1、 热力学统计物理学 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物理学专业专业基础课，4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。与理论力学、量子力学、电动力学共
2、同构成物理类专业基础课。（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）Landau L.D. and Lifshitz E.M., Statistical Physics, Pergamon Press, 19586）Reif F., Fundamental of Statistical and Thermal Physics,
3、McGraw Hill Book Company, 19657）L.E.雷克著，黄昀等校译，统计物理现代教程，上册，北京大学出版社二、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
4、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；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
5、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
6、表达式；第二节 理想气体的物态方程；第三节 麦克斯韦速度分布率；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
7、际气体的物态方程；第七节 固体热容量；第八节 液He的性质和朗道超流理论；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；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72学
8、时，课时安排如下 绪论(共 2学时)第一章热力学的基本规律（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6学时）
9、 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 2.3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-以上2学时 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8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-以上2学时 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6学时） 4.1多元系的热
10、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化学平衡条件 4.6混合理想气体的性质-以上2学时 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2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2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 6.3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
11、七章玻耳兹曼统计（共8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 7.5理想气体的内能和热容量-以上2学时 7.6理想气体的熵 7.7固体热容量的爱因斯坦理论-以上2学时 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10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-以上2学时 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-2学时 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10学时）
12、 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-2学时 9.8液He的性质和朗道超流理论 9.9铁磁性的平均场理论-以上2学时 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4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-以上2学时 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2学时） 11.1玻耳兹曼方程的弛豫时间
13、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2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
14、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】： 热力学第零、第一，第二，第三定律；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、玻尔兹曼统计、费米及玻色统计、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【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、量子霍尔效应【一般了解】： 超导、超流【难点】： 等几率假设、系综（微正则、正则、巨正则系综）、Bose-Einstein 凝聚 制定人： 审定人： 批准人： 日 期：9 / 9
