热力学统计物理学 课程教学大纲

《热力学与统计物理》课程教学大纲课程英文名称：Thermodynamics and Statistical Physics课程编号：0312043002课程计划学时：48学分：3课程简介：《热力学与统计物理》课是物理专业学生的专业基础课，与理论力学、量子力学、电动力学共同构成物理专业重要的四门必修课，通常称为物理专业的四大力学课。

热力学和统计物理的任务是研究热运动的规律，研究与热运动有关的物性及宏观物质系统的演化。

本课程的作用是使学生掌握热力学与统计物理的基本原理和处理具体问题的一些重要方法，并初步具有用这些方法解决较简单问题的能力。

一、课程教学内容及教学基本要求第一章热力学的基本规律本章重点：热力学的基本规律，热力学的三个定律，掌握热力学函数内能、焓、熵、自由能、吉布斯函数的物理意义.难点：熵增加原理的应用及卡诺循环及其效率。

本章学时:16学时教学形式:讲授教具:黑板，粉笔第一节热力学系统的平衡状态及其描述本节要求：掌握：系统、外界、子系统，系统的分类，热力学平衡态及其描述。

1系统、外界、子系统（①掌握：系统与外界概念。

②了解：界面的分类。

③了解：系统与子系统的相对性）2系统的分类（掌握：孤立系、闭系、开系的概念。

）3热力学平衡态及其描述（①掌握：热力学平衡态概念。

②掌握：状态参量的描述及引入。

）第二节热平衡定律和温度本节要求：掌握：热接触与热平衡，热平衡定律、温度、热平衡的传递性，存在态函数温度的数学论证，温度的测量(考核概率50%)。

1热接触与热平衡（①掌握：系统间没有热接触时系统状态参量的变化。

②掌握：系统间热接触时系统状态参量的变化。

）2热平衡定律、温度、热平衡的传递性（①掌握：热平衡定律。

②掌握：温度的数学论证，温标的确定及分类）（重点）第三节物态方程本节要求：理解：广延量与强度量。

掌握：物态方程的得出，实验系数及由实验系数k 、、βα 求物态方程。

（重点，难点）（考核概率100%） 1物态方程（①掌握：独立参量的选择与态函数的相对性。

《热力学与统计物理》教学大纲（54学时）（理论课程）一课程说明（一）课程概况课程名称：《热力学与统计物理》英文名称：Thermodynamics and Statistical Physics课程编号：3910252118开课学院：理学院适用专业/开课学期：物理学/第六学期学分/周学时：3/3《热力学与统计物理》课是物理学专业专业发展课程的专业方向核心必修课程，与《理论力学》、《量子力学》、《电动力学》共同构成物理专业重要的四大力学。

该课程的任务是研究热运动的规律，研究与热运动有关的物性及宏观物质系统的演化。

本课程的作用是使学生掌握热力学与统计物理的基本原理和处理具体问题的一些重要方法，并初步具有用这些方法解决较简单问题的能力。

该课程在第六学期开设，学习该课程的先修课程是基础物理的各门课程和《理论力学》以及《高等数学》，这门课程又是《量子力学》、《固体物理》等课程的基础。

（二）课程目标本门课程系统讲授平衡态热力学和统计物理的基本理论和基本方法。

根据高等师范院校的特点，着重让学生了解热运动对于物质宏观性质的影响，掌握热运动的基本规律以及运用热力学方法和统计物理的方法研究解决物质热现象问题的基本的思想方法，学会基本的计算方法，获得运用热力学统计物理分析和处理问题的能力，提高学生的科学素养。

