生变化——热力学平衡态 说明：第一 系统由初始状态达到平衡状态所经历的时间称弛豫时间 弛豫时间的长短由趋向平衡过程的性质确定 第二 在平衡状态下 系统宏观性质不随时间改变 但组成系统的大量微观粒子仍处在 不断的运动之中——微观粒子运动的统计平均效果不变 热力学平衡状态是一种动态平衡——热动平衡 第三 在平衡态下系统宏观物理量的数值仍会发生或大或小的涨落 在热力学中将不考虑涨落 认为平衡态下系统宏观物理量具有确定数值 第四 平衡状态概念不限于孤立系统 对非孤立系统可把系统与外界合起来——复合的孤立系统 状态参量：确定系统平衡状态的自变量 状态函数：宏观变量可表达为状态参量的函数 2