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1、热力学与统计物理教学大纲一、课程基本信息课程名称热力学与统计物理Thermodynamics and Statistical Physics课程编码SCC522411035开课院部理学院课程团队热力学与统计物理教学团队学分3.5课内学时56讲授56实验0上机0实践0课外学时56适用专业应用物理学授课语言中文先修课程热学、量子力学课程简介 （必修）热力学与统计物理是应用物理学专业的必修课程，是专业主要核心课程即理论物理学的四大分支之一。该课程包括热力学和统计物理 两部分内容，主要研究热运动的规律，研究与热运动有关的物性及宏观物质系统的演化，是固体、液体、气体、等离子体理论的理论基础 之一。通过对
2、本课程的学习，学生将明晰热力学与统计物理学在理论物理知识框架中的位置，掌握热力学与统计物理学的基本原理、基本 理论和知识要点，以及运用热力学和统计物理基本思想和知识解决实际问题的技能和方法，锻炼批判性的科学思维，提高实际应用能力， 为进一步学习其它理论课程或从事相关领域科研工作打下良好的基础。Thermodynamics and statistical physics is a compulsory course for the major of applied physics, and one of the four core branches of the major core cours
3、es of the major, theoretical physics. The course consists of two parts: thermodynamics and statistical physics. It mainly studies the laws of thermal motion, the physical properties and the evolution of macroscopic matter systems. It is one of the theories of solid, liquid, gas and plasma theory. Th
4、rough the study of this course, students can understand the status of thermodynamics and statistical physics in the entire physics framework, master the basic principles, basic theoretical framework and knowledge points of thermodynamics and statistical physics. Students will have the skills and met
5、hods to use thermodynamics and statistical physics basic ideas and knowledge to solve practical problems, exercise critical scientific thinking and improve practical application ability, which will lay a good foundation for further study of other theoretical courses or scientific research in related
6、 fields.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1Ml目标1：掌握热力学、经典统计和量子统计的基本概念、原理和核心理论，掌握热力学与统计物理基 本原理处理问题的方法，并初步具备运用这些方法分析、解决具体问题的能力是3.22M2目标2 ： 了解热力学与统计物理的发展历程以及在整个理论物理框架中的位置，能够基于课程的知识 体系，结合文献资料调研方法，对当下相关前沿领域发展动态进行调研和分析是3.43.4三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课 程目标课内 学时教学方式课外 学时课外环节1第一章热力学的基本定律热力学二定律，热力学函数内能、焰、燧
7、、自由能、吉布斯函 数的物理意义/ /21. 1热力学的研究目的传统热力学，非平衡态热力学的线性和非线性理论Ml, M20.5讲授1阅读资料31.2热力学系统的平衡 及其描述系统、外界、子系统；系统的分类；热力学平衡态及其判别方 法；状态参量；广延量与强度量Ml0.5讲授0. 5自学41.3温度和物态方程热接触与热平衡；热平衡定律、温度、热平衡的传递性；态函 数温度存在的数学论证；物态方程的意义；物态方程举例Ml1讲授0. 5自学51.4功和热力学第一定 律准静态过程；准静态过程的功；非准静态过程的功；改变系统 状态的方式及绝热过程；内能；热量，热力学第一定律Ml0.5讲授0. 5自学61.5
