課程簡介
Course Introduction
《熱學(xué)》課程是本科物理專業(yè)的基礎(chǔ)課，是經(jīng)典物理中唯一采用統(tǒng)計觀念和統(tǒng)計規(guī)律的課程，其內(nèi)容主要包括氣體分子運動論、熱力學(xué)基礎(chǔ)、物性學(xué)三大部分，課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握物質(zhì)熱運動的基本知識和基本原理，培養(yǎng)學(xué)生采用統(tǒng)計分析和熱力學(xué)方法解決與熱學(xué)有關(guān)問題的能力，使學(xué)生深刻理解宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)、對立統(tǒng)一等重要的辯證唯物主義觀點，并為后續(xù)熱力學(xué)與統(tǒng)計物理、量子力學(xué)、固體物理等重要專業(yè)課程和技術(shù)應(yīng)用奠定必要的熱學(xué)基礎(chǔ)。
教學(xué)大綱
Teaching Syllabus
《熱學(xué)》教學(xué)大綱
英文名稱: Calorifics
授課專業(yè):物理學(xué) 學(xué)時:64 學(xué)分:4
開課學(xué)期:一年級下學(xué)期
適用對象:物理學(xué)專業(yè)
一、課程性質(zhì)與任務(wù)
熱學(xué)是四年制本科物理學(xué)專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。本課程是普通物理學(xué)的一個重要組成部分，是研究熱現(xiàn)象、熱本質(zhì)及熱力學(xué)基本定律的基礎(chǔ)學(xué)科。通過本課程的教學(xué)，應(yīng)使學(xué)生掌握熱學(xué)的基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識和基本技能；認識物質(zhì)熱運動形態(tài)的特點、規(guī)律和研究方法；了解溫度和熱的測量原理和方法；明確熱力學(xué)和分子運動論的基本原理。為學(xué)生進一步學(xué)習(xí)《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)》、《固體物理》等后繼課程打下良好的基礎(chǔ)。并通過對熱學(xué)發(fā)展史上某些重大的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的介紹，使學(xué)生了解物理學(xué)思想和實驗方法，培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀， 使學(xué)生獲得科學(xué)方法論上的教益 。
二、課程教學(xué)的基本要求
在教學(xué)中，通過課堂講授、習(xí)題課和課程討論等教學(xué)方式，闡明熱學(xué)的基本概念、規(guī)律和研究方法，并結(jié)合科學(xué)研究和生產(chǎn)實際穿插介紹熱學(xué)的最新研究成果及應(yīng)用實例，以達到預(yù)期的教學(xué)目的。在教學(xué)過程中重視理論聯(lián)系實際，從而處理好:定性與定量、理論體系與實驗方法、基礎(chǔ)理論與近代科學(xué)成就等之間的關(guān)系。在教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生運用數(shù)學(xué)工具解決物理問題的能力。進一步提高科學(xué)知識、科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神等科學(xué)素質(zhì)。
三、課程教學(xué)內(nèi)容
緒論2學(xué)時
第一章 溫度?。?/span>6學(xué)時）
第二章 氣體分子動理論的基本概念?。?/span>7學(xué)時）
第三章 氣體分子熱運動速率和能量的統(tǒng)計分布律?。?/span>10學(xué)時）
第四章 氣體內(nèi)的輸運過程（3學(xué)時）
第五章 熱力學(xué)第一定律 (12學(xué)時)
第六章 熱力學(xué)第二定律 (10學(xué)時)
第七章 固體（3學(xué)時）
第八章 液體 (3學(xué)時)
第九章 相變 (6學(xué)時)
期末總結(jié)、答疑 (2學(xué)時)
四、教學(xué)重點、難點:
教學(xué)重點:平衡態(tài)、物態(tài)方程、熱力學(xué)第零定律、理想氣體壓強公式及分子平均平動動能、麥克斯韋分布函數(shù)、平均速率、方均根速率、最概然速率、自由度、能量均分定理、碰撞截面、平均碰撞頻率、平均自由程、準(zhǔn)靜態(tài)過程、功和熱量、內(nèi)能、熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用、卡諾循環(huán)和卡諾熱機的效率、熱力學(xué)第二定律、卡諾定理、液體表面張力、彎曲液面的附加壓強、相變、汽化和凝結(jié)。
