西安建筑科技大学材料科学与工程学院 《热力学与统计物理》 教学大纲 课程编号: 课程名称:热力学与统计物理 英文名称: Thermodynamics and statistics 学时:66学时 学分:4学分 授课对象:材料科学专业、材料物理等本科专业。 课程性质:专业基础必修课程 先修课程:普通物理、物理化学 课程教学目标 《热力学与统计物理》是材料科学类专业的重要专业基础课。在普通 物理、物理化学基础上通过本课程的学习,使学生进一步掌握材料的热力 学分析原理和统计物理的分析原理以及相应的分析方法。对揭示材料宏观 物理量之间的关系以及宏观性质的本质提供理论基础和研究方法,为量子 力学和固体物理课程教学奠定基础 、教学内容及基本要求 该课程的重点为均匀物质的热力学性质、相变理论、最概然分布、系
1 西安建筑科技大学材料科学与工程学院 《热力学与统计物理》 教 学 大 纲 课程编号： 课程名称：热力学与统计物理 英文名称：Thermodynamics and statistics 学时：66 学时 学分：4 学分 授课对象：材料科学专业、材料物理等本科专业。 课程性质：专业基础必修课程。 先修课程：普通物理、物理化学 一、课程教学目标： 《热力学与统计物理》是材料科学类专业的重要专业基础课。在普通 物理、物理化学基础上通过本课程的学习，使学生进一步掌握材料的热力 学分析原理和统计物理的分析原理以及相应的分析方法。对揭示材料宏观 物理量之间的关系以及宏观性质的本质提供理论基础和研究方法，为量子 力学和固体物理课程教学奠定基础。 二、教学内容及基本要求 该课程的重点为均匀物质的热力学性质、相变理论、最概然分布、系
综理论 具体教学内容及基本要求如下。 第一章:热力学基本规律(10学时) 1.1导言 12物态方程与实验参数的关系 13熵与热力学第二定律 14克劳修斯等式和不等式 15熵与热力学与热力学基本方程 16熵增加原理的简单应用 17自由能和吉布斯函数 基本要求 使学生掌握热力学方法的特点、偏导数运算规则、物态方程的确定、 系统熵函数的计算、系统状态变化的方向 本章重点:偏导数运算规则 本章难点:系统状态变化方向的确定 第二章:均匀物质的热力学性质(10学时) 2.1内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分 22 Maxwell关系的简单应用 2.3基本热力学函数的确定 24特性函数 2.5平衡辐射的热力学
2 综理论。 具体教学内容及基本要求如下。 第一章：热力学基本规律（10 学时） 1.1 导言 1.2 物态方程与实验参数的关系 1.3 熵与热力学第二定律 1.4 克劳修斯等式和不等式 1.5 熵与热力学与热力学基本方程 1.6 熵增加原理的简单应用 1.7 自由能和吉布斯函数 基本要求: 使学生掌握热力学方法的特点、偏导数运算规则、物态方程的确定、 系统熵函数的计算、系统状态变化的方向。 本章重点：偏导数运算规则 本章难点：系统状态变化方向的确定 第二章：均匀物质的热力学性质（10 学时） 2.1 内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分 2.2 Maxwell 关系的简单应用 2.3 基本热力学函数的确定 2.4 特性函数 2.5 平衡辐射的热力学
26磁介质系统热力学 27电介质系统热力学 基本要求 使学生掌握如何确定系统的特性函数、如何确定系统的基本热力学函 数、磁致伸缩和压磁效应的本质 本章重点: Maxwel关系的应用 本章难点:特性函数的确定 第三章:材料相变理论基础(6学时) 3.1热动平衡判据 3.2开系热力学基本方程 3.3复相系的平衡性质 34朗道连续相变理论 基本要求 使学生掌握热动平衡判据的理论和方法、单元和多元系的热力学基本方 程、复相系的平衡性质和朗道连续相变理论 本章重点:多元系的热力学基本方程、复相系的平衡性质 本章难点:朗道连续相变理论 第四章:不可逆过程热力学简介(4学时) 4.1局域熵产生率 42昂萨格关系
3 2.6 磁介质系统热力学 2.7 电介质系统热力学 基本要求: 使学生掌握如何确定系统的特性函数、如何确定系统的基本热力学函 数、磁致伸缩和压磁效应的本质 本章重点：Maxwell 关系的应用 本章难点：特性函数的确定 第三章：材料相变理论基础（6 学时） 3.1 热动平衡判据 3.2 开系热力学基本方程 3.3 复相系的平衡性质 3.4 朗道连续相变理论 基本要求: 使学生掌握热动平衡判据的理论和方法、单元和多元系的热力学基本方 程、复相系的平衡性质和朗道连续相变理论 本章重点：多元系的热力学基本方程、复相系的平衡性质 本章难点：朗道连续相变理论 第四章：不可逆过程热力学简介（4 学时） 4.1 局域熵产生率 4.2 昂萨格关系