使学生运用科学的学习方法，真正达到从学会到会学，掌握该课程的知识体系与研究方法。

培养学生有较强的独立思考能力和创造能力。

对于与本课程相关领域的发展，可作适当介绍，为学生了解相关前沿打开一些窗口。

同时该课程是学生考研考得较多的课程之一，应该在保证基本内容的前提下，适当予以拓宽与加深，以兼顾考研学生的需要。

（三）学时分配二 教学方法和手段以讲授为主，讨论课和多媒体教学为辅的教学法。

《热力学与统计物理学》是一门理论性很强的学科，在整个知识结构体系中包含了许多难度很大的理论课。

在教学过程中由于其理论性强，结构体系庞大，内容本身抽象，因此教学难度很大。

《热力学与统计物理学》教学大纲课程代码：NANA2051课程名称：热力学与统计物理学英文名称：Thermodynamics and statistical physics课程性质：专业必修课程学分/学时： 3.00学分/54学时考核方式：期末+期中+作业开课学期：第4学期适用专业：纳米材料与技术先修课程：高等数学，普通物理后续课程：固体物理，半导体物理开课单位：纳米科学技术学院选用教材：统计和热物理基础一、课程目标通过本课程的理论教学，使学生具备下列能力：1，了解热力学的基本概念，熟悉热力学方程并能够将其用于具体科学问题的计算与分析。

（支撑毕业要求指标点1-1）2，能够推导热力学与统计物理学的基本方程，能够建立物理问题的统计物理学模型。

（支撑毕业要求指标点1-2）3，学生熟悉外部参数之间的微分关系，了解发动机的基本概念，了解不同统计系统的定义及其统计理论。

能够在深入了解热力学与统计物理学基本理论的基础上解决实际物理、化学问题。

（支撑毕业要求指标点2-1）二、教学内容第一章:热力学和统计物理导论持续时间:2周,6讲座内容1、数学知识学习本课程所需的数学知识热力学和统计物理的一般介绍学习简单的统计原理;引入一些外部参数;学习四个热力学定律和一个统计关系。

第二章:宏观热力学的简单应用持续时间:5周,15讲座内容1、麦克斯韦关系学习麦克斯韦关系以及如何推导它们2、绝热膨胀和节流过程学习两种冷却技术和它们的计算:绝热膨胀和节流过程3、热机学习实用热机的定义;为什么理想的热机达不到;计算卡诺热机的效率第三章:统计物理概论持续时间:3周,9讲座内容1、统计系统的基本概念和例子:学习如何描述实际系统使用一般坐标和一般动量。

2、计算态密度学习如何计算一维，二维和三维盒子里的粒子的状态密度。

玻尔兹曼，玻色和费米系统学习这三个系统的定义;计算三个系统可以达到的状态数;学习如何计算这三个系统的分布。

第四章:玻尔兹曼系统的统计物理持续时间:5周,15讲座内容1、配分函数介绍了玻尔兹曼系统的配分函数;介绍如何使用配分函数计算外部参数2、麦克斯韦速度分布计算麦克斯韦速度定律;计算最可能的速度和平均速度能量均分热证明能量均分定理;利用能量均分热计算一些实际系统的比热容。

《热力学·统计物理》课程教学大纲课程名称：热力学·统计物理课程编码：学时：72 学分：4开课学期：第四学期课程类别：学科平台课程课程性质：必修课适用专业：应用物理学先修课程：力学、热学、原子物理，高等数学一、课程的性质、目的与任务热力学与统计物理是研究物质热现象和热运动规律理论的物理课程。

它是微观理论研究和宏观应用之间的一座桥梁，前者采用宏观的研究方法，后者采用微观的研究方法。

两种方法相辅相成，取长补短。

本门课程的学习内容主要有：热力学的基本规律；均匀物质的热力学性质；单元系的相变；多元系的复相平衡和化学平衡；；近独立粒子的最概然分布；玻耳兹曼统计；玻色统计和费米统计；系综理论；。

通过本门课程的学习，使学生能够掌握这两种研究方法，为今后的进一步学习与研究打下必要的基础。

二、教学内容及基本要求第一章热力学的基本规律教学目的和要求：了解热力学系统的平衡态及其描述、热平衡定律和温度、理想气体的内能和绝热过程、理想气体的卡诺循环、自由能和吉布斯函数理解物态方程、功、热力学第二定律、热容量和焓、热力学温标掌握热力学第一定律、卡诺定律、克劳修斯等式和不等式、熵和热力学基本方程、理想气体的熵、热力学第二定律的普遍表述、熵增加原理的的简单应用教学重点和难点：热力学第一定律和物态方程，克劳修斯等式与不等式，热力学基本方程。