8、热容量和烙热容量的定义；状态函数烙；比热Ml0.5讲授0.5自学71.6理想气体理想气体的自由膨胀；焦耳实验，焦耳定律；理想气体定容和 定压热容量；状态方程和过程方程；理想气体的等温过程和绝 热过程；卡诺循环；热机、制冷机及其效率Ml1讲授0.5自学81.7热力学第二定律热力学第二定律的两种表述及等价性；第二类永动机；可逆过 程，不可逆过程；实际过程的不可逆性；可逆机和不可逆机Ml1讲授0.5自学91.8热力学第二定律的 数学表述和熠卡诺定理；热力学温标；克劳修斯等式和不等式；态函数端的 引入及意义；热力学基本方程及其意义，热力学基本方程的一 般形式；理想气体燧的计算公式及应用；热力学第二定律
9、的数 学表述形式；嫡增加原理；烯增加原理的简单应用Ml1讲授1自学101.9自由能和吉布斯函 数自由能的引入和最大功原理；吉布斯函数的引入Ml1讲授、讨 论2作业、阅 读资料11第二章均匀物质的热力学性质由热力学函数（内能、烙、自由能、吉布斯函数）的全微分推 导出的麦氏关系，麦氏关系的应用，基本热力学函数的确定， 特性函数/122. 1麦克斯韦关系内能、蛤、自由能和吉布斯的全微分形式及应用，麦氏关系的 推导；麦氏关系的意义和应用；雅可比行列式，定容热容量与 能态方程；定压热容量与蛤方程Ml1.5讲授1自学132.2气体的节流膨胀和 绝热膨胀气体节流过程；焦耳-汤姆逊效应与焦耳自由膨胀实验的关系
10、； 气体绝热膨胀过程Ml1讲授1自学142.3基本热力学函数和 特性函数基本热力学函数的确定和应用；特性函数；表面的热力学性质Ml1.5讲授1自学152.4热辐射的热力学理 论热辐射的内能密度是温度的普适函数；辐射压强与内能密度的 关系；热辐射的热力学函数Ml1讲授1自学162.5磁介质热力学磁介质的功；磁介质的麦氏关系；绝热去磁制冷；磁介质热力 学基本方程Ml1讲授1自学172.6小结与习题讨论第一、二章内容小结和习题讨论Ml, M21讲授、讨 论2作业、阅 读资料18第三章单元系的相变平衡判据及应用，相平衡条件，开系的热力学性质，相图/193. 1热动平衡判据烯判据，自由能判据，吉布斯函数
11、判据；平衡条件，平衡稳定 条件Ml1.5讲授1自学203.2开系的热力学基本 方程开系及其热力学基本方程；化学势；巨热力势Ml0.5讲授0.5自学213.3单元系的复相平衡 条件热平衡条件，力平衡条件，相变平衡条件，过程进行方向Ml0.5讲授0.5自学223.4单元复相系的平衡 性质相图；单元系相图；平衡曲线；克拉柏龙方程Ml1讲授0.5自学233.5临界点和气液两相 的转变实际气体等温线，范德瓦尔斯等温线；麦克斯韦等面积法则， 临界系数Ml1讲授1自学243.6相变的分类一级相变，连续相变；爱伦费斯特方程Ml0.5讲授0. 5自学253.7朗道二级相变理论 简介序参量；对称性破缺Ml, M2
12、1讲授2作业、阅 读资料26第四章多元系的复相平衡 和化学平衡多元系的复相平衡条件,吉布斯相律；混合理想气体的性质/274. 1多元系的热力学函 数和热力学方程欧勒定理；多元单相系的热力学函数和基本方程；多元复相系 的热力学函数，吉布斯关系Ml1讲授1自学284.2多元系的复相平衡 条件多元系复相平衡条件的一般性推导；膜平衡Ml0.5讲授0.5自学294.3吉布斯相律强度变量，摩尔分数；吉布斯相律的推导及简单应用Ml0.5讲授0. 5自学304.4化学平衡条件化学反应的表示，单相系化学平衡条件，反应度Ml1讲授1自学314.5混合理想气体的性 质道尔顿分压定律；混合理想气体的物态方程、熔和燧；
13、吉布斯 佯谬Ml1讲授0. 5自学324.6理想气体的化学平 衡平衡常量；质量作用律Ml1讲授0. 5自学334.7热力学第三定律能斯特定理热力学第三定律；绝对烯，绝对零度不能到达Ml1讲授0.5自学344.8小结与习题讨论第三、四章内容小结和习题讨论M1,M21讲授、讨 论2作业、阅 读资料35第五章近独立粒子系统的 最概然分布相空间，系统微观状态的描述，等概率原理，三个统计分布函 数/365. 1统计物理学的研究 对象、目的与方法统计物理学的研究对象、目的与方法Ml0.5讲授0. 5自学375.2粒子运动状态的经 典描述粒子的运动状态的含义；相空间及举例；广义坐标和广义动 量；经典粒子运动
14、状态描述举例Ml0.5讲授0.5自学385.3粒子运动状态的量量子态，自由度；粒子运动状态描述举例；简并能级，相格；Ml1讲授1自学子描述态密度395.4系统微观运动状态 的描述全同近独立粒子系统；经典系统微观运动状态的描述，量子系 统微观运动状态的描述；玻耳兹曼系统，玻色系统，费米系统Ml1讲授1自学405.5等概率原理宏观状态，微观状态；等概率原理-统计物理的基本假设Ml0.5讲授0.5自学415.6分布和微观状态分布的意义；宏观状态、微观状态与分布的关系；玻耳兹曼系 统、玻色系统、费米系统的区别Ml1讲授0. 5自学425. 7玻耳兹曼分布最概然分布；斯特令近似公式；拉格朗日不定乘子法求
15、玻耳兹 曼分布；平衡态与最概然分布Ml1讲授1自学435.8玻色分布和费米分 布拉格朗日不定乘子法求玻色分布和费米分布Ml1讲授1自学445.9三种分布的关系经典极限条件（非简并性条件）；玻耳兹曼分布、玻色分布、费 米分布的关系Ml, M20.5讲授2作业、阅 读资料45弟八早玻耳兹曼统计热力学量统计表达式，能量均分定理的统计意义/466. 1热力学量的统计表 达式玻尔兹曼统计的配分函数；内能、物态方程、嫡的统计表达 式；燧的统计意义；玻尔兹曼关系式，满足经典极限条件的玻 色（费米）系和定域系统的嫡Ml1.5讲授1自学476.2理想气体的物态方 程单原子分子理想气体系统的配分函数；由配分函数求