教學(xué)難點:分子間相互作用勢能、范德瓦爾斯方程、概率分布函數(shù)、速度空間、麥克斯韋速度分布、氣體粘性系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)和擴散系數(shù)的導(dǎo)出及它們與溫度、壓強的關(guān)系、定體熱容、定壓熱容、焓的物理意義、真實氣體等溫線。
五、教學(xué)時數(shù)分配:
教學(xué)時數(shù)64學(xué)時，其中理論講授64學(xué)時。（具體安排見附表）
六、教學(xué)方式:
1、熱學(xué)是應(yīng)用物理專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在教學(xué)過程中要強調(diào)物質(zhì)運動形式的多樣性與各種規(guī)律及其研究方法的特殊性。在學(xué)習(xí)分子動理論時要特別強調(diào)由大量分子構(gòu)成的系統(tǒng)所遵從的統(tǒng)計規(guī)律的特點，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維。
2、在本課程的教學(xué)過程中，應(yīng)針對大學(xué)新生普遍對大學(xué)的教法不適應(yīng)，且自學(xué)能力教差等情況，對學(xué)生進行學(xué)習(xí)方法的指導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。
3、為了培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，本課程應(yīng)講解適當(dāng)?shù)睦}和安排一定的習(xí)題課，使學(xué)生學(xué)會正確地運用所學(xué)知識解決實際問題，同時要布置適量的習(xí)題和思考題，引導(dǎo)學(xué)生深入鉆研物理概念，牢固掌握基礎(chǔ)知識。
4、熱學(xué)是建立在實驗基礎(chǔ)上的一門科學(xué)，要充分重視理論的實驗基礎(chǔ)，防止忽視實驗的純推理傾向，同時要始終貫徹理論來自實踐又高于實踐，通過實驗反復(fù)檢驗理論并發(fā)展理論的思想。
5. 充分利用多媒體教學(xué)手段，注意在教學(xué)過程中使用電子教案與黑板的結(jié)合，并在課堂教學(xué)中注重啟發(fā)式教學(xué)，組織課堂討論、課堂提問等。
七、本課程與其它課程的關(guān)系:
1.本課程必要的先修課程:力學(xué)、高等數(shù)學(xué)。
2.本課程的后續(xù)課程:熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)、固體物理。
八、考核方式:
本課程考核方式為考試，成績評定采用百分制。本課程成績采用期末考試與平時成績相結(jié)合的方式進行綜合評定，最終成績由以下二個部分組成:第一部分:期末考試成績占總成績的70％；第二部分:作業(yè)成績及平時檢測占總成績的30％。
九、教材及教學(xué)參考書:
主教材:李椿等編.熱學(xué)（第二版）.北京:高等教育出版社，2008.
參考書:
1、秦允豪編.普通物理學(xué)教程·熱學(xué)（第二版）.北京:高等教育出版社，2004.
2、趙凱華等編.新概念物理教程·熱學(xué).北京:高等教育出版社，1998.
緒論（2學(xué)時）
介紹熱學(xué)研究對象和方法；熱學(xué)發(fā)展簡述
第一章 溫度?。?/span>6學(xué)時）:
一、教學(xué)要求:
了解熱物理學(xué)的兩種描述方法。 理解熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)，掌握判別是否處于平衡態(tài)的方法。 熟練掌握理想氣體的物態(tài)方程。掌握熱力學(xué)第零定律及溫度的概念，知道溫標(biāo)是溫度的數(shù)值表示法。了解攝氏溫標(biāo)、理想氣體溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)。 物態(tài)方程的應(yīng)用。
二、教學(xué)要點:
1. 宏觀描述方法與微觀描述方法
1-1 熱學(xué)的研究對象及其特點
1-2宏觀描述方法與微觀描述方法
2.熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)
2-1 熱力學(xué)系統(tǒng)
2-2 平衡態(tài)和非平衡態(tài)
2-3 熱力學(xué)平衡
3. 溫度
3-1 溫度
3-2 熱力學(xué)第零定律
3-3 溫標(biāo)
4.物態(tài)方程
4-1 物態(tài)方程
