1、1热力学统计物理 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材料物理学专业专业基础课，54 学时，3 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。与量子力学、材料学等
2、课程共同构成材料物理类专业基础课。（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）L.D.Landau and E.M.Lifshitz, Statistical Physics, Pergamon Press, 19586) C. Kittel,H. Kroemer,Thermal physics, W.H.
3、Freeman and Company New York, 1998.2二、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
4、用。第二章 均匀系统的热力学性质第一节 内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分；第二节 麦氏关系及其应用；第三节 气体的节流过程和绝热过程；第四节 基本热力学函数的确定；第五节 特性函数；第六节 平衡辐射热力学；第七节 磁介质热力学；第八节 低温的获得。第三章 单元系的相变第一节 热动平衡判据；第二节 开系的热力学基本方程；3第三节 单元系的复相平衡条件；第四节 单元复相系的平衡性质；第五节 临界点和气液两相的转变；第六节 液滴的形成；第七节 相变的分类；第八节 临界现象和临界指数；第九节 朗道连续相变理论。第四章 多元系的复相平衡和化学平衡第一节 多元系的热力学函数和热力学方程；第二节 多元系
5、的复相平衡条件；第三节 吉布斯相律；第四节 二元系相图举例；第五节 化学平衡条件；第六节 混合理想气体的性质；第七节 理想气体的化学平衡；第八节 热力学第三定律。第五章 不可逆过程热力学简介第一节 局域熵产生率；第二节 昂萨格关系；第三节 温差电现象。第六章 近独立粒子的最概然分布第一节 粒子运动状态的经典描述；第二节 粒子运动状态的量子描述；第三节 系统微观运动状态的描述；第四节 等概率原理；第五节 分布和微观状态；第六节 玻耳兹曼分布；第七节 玻色分布和费米分布；第八节 三种分布的关系。第七章 玻耳兹曼统计第一节 热力学量的统计表达式；第二节 理想气体的物态方程；4第三节 麦克斯韦速度分布
6、率；第四节 能量均分定理；第五节 理想气体的内能和热容量；第六节 理想气体的熵；第七节 固体热容量的爱因斯坦理论；第八节 顺磁性固体；第九节 负温度状态。第八章 玻色统计和费米统计第一节 热力学量的统计表达式；第二节 弱简并玻色气体和费米气体；第三节 光子气体；第四节 玻色爱因斯坦凝聚；第五节 金属中的自由电子气体；第六节 简并理想费米气体；第七节 准二维电子气体与量子霍尔效应。第九章 系综理论第一节 相空间 刘维尔定理；第二节 微正则分布；第三节 微正则分布的热力学关系式；第四节 正则分布；第五节 正则分布的热力学关系式；第六节 实际气体的物态方程；第七节 固体热容量；第八节 液 He的性质
7、和朗道超流理论；第九节 铁磁性的平均场理论； 第十节 巨正则分布；第十一节 巨正则分布的热力学关系式；第十二节 巨正则分布的简单应用。第十章 涨落理论第一节 涨落的准热力学理论；第二节 临界点附近的涨落和关系；第三节 布朗运动理论；5第四节 布朗运动的时间关联函数。第十一章 非平衡态的统计理论第一节 玻耳兹曼方程的弛豫时间近似；第二节 气体粘滞现象；第三节 金属电导率；第四节 玻耳兹曼积分微分方程；第五节 H 定理；第六节 细致平衡原理与平衡态的分布函数。（二）教学方法与学时分配课程采用传统教学和多媒体教学相结合的课堂讲授方法，共计 54学时，课时安排如下绪论(共 2 学时)第一章 热力学的基
8、本规律（共 8学时）1.1热力学系统的平衡状态及其描述1.2热平衡定律和温度1.3物态方程1.4准静态过程及其功的表达式1.5内能、热量及热力学第一定律-以上 2学时1.6热容量和焓1.7理想气体的内能1.8理想气体的绝热过程1.9理想气体的卡诺循环-以上 2学时1.10热力学第二定律1.11卡诺定律1.12热力学温标1.13克劳修斯等式和不等式- -以上 2学时1.14熵和热力学基本方程1.15理想气体的熵1.16热力学第二定律的普遍表述1.17熵增加原理及其应用-以上 2学时 第二章 均匀系统的热力学性质（共 4学时）2.1内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分2.2麦氏关系及其应用62.3
