热学 课程教学大纲.DOC

1、 热学 课程教学大纲一、课程说明课程名称：热学所属专业：物理学专业本科学生课程性质：大类平台课程学分：3 分主要先修课程和后续课程：（1）先修课程：高等数学，力学。（2）后续课程：热力学与统计物理，电磁学，原子物理学，固体物理。课程简介、目标与任务：“普通物理学”课程是理科物理类专业的重要基础课，由力学、热学电磁学、光学和原子物理学这五个部分组成。各个部分单独设课， “热学”是其中继“力学”后的第二门课程。“普通物理学”课程的“目的是使学生系统地了解和掌握物理学的基本概念、基本原理、基本知识、基本思想“和方法，以及它们的实验基础；了解物理学的发展方向及物理学与其它自然科学和社会科学等的关系；培

2、养学生进一步学好物理学的兴趣，提高学生的自学能力、分析和解决问题的能力；逐步帮助学生建立科学的自然观、世界观和方法论。 ”“热学”课程在物理类专业一年级第二学期开设。通过“热学”课程的学习，使学生认识物质热运动形态的特点、规律和研究方法，深刻地理解热运动的本质，较为系统地掌握热力学、气体动理论和物性学的基础知识，能独立解决今后学习中遇到的一般热学问题，为进一步学习电磁学、原子物理学、理论物理热力学和统计物理等后续课程打下良好的基础。教材：热学 （第二版） ，李椿等编，高等教育出版社，2008主要参考书：1. 热学 （第二版）习题分析与解答，宋峰 常树人编，高等教育出版社，20102. 热学 （

3、第二版） 常树人编，南开大学出版社，20092.热学教程 ，包科达编，科学出版社，20073. 热学 （第二版） ，张玉民编，科学出版社，20064. 新概念物理教程热学 （第二版） ，赵凯华等编，高等教育出版社，20055. 普通物理学教程热学 （第二版） ，秦允豪编，高等教育出版社，20046. 热学 （第二版） ，李洪芳编，高等教育出版社，2001二、课程内容与安排绪论(1 学时)第一节 热学研究的对象和方法第二节 热学发展简述主要内容:热学研究的对象 热现象 热运动 热力学 统计物理学 气体动理学理论 物性学 热学研究的方法 宏观量 微观量 宏观量与微观量的关系 热学发展简史 热学常用

4、物理量的符号 热学常用物理量的单位 基本物理常量 基本物理常量的国际推荐值 物理量的数量级 物质世界的层次 分子的典型数据 热学课程的特点【掌握】：热学研究的对象 热运动 热学研究的方法 宏观量 微观量 宏观量与微观量的关系 热学课程的特点【了解】：热学发展简史 热学常用物理量的符号 热学常用物理量的单位 物理量的数量级 分子的典型数据 物质世界的层次 【难点】：深入理解热学是适用于宏观和微观的普适理论 宏观理论和微观理论的本质关系第一章 温度（5 学时）第一节 平衡态 状态参量第二节 温度第三节 气体的物态方程主要内容：平衡态 热动平衡 对平衡态的描述 力学平衡 热学平衡 化学平衡 相变平衡

5、 状态参量 几何参量 力学参量 化学参量 电磁参量 热接触 热平衡 热动平衡的条件 热力学第零定律 温度及温标 建立温标的要素 水的冰点 水的汽点 水的三相点 经验温标 华氏温标 摄氏温标 理想气体温标 热力学温标 国际实用温标 ITS-90 温度计 液体温度计 定体气体温度计 定压气体温度计 物态方程 气体物态方程 玻意耳定律 阿伏伽德罗定律 理想气体物态方程 普适气体常量 阿伏伽德罗常量 玻尔兹曼常量 洛施密特常量 道尔顿分压定律 混合理想气体的物态方程 分体积定律 平均摩尔质量 体积分数 压强分数 摩尔质量分数 质量分数 物质的量分数 混合理想气体的密度 非理想气体物态方程 范德瓦耳斯方