4-2 體膨脹系數(shù)、壓縮系數(shù)、壓強系數(shù) 熱膨脹現(xiàn)象
4-3 理想氣體物態(tài)方程
4-4 混合理想氣體物態(tài)方程
三、重點、難點
重點:平衡態(tài)、物態(tài)方程、熱力學(xué)第零定律
難點:分子間相互作用勢能、范德瓦爾斯方程。
第二章 氣體分子動理論的基本概念 （7學(xué)時）
一、教學(xué)要求
理解物質(zhì)的微觀模型。了解布朗運動和漲落現(xiàn)象。理解理想氣體的微觀模型、溫度的微觀意義。熟練掌握理想氣體壓強公式和理想氣體分子熱運動平均平動動能公式。了解分子間作用力曲線和分子間互作用勢能曲線。理解范德瓦爾斯方程。
二、教學(xué)要點:
1.物質(zhì)的微觀模型
1-1 物質(zhì)有大數(shù)分子組成
1-2 分子熱運動的例證
1-3 分子間的吸引力和排斥力
2. 理想氣體微觀模型的初級理論
2-1 理想氣體微觀模型
2-2 碰壁數(shù)
2-3 理想氣體壓強公式
2-4 溫度的微觀意義
3.分子間作用力勢能與真實氣體狀態(tài)方程
3-1 分子間互作用勢能曲線
3-2 分子碰撞有效直徑、固體分子熱振動、固體熱膨脹
3-3 范德瓦耳斯方程
三、重點、難點
重點:溫度的微觀解釋、理想氣體壓強公式及分子平均平動動能。
難點:分子間相互作用勢能、范德瓦爾斯方程。
第三章 氣體分子熱運動速率和能量的統(tǒng)計分布律?。?/span>10學(xué)時）
一、教學(xué)要求:
了解分子動理論的特點。 掌握概率的基本性質(zhì)和求平均值的基本方法，理解概率分布函數(shù)。掌握麥克斯韋速率分布函數(shù)，熟練掌握平均速率、方均根速率和最概然速率。理解速度空間概念，掌握麥克斯韋速度分布。理解等溫大氣壓強公式。理解自由度與自由度數(shù)，掌握能量均分定理。
二、教學(xué)要點:
1.分子動理學(xué)理論與統(tǒng)計物理學(xué)
2.概率論的基本知識
2-1 伽爾頓板實驗
2-2 等概率性與概率的基本性質(zhì)
2-3 平均值及其運算法則
2-4 均方偏差
2-5 概率分布函數(shù)
3.麥克斯韋速率分布
3-1 分子射線束實驗
3-2 麥克斯韋速率分布
4.麥克斯韋速度分布
4-1 速度空間
4-2 麥克斯韋速度分布
4-3 相對于vP的速度分量分布與速率分布
4-4 從麥克斯韋速度分布導(dǎo)出速率分布
5.氣體分子碰壁數(shù)及其應(yīng)用
5-1 由麥克斯韋速度分布導(dǎo)出氣體分子碰壁數(shù)及氣體壓強公式
6.外力場中自由粒子的分布 玻爾茲曼分布
6-1 等溫大氣壓強公式
6-2 旋轉(zhuǎn)體中粒子徑向分布
6-3 玻爾茲曼分布
7.能量均分定理
7-1 理想氣體熱容
7-2 自由度與自由度數(shù)
7-3 能量均分定理
7-6 能量均分定理的局限
7-7 固體的熱容
三、重點、難點
重點:麥克斯韋分布函數(shù)、平均速率、方均根速率、最概然速率、等溫大氣壓強分布、自由度、能量均分定理。
難點:概率分布函數(shù)、速度空間、麥克斯韋速度分布
第四章 氣體內(nèi)的輸運過程（3學(xué)時）
一、教學(xué)要求
掌握氣體分子間平均碰撞頻率和分子平均自由程公式。了解粘滯現(xiàn)象、熱傳導(dǎo)、擴散現(xiàn)象的宏觀規(guī)律和微觀解釋。了解氣體粘性系數(shù)、氣體導(dǎo)熱系數(shù)、氣體擴散系數(shù)的導(dǎo)出以及它們與溫度、壓強的關(guān)系。
二、教學(xué)要點:
1.氣體分子平均自由程
1-1 碰撞截面
1-2 分子間平均碰撞頻率
1-3 氣體分子間相對運動速率分布
1-4 氣體分子平均自由程
2.氣體分子碰撞的概率分布
2-1 氣體分子的自由程分布
3.黏性現(xiàn)象的宏觀規(guī)律
3-1 牛頓黏性定律 層流
4.擴散現(xiàn)象的宏觀規(guī)律
4-1 菲克定律
5.熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的宏觀規(guī)律
5-1 傅立葉定律
6.氣體輸送系數(shù)的導(dǎo)出
6-1 氣體黏性系數(shù)的導(dǎo)出
6-2 氣體熱傳導(dǎo)系數(shù)和擴散系數(shù)
6-3 與實驗結(jié)果的比較
三、重點、難點
重點:輸送現(xiàn)象的宏觀規(guī)律、碰撞截面、平均碰撞頻率、平均自由程。
難點:氣體粘性系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、擴散系數(shù)的導(dǎo)出及它們與溫度、壓強的關(guān)系。
第五章 熱力學(xué)第一定律 （12學(xué)時）
一、教學(xué)要求