9、气体的节流过程和绝热过程-以上 2学时2.4基本热力学函数的确定2.5特性函数2.6平衡辐射热力学2.7磁介质热力学2.8低温的获得-以上 2学时第三章 单元系的相变（共 6学时）3.1热动平衡判据3.2开系的热力学基本方程3.3单元系的复相平衡条件-以上 2学时3.4单元复相系的平衡性质3.5临界点和气液两相的转变-以上 2学时3.6液滴的形成3.7相变的分类3.8临界现象和临界指数3.9朗道连续相变理论-以上 2学时第四章 多元系的复相平衡和化学平衡（共 4学时）4.1多元系的热力学函数和热力学方程4.2多元系的复相平衡条件4.3吉布斯相律-以上 2学时4.4二元系相图举例4.5化学平衡条
10、件4.6混合理想气体的性质4.7理想气体的化学平衡4.8热力学第三定律-以上 2学时第五章 不可逆过程热力学简介（共 1学时）5.1局域熵产生率5.2昂萨格关系5.3温差电现象-以上 1学时第六章 近独立粒子的最概然分布（共 6学时）6.1粒子运动状态的经典描述6.2粒子运动状态的量子描述76.3系统微观运动状态的描述6.4等概率原理-以上 2学时6.5分布和微观状态6.6玻耳兹曼分布-以上 2学时6.7玻色分布和费米分布6.8三种分布的关系-以上 2学时第七章 玻耳兹曼统计（共 6学时）7.1热力学量的统计表达式7.2理想气体的物态方程7.3麦克斯韦速度分布率-以上 2学时7.4能量均分定理
11、7.5理想气体的内能和热容量7.6理想气体的熵-以上 2学时7.7固体热容量的爱因斯坦理论7.8顺磁性固体7.9负温度状态-以上 2学时第八章 玻色统计和费米统计（共 6学时）8.1热力学量的统计表达式8.2弱简并玻色气体和费米气体8.3光子气体-2 学时8.4玻色爱因斯坦凝聚-2 学时8.5金属中的自由电子气体8.6简并理想费米气体简例8.7准二维电子气体与量子霍尔效应-以上 2学时第九章 系综理论（共 8学时）9.1相空间 刘维尔定理9.2微正则分布9.3微正则分布的热力学关系式-以上 2学时9.4正则分布9.5正则分布的热力学关系式9.6实际气体的物态方程-以上 2学时9.7固体热容量-
12、2 学时89.8液 He的性质和朗道超流理论9.9铁磁性的平均场理论9.10巨正则分布9.11巨正则分布的热力学关系式9.12巨正则分布的简单应用-以上 2学时第十章 涨落理论（共 2学时）10.1涨落的准热力学理论10.2临界点附近的涨落和关系10.3布朗运动理论10.4布朗运动的时间关联函数-以上 2学时第十一章 非平衡态的统计理论（共 1学时）11.1玻耳兹曼方程的弛豫时间近似11.2气体粘滞现象11.3金属电导率11.4玻耳兹曼积分微分方程11.5 H定理11.6细致平衡原理与平衡态的分布函数-以上 1学时（三）内容及基本要求主要内容：本课程分为热力学和统计物理两个部分。热力学部分要求
13、学生掌握热力学研究对象及其基本热力学定律；了解与掌握热力学系统描述的状态参数和状态函数概念，熟练掌握基本热力学函数内能、焓、熵、自由能、吉布斯函数的概念及其关系，以及如何利用这些函数解决简单物理问题，判断系统的平衡条件、平衡稳定性条件；掌握单元系和多元系的相变特性、平衡条件、吉布斯相律和化学平衡条件；了解不可逆热力学过程的基本理论及简单应用。统计物理部分要求学生掌握等几率原理和统计思想的物理本质、基本概念，灵活运用玻尔兹曼统计、费米及玻色统计处理实际问题，熟悉系综理论的应用方法，了解涨落理论及非平衡态的统计理论。【重点掌握】：热力学 4个定律；8 个热力学函数及其关系式、单元复相系统平衡条件和稳定性条件、相变定义及其分类；等几率假设、三种最概然分布、正则系综理论。【掌握】：涨落的热力学理论、临界现象的描述、多元复相系相平衡条件、混合理想气体的性9质、巨正则系综理论【了解】： 不可逆过程热力学、非平衡态的统计理论、体系的低温性质、实际气体的物态方程、量子霍尔效应【一般了解】： 弯曲界面体系热力学平衡条件、超导、超流、多体系统的平均场理论【难点】：特性函数、等几率假设、系综理论、固体热容理论制定人：谭磊审定人：批准人：日 期：2016.10
