1、热力学与统计物理学课程总学时：64学 分：3.5开课对象：物理学（师范）本科课程类别：专业基础必修课程一、说明（一）课程性质本课程是物理学本科专业的一门专业基础课程，是物理学主要骨干课程理论物理的四大分支之一。热力学与统计物理学是物理学、应用物理、材料科学等有关专业必修的基础理论课程。主要研究热运动的规律，与热运动有关的物性及宏观物质系统的演化。在热学课程的基础上，建立起研究热现象的宏观理论热力学和微观理论统计物理学。课程将系统的学习热力学和统计物理学的基本理论，并应用于经典的实例。将为学生初步研究能力的培养打下基础。（二）课程目的热力学与统计物理是师范院校物理学专业理论物理课程的一部分，是主
2、要的专业基础课之一。通过本课程的教学，应达到以下的目的：1、通过本课程的学习，使学生对热现象理论的认识进一步深化。特别是建立在微观理论上的统计物理学，将帮助学生了解大量粒子所构成的系统的统计规律性，并掌握分析热力学系统的有效方法。通过习题的练习提高学生的综合能力，为今后从事与热现象有关的研究和技术工作打下坚实的基础。2、通过热力学基本定律的进一步理解，使学生深刻认识热力学的基本概念，能用系统的理论方法解决热现象的宏观基本问题。3、通过统计物理学知识的系统学习，领会微观理论的基本理念。能用统计物理学的方法对热现象进行微观解释。4、通过课程内容和研究方法的讲述有意识地培养学生的辩证唯物主义世界观，
3、为学生进一步学习后续课程（固体物理学）和进行科学研究打下良好的基础。（三）教学内容与基本要求课程主要研究由大量粒子构成的物质系统在热平衡条件下的热运动规律及热运动对物质宏观性质的影响，热力学是热运动的宏观理论，统计物理学是热运动的微观理论。重点学习热现象研究的宏观理论和微观理论的基础部分。第一、第二章，主要阐述热力学基本概念和基本理论体系；第三和第四章应用热力学理论建立开系的热力学基本方程，分析相变所遵循的普遍规律，讲解热力学第三定律；第五章研究非平衡系统的热力学；第六章讲解近独立粒子的最概然分布；第七、八章讲统计物理学的概率法，系统讲述三种分布对应的统计规律及其应用实例；第九章讲述统计物理学
4、的系综法及其简单应用；第十章讲述涨落理论的基本规律；第十一章介绍非平衡态统计理论的基本知识。本课程主要学习解决热现象问题的宏观理论和微观理论两种方法，要求学生能够运用热力学函数分析各种热现象、运用统计理论分析平衡态物质系统的内在规律性，寻找到宏观量与微观量之间定量解析关系。对非平衡态系统能够做出规律性的判断，争取能够定量解析。进一步深化对热力学第零定律与温度、热力学第一定律、热力学第二定律的理解，重点掌握热力学基本概念和基本理论体系。理解热动平衡判据和开系的热力学基本方程，能进行简单的相变问题分析。了解多元系的复相平衡条件和化学平衡条件，理解热力学第三定律。了解不可逆过程热力学。掌握统计物理学
5、的概率法和三种分布对应的统计规律及其应用实例，理解统计物理学的系综法及其简单应用。了解涨落理论和非平衡态统计理论初步。（四）教学时数分配导 言 1 学时第一章 热力学的基本规律11 学时第二章 均匀物质的热力学性质10 学时第三章 单元系的相变4 学时第四章 多元系的复相平衡和化学平衡2 学时第五章 不可逆过程热力学简介1 学时第六章 近独立粒子的最概然分布7 学时第七章 玻尔兹曼统计10 学时第八章 玻色统计和费米统计8 学时第九章 系综理论8 学时第十章 涨落理论1 学时第十一章 非平衡态统计理论初步1 学时（五）教学方式1、本课程的方法采用以教师讲授为主，结合学生课堂讨论进行教学。2、为
6、在有限的课时中完成基础理论教学，对非重点内容采用介绍思路的方式进行教学，以保持体系的连续性。二、正文导 言教学要点与要求明确热力学与统计物理学的任务，理解宏观理论的热力学方法和微观理论的统计物理方法，明确宏观理论和微观理论的共同之处与不同之处。第一章 热力学的基本规律教学要点与要求重点讲授温度概念的实质和热力学温标的建立；深刻理解热力学第一定律的物理意义并广泛的应用于实际；讲清热力学第二定律的深刻内涵并用熵函数解决实际问题。温度概念及温标的建立和热力学第二定律的理解及其熵函数的建立是本章的学习难点。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