4.3温差电现象 基本要求 使学生掌握不可逆过程热力学的基本思想和基本方法 本章重点:温差电现象的热力学分析方法 本章难点:局域熵产生率 第五章:近独立粒子的最概然分布(10学时) 51粒子运动状态的经典描述 52粒子运动状态的量子描述 53系统微观运动状态的描述 54等概率原理 5.5分布和微观状态 56玻耳兹曼分布 57玻色分布和费米分布 58三种分布的关系 基本要求 使学生掌握微观粒子运动状态的经典描述和量子描述方法、二者的关 系,掌握系统微观运动状态的描述方法与宏观条件的关系,掌握三种分布 机器应用条件。 本章重点:粒子运动状态的经典描述、粒子运动状态的量子描述、分布和 微观状态 本章难点:等概率原理、三种分布的关系
4 4.3 温差电现象 基本要求: 使学生掌握不可逆过程热力学的基本思想和基本方法。 本章重点：温差电现象的热力学分析方法 本章难点：局域熵产生率 第五章：近独立粒子的最概然分布（10 学时） 5.1 粒子运动状态的经典描述 5.2 粒子运动状态的量子描述 5.3 系统微观运动状态的描述 5.4 等概率原理 5.5 分布和微观状态 5.6 玻耳兹曼分布 5.7 玻色分布和费米分布 5.8 三种分布的关系 基本要求: 使学生掌握微观粒子运动状态的经典描述和量子描述方法、二者的关 系，掌握系统微观运动状态的描述方法与宏观条件的关系，掌握三种分布 机器应用条件。 本章重点：粒子运动状态的经典描述、粒子运动状态的量子描述、分布和 微观状态 本章难点：等概率原理、三种分布的关系
第六章:玻耳兹曼统计理论(6学时) 6.1粒子配分函数 62热力学量的玻耳兹曼统计表达式 6.3理想气体的物态方程 64理想气体的内能和热容量 65理想气体的熵 基本要求 使学生掌握玻耳兹曼统计的基本方法及对理想气体的简单应用 本章重点:热力学量的玻耳兹曼统计表达式、理想气体的物态方程 本章难点:粒子配分函数、理想气体的内能 第七章:玻色统计和费米统计(12学时) 7.1热力学量的统计表达式 72弱简并玻色气体和费米气体 73光子气体 74金属中的自由电子气体 75热电子发射接触电势差泡利顺磁性 76量子霍尔效应 基本要求 使学生掌握玻色统计和费米统计的基本方法,并能应用这些方法解决 一些材料中的实际问题
5 第六章：玻耳兹曼统计理论（6 学时） 6.1 粒子配分函数 6.2 热力学量的玻耳兹曼统计表达式 6.3 理想气体的物态方程 6.4 理想气体的内能和热容量 6.5 理想气体的熵 基本要求: 使学生掌握玻耳兹曼统计的基本方法及对理想气体的简单应用 本章重点：热力学量的玻耳兹曼统计表达式、理想气体的物态方程 本章难点：粒子配分函数、理想气体的内能 第七章：玻色统计和费米统计（12 学时） 7.1 热力学量的统计表达式 7.2 弱简并玻色气体和费米气体 7.3 光子气体 7.4 金属中的自由电子气体 7.5 热电子发射 接触电势差 泡利顺磁性 7.6 量子霍尔效应 基本要求: 使学生掌握玻色统计和费米统计的基本方法，并能应用这些方法解决 一些材料中的实际问题
本章重点:热力学量的统计表达式、光子气体、金属中的自由电子气体。 本章难点:费米能的概念、量子霍尔效应 第八章:系综理论(8学时) 81相空间刘维尔定理 82微正则分布 83微正则分布的热力学公式 84正则分布及热力学公式 85实际气体的物态方程* 86固体的热容量 87铁磁性的平均场理论* 88巨正则分布及热力学公式 89吸附现象的统计解释* 基本要求 使学生掌握系综理论的基本思想和统计方法、掌握系综理论与最概然 理论的关系 本章重点:三种正则分布及热力学公式 本章难点:相空间、刘维尔定理
6 本章重点：热力学量的统计表达式、光子气体、金属中的自由电子气体。 本章难点：费米能的概念、量子霍尔效应 第八章：系综理论（8 学时） 8.1 相空间 刘维尔定理 8.2 微正则分布 8.3 微正则分布的热力学公式 8.4 正则分布及热力学公式 8.5 实际气体的物态方程* 8.6 固体的热容量 8.7 铁磁性的平均场理论* 8.8 巨正则分布及热力学公式 8.9 吸附现象的统计解释* 基本要求: 使学生掌握系综理论的基本思想和统计方法、掌握系综理论与最概然 理论的关系 本章重点：三种正则分布及热力学公式 本章难点：相空间、刘维尔定理
教学安排及方式 授课方式:课堂讲授与讨论,采用多媒体教学手段 课程内容 讲课学时「实验学时|作业量 热力学基本规律 10 均匀物质的热力学性质 10 55 材料相变理论基础 10 不可逆过程热力学简介 4 近独立粒子的最概然分布 10 玻耳兹曼统计理论 6 玻色统计和费米统计12 系综理论 8 386947 66 70 作业批改量:全收半改。 四、考核方式 课堂提问、讨论、作业与期末笔试相结合 五、参考教材 目前各校物理学专业使用的《热力学统计物理》均可作为参考用书
7 三、教学安排及方式 授课方式：课堂讲授与讨论，采用多媒体教学手段 课程内容 讲课学时 实验学时 作业量 热力学基本规律 10 15 均匀物质的热力学性质 10 15 材料相变理论基础 6 10 不可逆过程热力学简介 4 3 近独立粒子的最概然分布 10 8 玻耳兹曼统计理论 6 6 玻色统计和费米统计 12 9 系综理论 8 4 66 70 作业批改量：全收半改。 四、考核方式 课堂提问、讨论、作业与期末笔试相结合 五、参考教材 目前各校物理学专业使用的《热力学统计物理》均可作为参考用书