spContent=大家好,我们是西安交通大学热学教学团队。非常高兴能与来自各地的学习者相遇、相识。我们将带领大家走进热学世界。热学是研究热现象及其规律的一门学科。热现象与我们的生活和社会的发展息息相关。小到测量温度的温度计、路面的空隙,大到热机、火箭、神州飞船飞天等等,热现象几乎无处不在。
大家好,我们是西安交通大学热学教学团队。非常高兴能与来自各地的学习者相遇、相识。我们将带领大家走进热学世界。热学是研究热现象及其规律的一门学科。热现象与我们的生活和社会的发展息息相关。小到测量温度的温度计、路面的空隙,大到热机、火箭、神州飞船飞天等等,热现象几乎无处不在。
—— 课程团队
课程概述
- 课程性质、目的
- 热学是物理专业的一门专业基础课,热学是研究物质的热运动及与热相联系的各种规律的科学。开设热学课程的目的,一方面使学生掌握物质热运动的特点、规律和研究方法, 掌握热学的基本概念、基本规律和基本理论。另一方面,注重对学生统计物理思想方法的理解和训练,为物理学后续的学习和研究打好基础。
- 课程内容简介
- 热学是研究物质的热运动及与热相联系的各种规律的科学。其研究方法有宏观理论和微观理论。热学主要研究热力学系统分子动理学理论的平衡态理论,输运现象与分子动理学理论的非平衡态理论即气体中的输运现象,热力学系统与平衡态,热力学第零定律及温标, 热力学第一定律, 热力学第二定律和熵,固体、液体的热现象及相变。
- 基本要求
- 掌握平衡态、温度和温标,热量和内能,可逆与不可逆,熵和热力学第二定律,分布函数和统计平均,相变和克拉珀龙方程,理想气体和范德瓦尔斯方程等基本热学概念。
- 掌握麦克斯韦速率、速度分布, 玻耳兹曼分布, 能量均分定理, 粘性、热传导、扩散的宏观规律及微观机理, 热力学第零定律, 热力学第一定律, 热力学第二定律, 熵增加原理,汽化和液化及克拉珀龙方程等热学基本理论。
- 掌握应用各种物理模型研究和分析各种问题的能力;掌握 “系统的宏观性质是系统中分子微观热运动的统计表观”这个物理图象,加强熵的教学,突出统计概念和统计平均方法;掌握运用统计规律从微观本质上研究热学规律。
授课目标
热学是物理专业的一门专业基础课,热学是研究物质的热运动及与热相联系的各种规律的科学。
- 通过本课程的学习,使学生掌握物质热运动的特点、规律和研究方法, 掌握热学的基本概念、基本规律和基本理论。
- 本课程注重对学生统计物理思想方法的理解和训练,为物理学后续的学习和研究打好基础。
课程大纲
第一章导论——宏观部分
课时目标:1. 掌握平衡态、温度、理想气体等基本概念。2. 掌握热力学第零定律。
1.0绪论
1.1宏观描述方法与微观描述方法
1.2热力学系统与平衡态
1.3温度、经验温标
1.4绝对温标
1.5物态方程
本周讨论
导论宏观部分测试
第一章导论——微观部分
课时目标:3. 掌握理想气体的微观模型。4. 了解理想气体压强公式的推导。5. 理解描述真实气体的范德瓦尔斯方程。
1.6物质的微观模型
1.7理想气体的微观模型
1.8理想气体微观描述的初步理论
1.9真实气体分子间作用力势能
1.10范德瓦斯方程
本周讨论
导论微观部分测试
第二章气体动理学理论的平衡态理论——概率论基础、麦克斯韦速率分布
课时目标:1. 掌握概率、分布函数、统计规律等基本概念。2. 掌握麦克斯韦速率分布。3. 掌握最概然速率、平均速率、方均根速率。
2.1分子动理论与统计物理学
2.2概率论的基本知识
2.3概率分布函数
2.4分子射线束实验
2.5速度空间
2.6麦克斯韦速率分布
2.7分子速率的三种典型平均值
本周讨论
麦克斯韦速率分布单元测试
第二章气体动理学理论的平衡态理论——麦克斯韦速度分布、玻尔兹曼分布
课时目标:4. 掌握麦克斯韦速度分布。5. 理解由麦克斯韦速率分布对理想气体压强公式的推导。6. 掌握玻耳兹曼分布。7. 理解压强、分子数密度随高度的变化。
2.8麦克斯韦速度分布
2.9相对于最概然速率的速度分量分布与速率分布