教学方法与手段：传统教学与学生自学相结合第一节热力学系统的平衡状态及其描述第二节热平衡定律和温度第三节物态方程第四节功第五节热力学第一定律第六节热容量和焓第七节理想气体的内能第八节理想气体的绝热过程第九节理想气体的卡诺循环第十节热力学第二定律第十一节卡诺定理第十二节热力学温标第十三节克劳修斯等式与不等式第十四节熵和热力学基本方程第十五节理想气体的熵第十六节热力学第二定律的表述第十七节熵增加原理的简单应用第十八节自由能和吉布斯函数复习与作业要求：完成课后相关习题。

考核知识点：熵增加原理的应用，理想气体的熵。

热力学统计物理学课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；热力学统计物理【Thermodynamics and Statistical Physics】，兰州大学物理科学与技术学院物理学专业专业基础课，4学分。

（二）课程简介、目标与任务；《热力学统计物理》从宏观及微观角度理解大量粒子组成的物理系统的基本性质及其微观基础，该课程的任务是让学生掌握热力学和统计物理的基本原理和研究方法。

（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；先修课程要求：高等数学、普通物理（包括力学、热学、光学、电磁学及原子物理）、理论力学。

与理论力学、量子力学、电动力学共同构成物理类专业基础课。

（四）教材与主要参考书。

教材：热力学•统计物理（第五版）；作者：汪志诚；高等教育出版社。

参考书目：1）王竹溪，《热力学简程》，高教出版社，19642）王竹溪，《统计物理学导论》，第二版，高教出版社，19653）龚昌德，《热力学与统计物理学》，，高教出版社，19824）苏汝铿，《热力学与统计物理基础》，，复旦大学出版社，19905）Landau L.D. and Lifshitz E.M., Statistical Physics, Pergamon Press, 1958 6）Reif F., Fundamental of Statistical and Thermal Physics, McGraw Hill Book Company, 19657）L.E.雷克著，黄昀等校译，统计物理现代教程，上册，北京大学出版社二、课程内容与安排（一）章节详细内容第一章热力学的基本规律第一节热力学系统的平衡状态及其描述；第二节热平衡定律和温度；第三节物态方程；第四节准静态过程及其功表达式；第五节内能、热量和热力学第一定律；第六节热容量和焓；第七节理想气体的内能；第八节理想气体的绝热过程；第九节理想气体的卡诺循环；第十节热力学第二定律；第十一节卡诺定律；第十二节热力学温标；第十三节克劳修斯等式和不等式；第十四节熵和热力学基本方程；第十五节理想气体的熵；第十六节热力学第二定律的普遍表述；第十七节熵增加原理的简单应用。

《热力学与统计物理学》教学大纲课程名称：热力学与统计物理学英文名称：Thermodynamics and Statistical Mechanics课程编号：09120013学时数及学分：64学时4学分教材名称及作者；《热力学・统计物理》，汪志诚出版社、出版时间：高等教育岀版社，1998年本大纲主笔人：陈太红，范嗣林一、课程的目的、要求和任务热力学和统计物理都是研究有关热现象的理论。

热力学是宏观理论，统计物理是微观理论，两种方法相辅相成，相互融会贯通，取长补短，应使学生掌握这两种研究方法，并受到足够的训练。

二者不同之处在于采用了不同的岀发点，因而也就决定了采用不同的处理问题的方法。

该课程是本专业重要的理论基础课程。

通过该课程的学习是学生初步建立分析微观世界的思路和方法，并培养学生分析问题、解决问题、进行创造性思维的能力，为本专业后续课程打下良好基础。

本课程内容包括热力学与统计物理学的对象和任务，热力学第一宦律，热力学第二左律，热力学函数, 麦克斯韦关系及应用，特殊函数，磁介质、平衡辐射的热力学性质，热动平衡判据，开系的热力学基本方程，单元复相系的复相平衡条件和平衡性质，多元系的复相平衡，统汁物理的基本原理，波耳兹曼分布，量子统计分布，系综理论，量子统计分布，非理想气体状态方程，黑体辐射的统计性质，一级相变和二级相变，涨落和关联，玻耳兹曼方程与H定理，输运过程，不可逆过程的爛增加率。

