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热力学与统计物理
Thermodynamics and Statistical Physics
一、课程基本情况
课程类别:专业主干课程
课程学分:3学分
课程总学时:48学时(讲课:48学时)
课程性质:必修
开课学期:第3学期
先修课程:普通物理、高等数学、数学物理方程、概率统计等
适用专业:物理学、应用物理学
教 材:热力学与统计物理,高等教育出版社,汪志诚,2008年12月第五版。
开课单位:物理与光电工程学院
课程性质、教学目标和任务
“热力学与统计物理”是研究物质热现象和热运动规律,并运用微观理论解释宏观现象的物理学课程。其与“理论力学”、“电动力学”、“量子力学”一起,构成大学阶段物理学的经典核心内容。通过本课程的教学,学生应该掌握宏观系统热运动基本规律,理解微观热运动与物质宏观性质之间的关联;初步掌握统计物理学的研究方法,理解其与热学研究方法的区别和联系;培养运用统计物理方法分析和解决相关问题、开展创造性思维的能力,为后续的“固体物理”等专业课程的学习打下良好基础。
教学内容和要求
第1章热力学的基本规律 (8学时)
(1)了解热力学研究的历史;
(2)理解热力学系统的平衡态及其描述参量;
(3)掌握热平衡定律、温度概念;
(4)掌握几种物质的物态方程;
(5)理解准静态过程、系统作功、内能和热量等概念;掌握热力学第一定律;
(6)理解热容量和焓;掌握理想气体的内能表达式;
(7)掌握理想气体的绝热方程和理想气体的卡诺循环以及热机效率;
(8)理解掌握热力学第二定律、卡诺定理、热力学温标以及克劳修斯等式和不等式;
(9)理解熵的概念,掌握热力学基本方程以及理想气体熵的一般表达式;
(10)掌握热力学第二定律的数学表述和熵增加原理及其简单应用;
(11)掌握自由能和吉布斯函数的概念。
重点:热力学定律的理解与应用;
难点:热力学第二定律,熵与自由能的概念及其物理意义。
第2章均匀物质的热力学性质 (4学时)
(1)理解气体的节流过程和绝热膨胀过程;
(2)掌握内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分;
(3)掌握麦氏关系及其简单应用;
(4)掌握基本热力学函数一般表达式和特性函数的意义;
(5)理解热辐射和磁介质有关热力学理论。
重点:热力学能的微分式,热力学函数的表达式;
难点:麦氏关系及其应用,热辐射的热力学理论。
第3章 单元系的相变 (4学时)
(1)了解相变的分类及朗道连续相变理论;
(2)理解单元系的复相平衡条件;掌握单元复相系的平衡性质;
(3)掌握临界点和气液两相的转变;
(4)掌握热动平衡有关判据及开系的热力学基本方程。
重点:相平衡条件;
难点:临界现象与相变的概念与分类。
第4章 多元系的复相平衡和化学平衡 热力学第三定律 (4学时)
(1)掌握多元系的热力学函数和热力学方程;
(2)理解多元系的复相平衡条件;熟悉吉布斯相律;
(3)了解化学平衡条件及混合理想气体的性质;
(4)了解理想气体的化学平衡和热力学第三定律。
重点:多元系相平衡条件;
难点:热力学第三定律及其在多元系中的应用。
第5章 近独立粒子的最概率然分布 (6学时)
(1)理解等概率原理;
(2)理解玻耳兹曼分布、玻色分布和费米分布以及三种分布的关系;
(3)掌握粒子运动状态经典、量子描述以及系统微观运动状态的描述;
(4)掌握兹曼系统、玻色系统、费米系统微观状态数的确定。
重点:粒子运动状态的经典与量子描述;
难点:不同系统微观状态数的确定。
第6章 玻耳兹曼统计 (6学时)
(1)掌握热力学量的统计表达式;
(2)掌握波尔兹曼统计在处理理想气体物态方程问题中的应用;
(3)理解麦克斯韦速度分布律、经典能量均分定理;
(4)理解理想气体的内能、热容量和熵的量子统计理论;
(5)了解处理固体热容量的爱因斯坦理论和顺磁性固体问题。
重点:波尔兹曼统计理论及其应用;
难点:理想气体热力学量的量子理论。
第7章 玻色统计和费米统计 (6学时)
(1)掌握玻色系统和费米系统热力学量的统计表达式;
(2)了解玻色—爱因斯坦凝聚现象;
(3)掌握玻色统计处理光子气体问题的思路与方法;
(4)掌握费米统计处理金属中的自由电子气体问题的思路与方法。
重点:两种统计的数学形式与物理本质;
难点:光子与电子气体的统计问题处理。
第8章系综理论 (6学时)
(1)掌握相空间的概念;
(2)理解刘维尔定理;
(3)掌握微正则系综理论及其热力学公式;
(4)掌握正则系综理论及其热力学公式;
(5)掌握系综理论处理实际气体物态方程和固体热容量问题的基本方法;
(6)了解巨正则系综理论及其热力学公式;
(7)了解巨正则系综理论的简单应用。
重点:系综分类理论及其区别与联系;
难点:系综理论的运用。
第9章涨落理论 (4学时)
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