2.10由麦克斯韦速度分布到处气体分子碰壁数及压强公式
2.11等温大气压强公式
2.12玻尔兹曼分布
2.13旋转体中悬浮粒子径向分布 超离心技术
本周讨论
玻尔兹曼分布单元测试
第二章气体动理学理论的平衡态理论——能量均分定理
课时目标:8. 掌握能量均分定理。
2.14单原子理想气体热容与内能
2.15自由度与自由度数
2.16能量均分定理
2.17能量均分定理的局限性
本周讨论
能量均分定理单元测试
第三章气体动理学理论的非平衡态理论
课时目标:1. 掌握粘性、热传导﹑扩散的宏观规律。2. 掌握气体平均自由程及分子碰撞概率。3. 理解粘性微观解释。4. 了解热传导﹑扩散的微观解释。
3.1黏性现象的宏观规律
3.2热传导现象的宏观规律
3.3扩散现象的宏观规律
3.4气体分子的平均自由程
3.5气体分子按自由程的分布
3.6气体输运系数的导出
3.7稀薄气体中的热导现象
本周讨论
非平衡态理论单元测试
第四章热力学第一定律——可逆与不可逆过程、热力学第一定律、等体等温等压过程
课时目标:1. 掌握可逆﹑不可逆过程、准静态过程、热量和内能、热容等基本概念。2. 掌握热力学第一定律。3. 掌握焦耳定律。4. 能熟练地分析、计算理想气体在准静态过程的功、热量、内能的改变量。
4.1可逆与不可逆过程
4.2功和热量
4.3热力学第一定律
4.4热容与焓
4.5理想气体内能 焦耳实验
4.6理想气体的等体、等压、等温过程
本周讨论
可逆与不可逆过程单元测试
第四章热力学第一定律——绝热过程、多方过程、热机、致冷循环
课时目标:5. 能熟练地分析、计算热机循环效率、致冷机循环致冷系数。6. 了解焦耳—汤姆孙效应。
4.7理想气体的绝热过程
4.8理想气体的多方过程
4.9热机
4.10致冷循环
4.11焦耳-汤姆逊实验(节流)
本周讨论
热机单元测试
第五章热力学第二定律熵——两种表述、卡诺定理、克劳修斯等式、克劳修斯熵
课时目标:1. 掌握热力学第二定律的两种表述。2. 理解卡诺定理。3. 掌握克劳修斯等式。4. 掌握克劳修斯熵的计算。
5.1热力学第二定律的两种表述及等效性
5.2卡诺定理
5.3克劳修斯等式
5.4克劳修斯熵及计算
本周讨论
热力学第二定律单元测试
第五章热力学第二定律熵——熵增加原理、热力学第二定律数学表达、统计意义、熵的微观意义
课时目标:3. 掌握熵与熵增原理。4. 理解熵的计算。5. 理解热力学第二定律的数学表达及统计解释、熵的微观意义。
5.5熵增加原理
5.6热力学第二定律的数学表达
5.7热力学第二定律的统计意义
5.8熵的微观意义
本周讨论
熵增加原理单元测试
第六章物态与相变
课时目标:1. 了解物质的五种状态,了解液体的微观结构。2. 理解液体的表面张力、弯曲液面的附加压强。了解润湿与不润湿现象和毛细现象。3. 了解气液相变及气化和凝结发生的条件。4. 理解真实气体等温线及范德瓦耳斯等温线。5. 理解气液、固液、固气相变和相图,克拉珀龙方程。
6.1表面张力与表面能
6.2弯曲液面附加压强
6.3润湿与不润湿 毛细现象
6.4气化与凝结
6.5真实气体等温线
6.6范德瓦斯等温线
6.7固液相变 固气相变 相图
6.8克拉珀龙方程
本周讨论
第六章物态与相变测试
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预备知识
参考资料
教材选用秦允豪《普通物理学教程 热学》(第四版),高等教育出版社,2018年
可以参考以下教材:
- 宋峰主编、方爱平、刘松芬副主编,《热学》(“101计划”核心教材),高等教育出版社,2024年;
- 李椿等编,《热学》(第三版),高等教育出版社,2015年;
- 赵凯华,罗蔚茵编,《新概念物理教程:热学》(第二版),高等教育出版社,2005年;
- 刘玉鑫编,《热学》,北京大学出版社,2016年。
常见问题
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