16、物态方程Ml0.5讲授0.5自学486.3麦克斯韦速度分布速度分布的推导Ml0.5讲授0. 5自学496.4能量均分定理能量均分定理的证明；应用能量均分定理求热容量；讨论平衡 辐射问题Ml1讲授1自学506.5理想气体的内能和 热容量量子统计理论讨论双原子分子理想气体的内能和热容量Ml1讲授0.5自学516. 6固体热容量的爱因 斯坦理论介绍固体热容量的爱因斯坦理论Ml, M21讲授1作业、阅 读资料52第七章玻色统计和费米统计玻色-爱因斯坦凝聚现象；光子气体费米能级，费米动量/537. 1热力学量的统计表 达式巨配分函数，玻色、费米系统的热力学量统计表达式的推导Ml1讲授1自学547.2玻色
17、-爱因斯坦凝 聚玻色理想气体模型；玻色爱因斯坦凝聚，凝聚温度，玻色爱因 斯坦凝聚体的性质Ml1.5讲授1自学557.3光子气体光子气体模型，普朗克公式，低频、高频范围的极限结果；空 窖辐射总内能及内能密度、维恩位移定律Ml1.5讲授1自学567.4金属中的自由电子气体金属的内部结构和自由电子气体模型；费米能量，费米速度， 费米温度；二维电子气，量子霍尔效应Ml1.5讲授1自学578.4正则系综正则系综的宏观条件；分布函数，配分函数；正则系综的热力 学公式；正则分布与微正则分布的关系；介绍伊辛模型的平均 场理论Ml2讲授1自学588. 1经典统计系综的概 念平衡态统计物理的普遍理论一系综理论；相
18、空间；相轨道Ml1.5讲授1自学598.3微正则系综微正则系综热力学量的统计表达式，微正则系综理论的简单应 用Ml1.5讲授1自学608.6巨正则分布的简单 应用介绍几个巨正则分布的简单应用Ml, M21讲授2作业、阅 读资料61总结课程总结课程内容总结和梳理Ml, M21.5讲授、讨 论4大作业628.5巨正则系综巨正则系综的宏观条件；分布函数；巨正则系综的热力学公 式；三种系综理论的关系Ml1.5讲授1自学637.5小结与习题讨论第五、六、七章内容小结和习题讨论Ml, M21讲授、讨 论2作业、阅 读资料64第八章系综理论微正则系综、正则系综、巨正则系综理论的理解和应用/658.2刘维尔定
19、理刘维尔定理简介，统计系综的分类Ml1讲授1自学四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时作业1 .每周布置2-3道题目，平均每次课1道题以上。2 .成绩采用百分制，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。3 .考核学生对热力学与统计物理基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主要有 简答题和计算题。10%2期中考试1 .闭卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分10。分。2 .主要考核学生对热力学与统计物理基本知识的掌握情况，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主 要有简答题、分析题、计算题等。20%3大作业L本课程给定部分专题题目，调
20、研热力学与统计物理前沿领域的进展，完成相关专题的进展的调研报告。2.根据调研报告的完成情况评分。10%4期末考试1 .闭卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分10。分。2 .主要考核学生对热力学与统计物理基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主 要有简答题、分析题、计算题等。50%5课堂表现考察学生出勤、上课精神状态、回答问题、参与讨论的情况等。10%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1Ml平时作业15%A-对本课程的基本概念、原理和核心理论知识点理解无误，会运用所学解决具体问题。B-对上述知识点理解解决具体问题存在少量错误。c-对上述知识点理解和解
21、决具体问题存在大量错误。D-存在不交作业和抄袭等现象。2Ml期中考试25%（见试卷评分标准）3Ml期末考试60%（见试卷评分标准）4M2大作业100%A-在主题相符程度、内容前沿性、叙述逻辑性、表达清晰程度上表现优秀。 B-在主题相符程度、内容前沿性、叙述逻辑性、表达清晰程度上表现良好。 c-在主题相符程度、内容前沿性、叙述逻辑性、表达清晰程度上表现一般。 D-格式不完整、内容与课程无关、语言混乱、抄袭等。5/ /课堂表现100%A-全勤，积极参与课堂讨论和回答问题。B-全勤，少量参与课堂讨论和回答问题。C-缺勤1-2次，不参与课堂讨论和回答问题。D-缺勤3次及以上，有扰乱课堂秩序等现象。评分等级说明：A, B, C, D = 90-100, 75-89, 60-74, 0-59六、教材与参考资料序号教学参考资料明细1图书1热力学与统计物理学，林宗涵，北京大学出版社，2018, ISBN:9787301299227. （*主教材）2图书|热力学统计物理，汪志诚，高等教育出版社，2013, ISBN:9787040351729.3图书Statistical Mechanics, R. K. Pathria & Paul D. Beale, Academic Press, 2011, ISBN:9780123821881.