6、程 范德瓦耳斯气体 昂内斯方程 【重点掌握】：平衡态 热动平衡 热动平衡的条件 热力学第零定律 温度及温标的概念 理想气体物态方程 范德瓦耳斯方程 【掌握】：对平衡态的描述 力学平衡 热学平衡 化学平衡 相变平衡 状态参量 几何参量 力学参量 化学参量 热接触 热平衡 建立温标的要素 水的冰点 水的汽点 水的三相点 经验温标 理想气体温标 热力学温标 玻意耳定律 阿伏伽德罗定律 普适气体常量 阿伏伽德罗常量 玻尔兹曼常量 洛施密特常量 道尔顿分压定律 混合理想气体的物态方程 【了解】：国际实用温标 ITS-90 华氏温标 摄氏温标 温度计 液体温度计 定体气体温度计 定压气体温度计 各种物态方

7、程 平均摩尔质量 体积分数 压强分数 摩尔质量分数 质量分数 物质的量分数 混合理想气体的密度 非理想气体物态方程 昂内斯方程 【难点】：平衡态 热动平衡 温度及温标概念的建立 物态方程的建立第二章 气体分子动理论的基本概念（6 学时） 第一节 物质的微观模型第二节 理想气体的压强第三节 温度的微观解释第四节 分子力第五节 范德瓦耳斯气体的压强主要内容：气体动理学理论的基本论点 分子论点 热运动论点 分子力论点 统计论点 布朗运动的微观解释统计规律性与涨落现象 偶然性与必然性的关系 统计性假设 平均值 加权平均 统计平均 理想气体的微观模型 理想气体压强公式的推导 气体压强的微观解释 用不同的

8、简化模型推导理想气体压强公式 理想气体分子平均平动动能与热力学温度的关系 温度的微观解释 对理想气体定律的推证 阿伏伽德罗定律 道尔顿分压定律 分子间力 伦纳德琼斯模型 短程力 分子间力势能 常用分子间力势能模型 微观粒子的弹性碰撞模型 分子有效直径 分子直径与热力学温度的关系 分子间力的平衡距离 分子间斥力的有效作用距离 分子间引力的有效作用距离 分子间力的典型数据 分子体积引起的修正 分子间引力所引起的修正 范德瓦耳斯常量 b 范德瓦耳斯常量 a 范德瓦耳斯气体的压强 范德瓦耳斯气体的压强与理想气体的压强 范德瓦耳斯方程的适用范围 范德瓦耳斯气体的摩尔体积 【重点掌握】：气体动理学理论的基

9、本论点 理想气体的微观模型 气体压强的微观解释 温度的微观解释 【掌握】：理想气体压强公式的推导 用不同的简化模型推导理想气体压强公式 理想气体分子平均平动动能与热力学温度的关系 对理想气体定律的推证 常用分子间力势能模型 微观粒子的弹性碰撞模型 分子有效直径的概念 分子体积引起的修正 分子间引力所引起的修正 范德瓦耳斯气体的压强【了解】：布朗运动的微观解释 分子间力来源 分子直径与热力学温度的关系 分子间力的平衡距离 分子间斥力的有效作用距离 分子间引力的有效作用距离 分子间力的典型数据 范德瓦耳斯常量 b 范德瓦耳斯常量 a 范德瓦耳斯方程的适用范围 【一般了解】： 偶然性与必然性的关系

10、统计性假设 算术平均 几何平均 加权平均 统计平均 范德瓦耳斯气体的压强与理想气体的压强 用迭代法计算范德瓦耳斯气体的摩尔体积 【难点】：各种简化模型的建立方式 物体内分子之间的相互作用和分子的热运动决定其宏观性质 理想气体压强公式的推导 宏观量的微观本质 第三章 气体分子热运动速率和能量的统计分布（11 学时）第一节 气体分子的速率分布率第二节 用分子射线实验验证麦克斯韦速度分布律第三节 玻尔兹曼分布律 重力场中微粒按高度的分布第四节 能量按自由度均分定理主要内容：分布函数 速率分布函数 速率分布函数的归一化条件 麦克斯韦速率分布律 麦克斯韦速率分布曲线的特征 麦克斯韦速率分布律的适用范围