7、。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。掌握平衡态概念和描述平衡态的状态参量的概念，推广理想气体状态方程到一般热力学系统的物态方程；从热力学第零定律引出温度的概念并建立从经验温标到理想气体温标再到热力学温标的思路；掌握热力学第一定律与内能的深刻内涵并能熟练地应用热力学第一定律解决广泛的实际问题；理解热力学第二定律的文字叙述，认识从克劳修
8、斯等式与不等式建立态函数熵的过程，形成热力学第二定律的数学表述；掌握熵增加原理及其简单应用；建立自由能和吉布斯函数的概念。第二章 均匀物质的热力学性质教学要点与要求本章是热力学部分的重点内容。重点讲授热力学函数及其热力学基本方程的深刻内涵和相互联系以及计算方法；能够推算热力学函数的微分方程和热容量差、特性函数等问题；掌握平衡辐射的热力学、磁介质的热力学等应用问题的基本分析方法。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、获得低温的方法重点讲清内能、焓、
9、熵、自由能、吉布斯等热力学函数的热力学基本方程和相互联系以及计算方法；分析热力学函数的微分方程和热容量差并能够计算，理解特性函数的物理内涵；掌握平衡辐射、磁介质的热力学分析方法；了解低温技术方面的知识。第三章 单元系的相变教学要点与要求本章讲授相变问题。建立开系的热力学基本方程，讲解平衡判据、平衡条件，分析相平衡曲线、液气相变特点，介绍临界现象和临界指数。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。重点讲清热动平衡判据、单元系的复相平衡条
10、件、开系的热力学基本方程；分析相平衡曲线、液气相变特性；了解相变的分类、临界现象和临界指数、相变理论。第四章 多元系的复相平衡和化学平衡教学要点与要求讲述多元系的相变问题和化学平衡。建立多元系的热力学函数和热力学方程，应用多元系的复相平衡条件分析相图、化学平衡条件、混合理想气体的性质等，讲解热力学第三定律。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。要求理解多元系的热力学函数和热力学方程、多元系的复相平衡条件；了解吉布斯相律和相图、化学平衡条件、混合理想气
11、体的性质、理想气体化学平衡等内容；理解热力学第三定律的内涵和简单应用。第五章 不可逆过程热力学简介教学要点与要求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。了解局域熵概念及其产生率；了解昂萨格倒易关系及其对温差电现象的应用思路；了解非线性不可逆过程热力学的其它问题的应用思路。第六章 近独立粒子的最概然分布教学要点与要求重点学习粒子运动状态的经典描述和量子描述以及系统微观状态的描述；讲清等概率原
12、理、分布和微观状态；理解三种分布及其关系。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。领会粒子运动状态的经典描述和量子描述，掌握系统微观运动状态的描述，理解等概率原理，理解分布和微观状态的概念，理解玻尔兹曼分布、玻色分布和费米分布的导出过程，掌握三种分布的内涵，理解三种分布之间的关系。第七章 玻尔兹曼统计教学要点与要求重点讲解热力学量的统计表达式及其对理想气体的应用，讲清能量均分定理、固体热容量的爱因斯坦理论、顺磁性固体，介绍负温度状态。1、热力学量的统计