理解準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆與不可逆過程。 理解功和熱量。熟練掌握準(zhǔn)靜態(tài)過程的功及在P-V圖上的表示。理解內(nèi)能是態(tài)函數(shù)。掌握熱力學(xué)第一定律。 理解定體熱容、定壓熱容、焓的定義和焓的物理意義。 熟練掌握熱力學(xué)第一定律對理想氣體的等體、等壓、等溫、絕熱及多方過程的應(yīng)用。理解熱機的效率。掌握卡諾循環(huán)和卡諾熱機的效率。了解致冷機的致冷系數(shù)、卡諾致冷機的致冷系數(shù)和焦耳-湯姆孫效應(yīng)。
二、教學(xué)要點:
1.可逆與不可逆過程
1-1 準(zhǔn)靜態(tài)過程
1-3 可逆和不可逆過程
2.功與熱量
2-1 功是力學(xué)相互作用的能量轉(zhuǎn)移
2-2 體積膨脹功
2-3 其他形式的功
2-4 熱量和熱質(zhì)說
3.熱力學(xué)第一定律
3-1 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律
3-2 內(nèi)能定理
4.熱容與焓
4-1 定體熱容與內(nèi)能
4-2 定壓熱容與焓
5.第一定律對氣體的應(yīng)用
5-1 理想氣體內(nèi)能 焦耳實驗
5-2 理想氣體的等體、等壓、等溫過程
5-3 絕熱過程
5-4 大氣溫度絕熱遞減率
5-6 多方過程
6.熱機
6-1 熱機 蒸汽機
6-2 卡諾熱機
6-3 內(nèi)燃機循環(huán)
7.焦耳-湯姆孫效應(yīng)與制冷機
7-1 制冷循環(huán)與制冷系數(shù)
7-2 焦耳-湯姆孫效應(yīng)
三、重點、難點
重點:準(zhǔn)靜態(tài)過程、功和熱量、內(nèi)能、熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用、卡諾循環(huán)和卡諾熱機的效率。
難點:定體熱容、定壓熱容、焓的物理意義。
第六章 熱力學(xué)第二定律?。?/span>10學(xué)時）
一、教學(xué)要求
掌握熱力學(xué)第二定律的開爾文表述和克勞修斯表述及兩種表述的等效性。理解熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義。掌握卡諾定理及卡諾定理對提高熱機效率的指導(dǎo)意義。理解熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達式。
二、教學(xué)要點:
1.熱力學(xué)第二定律的表述及其實質(zhì)
1-1 熱力學(xué)第二定律的表述及其等效性
1-3 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義
2.卡諾定理
2-1 卡諾定理
2-3 熱力學(xué)溫標(biāo)
三、重點、難點
重點:熱力學(xué)第二定律、卡諾定理。
難點:熱力學(xué)第二定律理解。
第七章 固體（3學(xué)時）
一、教學(xué)要求
初步了解晶體的結(jié)構(gòu)、宏觀特性、晶體中粒子的結(jié)合力和結(jié)合能、晶體中粒子的熱運動。
二、教學(xué)要點:
1.晶體
1-1 液體的宏觀特性
1-2 液體的微觀結(jié)構(gòu)
2.晶體中粒子的結(jié)合力和結(jié)合能
2-1 晶體中粒子的結(jié)合力
2-2 結(jié)合力的普遍特征 結(jié)合能
2-3 晶體彈性的微觀解釋
3.晶體中粒子的熱運動
3-1熱振動
3-2熱缺陷產(chǎn)生和運動 擴散
三、重點、難點
重點:晶體的結(jié)構(gòu)和特性
難點:晶體的微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)合力和結(jié)合能
第八章 液體（3學(xué)時）
一、教學(xué)要求
了解液體的微觀結(jié)構(gòu)、徹體性質(zhì)。理解液體的表面張力、彎曲液面的附加壓強。了解潤濕與不潤濕現(xiàn)象和毛細現(xiàn)象。
二、教學(xué)要點:
1.液體
1-1 液體的微觀結(jié)構(gòu)
1-2 液體的徹體性質(zhì)
2.液體的表面現(xiàn)象
2-1 表面張力和表面能
2-2 彎曲液面附加壓強
2-3 潤濕和不潤濕 毛細現(xiàn)象
三、重點、難點
重點:液體表面張力、彎曲液面的附加壓強。
難點:表面層內(nèi)分子力的作用。
第九章 相變?。?/span>6學(xué)時）
一、教學(xué)要求
理解相與相變、汽化和凝結(jié)。了解真實氣體等溫線、臨界點的特點。了解固-液、固-氣相變、相圖、克拉珀龍方程。
二、教學(xué)要點:
1.氣液相變
1-1 相與相變
1-2 汽化和凝結(jié)
1-3 真實氣體等溫線
1-4 范德瓦耳斯等溫線
1-5 臨界點
2.固-液、固-氣相變 相圖
2-1 固-液及固-氣相變
2-2 相圖
2-3 克拉珀龍方程
三、重點、難點
重點:相變、汽化和凝結(jié)。
難點:真實氣體等溫線、臨界點。
期末小結(jié)、答疑（2學(xué)時）