11、随机事件 概率 概率加法定理 概率乘法定理 概率分布函数 气体分子的最概然速率 麦克斯韦速率分布函数的约化形式 用麦克斯韦速率分布函数求平均值 气体分子的平均速率和方均速率 用麦克斯韦速率分布函数求分子数 误差函数的计算 气体分子速率其他特征速率 麦克斯韦速度分布律 麦克斯韦速度分布曲线的特征 麦克斯韦速度分布函数的约化形式 速度空间 麦克斯韦速度分布函数与麦克斯韦速率分布函数的关系 麦克斯韦速度分布函数的定义域 气体分子速度分量的最概然值、平均值和方均根值 分子通量公式 泻流 分子束 泻流存在的条件 麦克斯韦发射分布 麦克斯韦发射分布的约化形式 麦克斯韦速率分布律的实验验证 密勒和库士实验

12、葛正权实验 等温大气 等温气压公式 气压计和高度计 玻尔兹曼分布律 重力场中微拉按高度的分布 阿伏伽德罗常量的测定 大气标高 大气粒子总数 大气的温度结构 标准大气 负绝对温度 自由度 分子运动的自由度 分子的平动自由度 分子的转动自由度 分子的振动自由度 刚性分子和非刚性分子的自由度 线形分子和非线形分子的自由度 能量均分定理 理想气体的内能 理想气体热容的经典理论 能量均分定理的应用限度 量子理论对气体热容量的解释【重点掌握】：麦克斯韦速率分布律 麦克斯韦速度分布律 玻尔兹曼分布律 能量均分定理 【掌握】：麦克斯韦速率分布曲线的特征 麦克斯韦速率分布律的适用范围 气体分子的最概然速率 用麦

13、克斯韦速率分布函数求平均值、气体分子的平均速率和方均速率 用麦克斯韦速率分布函数求分子数 麦克斯韦速度分布曲线的特征 分子通量公式 等温大气 等温气压公式 重力场中微拉按高度的分布 分子运动的自由度 理想气体的内能 理想气体热容的经典理论【了解】：分布函数 随机事件 概率 概率加法定理 概率乘法定理 气体分子特征速率的量纲分析 麦克斯韦速率分布函数的约化形式 麦克斯韦发射分布 麦克斯韦速率分布律的实验验证 密勒和库士实验 葛正权实验 大气标高 能量均分定理的应用限度 量子理论对气体热容量的解释【一般了解】：误差函数的计算 麦克斯韦发射分布的约化形式 阿伏伽德罗常量的测定 大气粒子总数 大气总质

14、量 大气的温度结构 大气的均质层 标准大气 负绝对温度 【难点】：速率分布函数及分布函数的统计意义麦克斯韦速率及速度分布律函数的统计意义及应用 玻尔兹曼分布律的统计意义及应用 第四章 气体内的输运过程（5 学时）第一节 气体分子的平均自由程第二节 输运过程的宏观规律第三节 输运过程的微观规律主要内容：气体分子的碰撞频率 气体分子的碰撞截面 气体分子的平均自由程 气体分子的平均相对速率与平均速率的关系 分子的自由程分布函数 穿过指定截面的分子的平均自由程 分子穿过指定截面前最后一次受碰处至截面的平均距离 黏性现象 牛顿黏性定律 黏度系数 黏性现象的微观解释 热传导现象 傅里叶定律 热导率 热传导