教学基本要求：1、了解热力学的基本槪念，掌握热力学的三个基本左律，并能熟练应用：2、了解统计物理的基本概念，掌握和区分三种基本“统计”的核心内容；3、通过该课程的学习初步建立分析微观世界的思路和方法，培养学生分析问题、解决问题、进行创造性思维的能力，为本专业后续课程打下良好基础。

二、大纲的基本内容及学时分配绪论（1学时）热力学与统计物理学的对象和任务，及英发展简史。

第一章热力学的基本规律（14学时）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，加深对这些规律的认识。

《热力学·统计物理学》教学大纲课程性质：专业基础课课程编码：适用专业：物理学教育本科编制时间：2007年2月修改时间：2008年8月一、预备知识：普通物理课程《力学》、《热学》、《光学》、《电磁学》和《原子物理》，以及《高等数学》，还有《理论力学》的学习，《热学》是其前期课程。

二、教学目的：热力学与统计物理学课程是高等学校物理学科主干课程体系中四大力学之一，其主要内容都是后续课程中不可或缺的基础，是有承上启下的知识连接作用。

通过本课程的学习，通过本课程的学习，应使学生在《热学》的基础上，较深入地掌握热力学与统计物理学的基本概念，系统地理解研究热现象的宏观与微观理论，基本掌握运用有关理论处理具体问题的方法，在逻辑思维和演义推理方面得到进一步训练，提高分析问题和解决问题的能力。

结合一些物理学史的介绍，使学生了解如何由分析物理实验结果出发、建立物理模型，进而建立物理理论体系的过程，了解微观物理学对现代科学技术重大影响和各种应用，了解并适当涉及正在发展的学科前沿，扩大视野，引导学生勇于思考、乐于探索发现，培养其良好的科学素质。

三、教学要求：本课程是后续多门专业课程，特别是固体物理学与半导体物理学的基础。

课程的学习有别于中学课程的学习，要求学生掌握科学的学习方法，培养学生独立的思考能力。

该课程重物理概念和基本原理，轻数学计算（热力学方面要求熟练运用雅可比行列式，统计物理学方面会运用玻耳兹曼分布和配分函数）。

在热力学方面要求学生掌握热力学的系统描述参量及其性质；热力学中的基本实验规律与三大定律；状态函数的本质及其在其他学科的应用；了解相变的基本规律和描述方法。

在统计物理学方面要求学生能够用物理学微观的统计方法把物理系统的宏观性质与微观粒子的统计规律联系起来。

掌握统计物理的基本理论，学会用来解决一些基本的和与专业有关的一些热运动方面的问题。

掌握热力学的基本规律和统计物理的基本理论，重点为三种分布函数及其关系；学会由配分函数导出系统的热力学函数和其他的物理量。

热力学与统计物理》课程教学大纲中文名称：热力学与统计物理英文名称：Thermodynamics and Statistical Mechanics授课专业：物理学，光信息科学与技术学时：72学分：4预修课程：力学热学电磁学光学原子物理课程类别：专业基础必修课程一、课程的性质和目的热力学与统计物理学是研究物质的热现象和热运动规律的理论物理课程，它是理论物理学主要基础学科之一。