13、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。重点掌握热力学量的统计表达式，理解其对理想气体物态方程和速度分布律的应用，领会能量均分定理，能计算理想气体的内能和热容量以及熵，理解固体热容量的爱因斯坦理论、顺磁性固体的统计理论，了解负温度状态。第八章 玻色统计和费米统计教学要点与要求重点学习玻色统计和费米统计的表达方式，讲解弱简并理想玻色气体和费米气体，玻色爱因斯坦凝聚，介绍光子气体和金属中的自由电子气体，阅读白矮星、二维电子气体与量子霍尔效应。1、热力学量的统
14、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。重点理解玻色统计和费米统计的表达方式，能区分巨配分函数和热力学函数统计平均值的区别；理解弱简并理想玻色气体和费米气体的计算方法；理解玻色爱因斯坦凝聚的统计物理导出过程，领会玻色爱因斯坦凝聚的深刻物理内涵；体会光子气体和金属中的自由电子气体的统计物理解决方法，了解白矮星、二维电子气体与量子霍尔效应现象。第九章 系综理论教学要点与要求介绍相空间、刘维尔定理，重点讲解微正则、正则、巨正则三种系综的基本理论和适用范围，介绍一些简单应用。1、相空间 刘维尔
15、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。8、液 4He 的性质和朗道超流理论。9、伊辛模型的平均场理论。10、巨正则分布。11、巨正则分布的热力学公式。12、巨正则分布的简单应用。了解相空间、刘维尔定理，熟悉系综理论建立的背景，重点理解微正则、正则、巨正则三种系综的基本理论和适用范围，能计算正则分布配分函数和热力学函数并与概率法的结果做出比较，了解实际气体的物态方程、固体的热容量、液 4He 的性质和朗道超流理论、伊辛模型的平均场理论等理论应用，了解巨正则分布的一些简单应用。第十章 涨落理论教学要点与要
16、求概要讲解涨落的准热力学理论，介绍临界点附近的涨落和关联，简单介绍布朗的统计解析方法。1、涨落的准热力学理论。2、临界点附近的涨落和关联。3、布朗运动理论。4、布朗颗粒动量的扩散和关联。5、布朗运动简例。了解涨落的准热力学理论，了解临界点附近的涨落和关联的概念，了解布朗运动的统计解析方法。第十一章 非平衡态统计理论初步教学要点与要求介绍非平衡态统计理论的研究对象，简单介绍非平衡态热力学系统的研究方法。1、玻尔兹曼方程的弛豫时间近似。2、气体的粘滞现象。3、金属的电导率。4、玻尔兹曼积分微分方程。5、H 定理。6、细致平衡原理与平衡态的分布函数。了解非平衡态统计理论的研究对象和研究方法。熟悉玻尔
17、兹曼方程的弛豫时间近似、玻尔兹曼积分微分方程、细致平衡原理等研究非平衡态的基本原理。三、考核方式及其要求1、考核方式：本课程考核方式为考试，闭卷考试与平时考勤、平时作业及半期测验相结合。重点考查学生对基本概念、基本理论的理解，以及重要计算方法的掌握情况，适当考查学生的综合应用能力。建议成绩评定方式为：平时成绩占 20，半期检查占 10%，期末考试占 70%。2、考核类型：识记、理解、简单应用及综合运用。考核重点在识记、理解及简单应用，考核难点在综合运用。3、试题类型：名词解释、填空、判断、选择、简单论述、证明、计算等。识记类考核基础知识，出在名词解释、填空及判断中，理解类考核知识和基本能力，出
18、在选择和简单论述中，应用（简单应用和综合运用）考核学生运用所学知识分析和解决一般问题和较复杂问题的能力，出在证明及计算题型中。4、试卷题型比例：前五种题型建议为占 50左右，后两种题型占 50左右。5、认知层次比例：建议识记、理解、简单应用、综合运用的比例为 3:3:3:1 或者2:3:3:2。四、教材及参考书1、汪志诚.热力学与统计物理 （第三版）. 北京：高等教育出版社，2003.2、郑瑞伦，陈洪.热力学与统计物理学. 北京：中国科学文化出版社，2003.3、马本堃.热力学与统计物理学. 北京：高等教育出版社，1981.4、E. M. Lifshitz and L. P. Pitaevskii, Statistical Physics（Part2）. 北京：世界图书出版公司,1999.执笔人：吴 强审核人：石东平 雷晓蔚批准人：程正富二 OO 六年七月十九日