15、现象的微观解释 热传导与电传导 扩散现象 菲克定律 扩散系数 扩散现象的微观解释 黏度系数、热导率、扩散系数与压强的关系 黏度系数、 热导率、扩散系数与温度的关系 黏度系数 、热导率、扩散系数彼此之间的关系 黏度系数、 热导率、扩散系数的数量级 低压下气体的黏性现象 低压下气体的热传导现象 容器对其内的低压气体分子的碰撞频率和平均自由程的限定 估算分子有效直径的方法的比较 分子热运动的典型数据【重点掌握】：气体分子的碰撞频率 气体分子的碰撞截面 气体分子的平均自由程 黏性现象 热传导现象 扩散现象【掌握】：牛顿黏性定律及其微观解释 傅里叶定律及其微观解释 菲克定律及其微观解释 低压下气体的黏性

16、现象 低压下气体的热传导现象 容器对其内的低压气体分子的碰撞频率和平均自由程的限定 【了解】：黏度系数、热导率、扩散系数与压强、温度的理论和实验比较 黏度系数、 热导率、扩散系数彼此之间的关系 黏度系数、热导率、 扩散系数的数量级 估算分子有效直径的方法的比较 分子热运动的典型数据【一般了解】：穿过指定截面的分子的平均自由程 分子穿过指定截面前最后一次受碰处至截面的平均距离的概念 【难点】：气体分子的碰撞频率、气体分子的碰撞截面、气体分子的平均自由程的概念的建立 分子穿过指定截面前最后一次受碰处至截面的平均距离第五章 热力学第一定律（10 学时）第一节 热力学过程第二节 功第三节 热量第四节

17、热力学第一定律第五节 热容 焓第六节 气体的内能 焦耳-汤姆孙实验第七节 热力学第一定律对理想气体的应用第八节 循环过程和卡诺循环主要内容：热力学过程 准静态过程 非静态过程作功 体积功 作功的计算 过程曲线 示功图 广义坐标 广义位移 广义力 广义功绝热过程 绝热功 内能 热量 传热 传热的计算 热容量 比热容 摩尔热容 焓作功与传热都是过程量 作功与传热的等当性 热力学第一定律 能量守恒定律 第一类永动机 符号规定 焦耳实验 绝热自由膨胀过程 等内能过程 理想气体的内能 焦耳汤姆孙实验 绝热节流膨胀过程 等焓过程 焦耳汤姆孙效应 焦耳汤姆孙系数理想气体的焓 反转温度 理想气体的宏观定义 迈

18、耶关系 热功当量的测定 热力学第一定律对理想气体的应用等体过程 等压过程 等温过程 绝热过程 多方过程 等热容过程 直线过程理想气体绝热过程方程 泊松公式 循环 热机的工作原理 正循环的效率 制冷机与热泵的工作原理 逆循环的制冷系数 符号规定卡诺热机 卡诺循环 理想气体卡诺循环的效率 理想气体逆向卡诺循环的制冷系数奥托循环 狄塞尔循环 斯特林循环 回热式循环 热机与热泵的组合应用 【重点掌握】：热力学过程 准静态过程 作功 体积功 作功的计算 绝热功 内能 热量 热容量 比热容 摩尔热容 焓 理想气体的宏观定义 迈耶关系 热力学第一定律对理想气体的应用 循环 热机的工作原理 正循环的效率 逆循

19、环的制冷系数 【掌握】：理想气体的内能 理想气体绝热过程方程 泊松公式 【难点】：绝热过程 多方过程第六章 热力学第二定律 （6 学时）第一节 热力学第二定律第二节 热现象过程的不可逆性第三节 热力学第二定律的统计意义第四节 卡诺定理第五节 热力学温标第六节 应用卡诺定理的例子主要内容：热力学第二定律 开尔文表述 克劳修斯表述 第二类永动机 热力学第二定律的适用范围热力学第二定律两种表述的等效性 可逆过程 不可逆过程 各种不可逆过程互相关联热力学第二定律的实质 论证过程的不可逆性的方法 不可逆过程的特点孤立系统 宏观状态和微观状态 气体自由膨胀的不可逆性 热力学第二定律的统计意义卡诺定理 可逆