热力学研究热运动的宏观理论，主要采用宏观的研究方法，统计物理是热运动的微观理论，主要采用微观的研究方法，两种方法相辅相成，相互融会贯通，取长补短。

应使学生掌握热统的基本概念、基本定理、定律、公式、热力学量，学会用热统理论解决具体问题，培养独力思考能力和创造能力并受到足够的训练，为后续课程打好基础。

二、课程教学内容导言 ......................................................... 2学时第一章热力学的基本规律........................................ 1 2学时1、热力学系统的平衡状态及其描述2、热平衡定律和温度3、物态方程4、功5、热力学第一定律6、热容量和焓7、理想气体的内能8、理想气体的绝热过程9、理想气体的卡诺循环10、热力学第二定律11、卡诺定理12、热力学温标13、克劳修斯等式和不等式14、熵和热力学基本方程15、理想气体的熵16、热力学第二定律的数学表述17、熵增加原理的简单应用18、自由能和吉布斯函数第二章均匀物质的热力学性质..................................... 8学时1、内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分2、麦氏关系的简单应用3、气体的节流过程和绝热膨胀过程4、基本热力学函数的确定5、特性函数6、热辐射的热力学函数7、磁介质的热力学8、获得低温的方法第三章单元系的相变 ............................................ 6学时1、热动平衡判据2、开系的热力学基本方程3、单元系的复相平衡条件4、单元复相系的平衡性质5、临界点和气液两相的转变6、液滴的形成7、相变的分类8、临界现象和临界指数9、朗道连续相变理论第四章多元系的复相平衡和化学平衡....................1、多元系的热力学函数和热力学方程2、多元系的复相平衡条件3、吉布斯相律4、二元系相图举例5、化学平衡条件6、混合理想气体的性质7、理想气体的化学平衡8、热力学第三定律第五章不可逆过程热力学简介.......................... 介绍不可逆过程热力学的基本理论和部分应用的思路1、局域平衡熵流密度与局域熵产生率2、线性与非线性过程昂萨格关系3、温差电现象4、最小熵产生定理5、化学反应与扩散过程6、非平衡系统在非线性区的发展判据7、三分子模型与耗散结构的概念第六章近独立粒子的最概然分布...................1、粒子运动状态的经典描述2、粒子运动状态的量子描述3、系统微观运动状态的描述4、等概率原理5、分布和微观状态6、玻尔兹曼分布7、玻色分布和费米分布8、三种分布及其关系4 学时1 学时8学时第七章 玻尔兹曼统计 .......1、 热力学量的统计表达式2、 理想气体的物态方程3、麦克斯韦速度分布律4、能量均分定理5、理想气体的内能和热容量6、理想气体的熵7、固体热容量的爱因斯坦理论8、顺磁性固体9、负温度状态第八章 玻色统计和费米统计 (8)学时 1、 热力学量的统计表达式2、 弱简并理想玻色气体和费米气体3、 玻色—爱因斯坦凝聚4、 光子气体5、金属中的自由电子气体6、白矮星7、二维电子气体与量子霍尔效应第九章 系综理论 ..............1、 相空间 刘维尔定理2、 微正则分布3、 微正则分布的热力学公式4、 正则分布5、 正则分布的热力学公式6、 实际气体的物态方程7、固体的热容量。

《热力学与统计物理》课程教学大纲课程名称：热力学与统计物理课程类别：专业必修课适用专业：物理学考核方式：考试总学时、学分：56学时 3.5学分其中实验学时：0 学时一、课程性质、教学目标热力学与统计物理为高等师范本科物理专业的专业基础课。

热力学与统计物理学研究物质热运动的规律以及热运动对物质宏观性质的影响，是固体、液体、气体、等离子体理论和激光理论的基础之一。

该课程以由观察和实验总结出的几个基本定律为基础，经过严密的数学推理，来研究物性之间的关系；从物质的微观结构出发，依据微观粒子所遵循的力学规律，再用概率统计的方法求出系统的宏观性质及其变化规律；将热力学三个基本定律统一于一个基本的统计原理，并阐明三个定律的统计意义。

课程教学目标1：掌握热现象与热运动的规律及其对物质的宏观性质的影响。

课程教学目标2：掌握热力学与统计物理学处理问题的方法，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。

课程教学目标3：通过对热运动规律的学习，加深对物质热性质的理解，进一步培养辨证唯物主义世界观。

课程教学目标与毕业要求对应的矩阵关系注：以关联度标识，课程与某个毕业要求的关联度可根据该课程对相应毕业要求的支撑强度来定性估计，H:表示关联度高；M表示关联度中；L表示关联度低。

二、课程教学要求本课程分热力学与统计物理学两大部分。

宏观热力学部分：在热力学第一、第二定律基础上，导出基本热力学关系，并将其应用于实际的宏观物质系统。

内容包括：热力学的基本定律、均匀闭系的热力学关系及其应用、相平衡和化学平衡、非平衡态热力学简介。

统计物理学部分：以量子论的观点，从等概率原理出发，导出最概然统计分布和系综统计分布，并分别将其应用于经典系统和量子系统。

内容包括：统计物理学的基本概念、最概然统计法、系综统计法、涨落理论、非平衡态统计物理学简介。

三、先修课程力学、热学、电磁学、光学、原子物理学、理论力学四、课程教学重、难点重点：热力学第一、第二、第三定律。