20、卡诺循环的效率 不可逆卡诺循环的效率 对于制冷机类似卡诺定理的结论卡诺定理的推广 任意正循环的效率 卡诺定理的应用 热力学温标的引入 热力学温标与理想气体温标和摄氏温标的关系内能随体积的改变与物态方程的关系 定压摩尔热容与定体摩尔热容的关系 【重点掌握】：热力学第二定律 开尔文表述 克劳修斯表述 热力学第二定律两种表述的等效性 可逆过程 不可逆过程 热力学第二定律的实质 卡诺定理【掌握】：孤立系统 宏观状态和微观状态 气体自由膨胀的不可逆性 热力学第二定律的统计意义【难点】：论证过程的不可逆性的方法 不可逆过程的特点第七章 固体（1 学时）第一节 晶体第二节 晶体中粒子的结合力和结合能第三节

21、晶体中粒子的热运动主要内容：物质的聚集态 凝聚体 固体 液体 气体 晶体与非晶体 单晶体和多晶体长程有序 晶体中粒子的结合力 晶体弹性的微观解释晶体中粒子的热运动 热振动 杜隆珀蒂定律 晶体热膨胀的微观解释 晶体线膨胀率的计算 非晶态固体 过冷液体 短程有序 【重点掌握】：晶体中粒子的热运动 热振动 杜隆珀蒂定律【掌握】：晶体与非晶体 单晶体和多晶体 晶体中粒子的结合力 晶体弹性的微观解释 晶体热膨胀的微观解释第八章 液体（4 学时）第一节 液体的微观结构 液晶第二节 液体的彻体性质第三节 液体的表面性质主要内容：液体与晶体和气体的比较 液体的宏观特征 液体的微观结构 定居时间 液体各向同性

22、液晶 外界因素对液晶的影响 显示技术 液体的表面性质 表面张力 表面层 表面张力的微观解释表面张力系数 影响表面张力系数的因素 表面活性物质 球形液面下的附加压强 拉普拉斯公式 柱形液面下的附加压强 马鞍形液面下的附加压强接触角 润湿和不润湿 附着层 附着力和内聚力 润湿和不润湿的微观解释 毛细现象 毛细管 【重点掌握】：液体的表面性质 表面张力 表面层 表面张力的微观解释表面张力系数 球形液面下的附加压强 接触角 毛细现象【掌握】：润湿和不润湿 附着层 附着力和内聚力 润湿和不润湿的微观解释第九章 相变（5 学时）第一节 单元系一级相变的普遍特征第二节 气液相变第三节 克拉珀龙方程第五节 范

23、德瓦耳斯等温线 对比物态方程第六节 固液相变第七节 固气相变 三相图主要内容：元 单元系 二元系 多元系 相 相变 一级相变 单元系一级相变 相变中体积的改变 相变潜热 内潜热和外潜热 汽化 蒸发气液等温相变 饱和蒸气与液体平衡 汽化曲线 相平衡曲线饱和蒸气压 影响饱和蒸气压的因素 饱和蒸气压与液面曲率的关系凝结 过冷蒸气亚稳态 凝结核 云雾的形成 云室 沸腾 沸腾的条件 过热液体亚稳态 汽化核 泡室 暴沸临界等温线 临界点 临界态 临界参量 临界温度 临界压强 临界摩尔体积 克劳修斯克拉珀龙方程 沸点与压强的关系 正常沸点 高压锅 蒸气压方程 由蒸气压方程求潜热 沸点与海拔高度的关系 兰州市区水的沸点 熔点与压强的关系 正常熔点 范德瓦耳斯等温线 亚稳平衡 范德瓦耳斯气体的临界参量 临界系数 由临界参量确定范德瓦耳斯常量对应态 对应态定律 熔化 凝固 熔化曲线 凝固时体积的改变 升华 凝华 升华曲线 升华与蒸发 升华热与汽化热和熔化热的关系 三相点 相图 三相图【重点掌握】：单元系一级相变 相变中体积的改变 相变潜热 克劳修斯克拉珀龙方程【掌握】：气液等温相变 饱和蒸气与液体平衡 汽化曲线 相平衡曲线