《热学》教学大纲

英文名称: Calorifics

授课专业:物理学　　学时:64　　　学分:4　　

开课学期:一年级下学期

适用对象:物理学专业

一、课程性质与任务

热学是四年制本科物理学专业必修的专业基础课程。本课程是普通物理学的一个重要组成部分，是研究热现象、热本质及热力学基本定律的基础学科。通过本课程的教学，应使学生掌握热学的基础理论、基础知识和基本技能；认识物质热运动形态的特点、规律和研究方法；了解温度和热的测量原理和方法；明确热力学和分子运动论的基本原理。为学生进一步学习《热力学与统计物理学》、《固体物理》等后继课程打下良好的基础。并通过对热学发展史上某些重大的发现和发明的介绍，使学生了解物理学思想和实验方法，培养学生的辩证唯物主义世界观， 使学生获得科学方法论上的教益 。

二、课程教学的基本要求

在教学中，通过课堂讲授、习题课和课程讨论等教学方式，阐明热学的基本概念、规律和研究方法，并结合科学研究和生产实际穿插介绍热学的最新研究成果及应用实例，以达到预期的教学目的。在教学过程中重视理论联系实际，从而处理好:定性与定量、理论体系与实验方法、基础理论与近代科学成就等之间的关系。在教学中要注重培养学生运用数学工具解决物理问题的能力。进一步提高科学知识、科学方法、科学态度和科学精神等科学素质。

三、课程教学内容

绪论2学时

第一章　温度　（6学时）

第二章　气体分子动理论的基本概念　（7学时）

第三章　气体分子热运动速率和能量的统计分布律　（10学时）

第四章　气体内的输运过程（3学时）

第五章 热力学第一定律 　(12学时)

第六章　热力学第二定律　(10学时)

第七章 固体（3学时）

第八章　液体 　(3学时)

第九章 相变 (6学时)

期末总结、答疑 (2学时)

四、教学重点、难点:

教学重点:平衡态、物态方程、热力学第零定律、理想气体压强公式及分子平均平动动能、麦克斯韦分布函数、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、平均碰撞频率、平均自由程、准静态过程、功和热量、内能、热力学第一定律及其应用、卡诺循环和卡诺热机的效率、热力学第二定律、卡诺定理、液体表面张力、弯曲液面的附加压强、相变、汽化和凝结。

教学难点:分子间相互作用势能、范德瓦尔斯方程、概率分布函数、速度空间、麦克斯韦速度分布、气体粘性系数和导热系数和扩散系数的导出及它们与温度、压强的关系、定体热容、定压热容、焓的物理意义、真实气体等温线。

五、教学时数分配:

教学时数64学时，其中理论讲授64学时。（具体安排见附表）

六、教学方式:

1、热学是应用物理专业的一门专业基础课，在教学过程中要强调物质运动形式的多样性与各种规律及其研究方法的特殊性。在学习分子动理论时要特别强调由大量分子构成的系统所遵从的统计规律的特点，培养学生的辩证思维。

2、在本课程的教学过程中，应针对大学新生普遍对大学的教法不适应，且自学能力教差等情况，对学生进行学习方法的指导，培养学生的自学能力。

3、为了培养学生分析问题和解决问题的能力，本课程应讲解适当的例题和安排一定的习题课，使学生学会正确地运用所学知识解决实际问题，同时要布置适量的习题和思考题，引导学生深入钻研物理概念，牢固掌握基础知识。

4、热学是建立在实验基础上的一门科学，要充分重视理论的实验基础，防止忽视实验的纯推理倾向，同时要始终贯彻理论来自实践又高于实践，通过实验反复检验理论并发展理论的思想。

5. 充分利用多媒体教学手段，注意在教学过程中使用电子教案与黑板的结合，并在课堂教学中注重启发式教学，组织课堂讨论、课堂提问等。

七、本课程与其它课程的关系:

1.本课程必要的先修课程:力学、高等数学。

2.本课程的后续课程:热力学与统计物理学、固体物理。

八、考核方式:

本课程考核方式为考试，成绩评定采用百分制。本课程成绩采用期末考试与平时成绩相结合的方式进行综合评定，最终成绩由以下二个部分组成:第一部分:期末考试成绩占总成绩的70％；第二部分:作业成绩及平时检测占总成绩的30％。

九、教材及教学参考书:

主教材:李椿等编.热学（第二版）.北京:高等教育出版社，2008.

参考书:

1、秦允豪编.普通物理学教程·热学（第二版）.北京:高等教育出版社，2004.

2、赵凯华等编.新概念物理教程·热学.北京:高等教育出版社，1998.

绪论（2学时）

介绍热学研究对象和方法；热学发展简述

　　第一章　温度　（6学时）:

　一、教学要求:

了解热物理学的两种描述方法。 理解热力学系统的平衡态，掌握判别是否处于平衡态的方法。 熟练掌握理想气体的物态方程。掌握热力学第零定律及温度的概念，知道温标是温度的数值表示法。了解摄氏温标、理想气体温标和热力学温标。 物态方程的应用。

　二、教学要点:

　1. 宏观描述方法与微观描述方法

　1-1 热学的研究对象及其特点

　1-2宏观描述方法与微观描述方法

　2.热力学系统的平衡态

　2-1 热力学系统

　2-2 平衡态和非平衡态

2-3 热力学平衡

　3. 温度

3-1 温度

3-2 热力学第零定律

3-3 温标

4.物态方程

4-1 物态方程

4-2 体膨胀系数、压缩系数、压强系数 热膨胀现象

4-3 理想气体物态方程

4-4 混合理想气体物态方程

　三、重点、难点

　重点:平衡态、物态方程、热力学第零定律

　难点:分子间相互作用势能、范德瓦尔斯方程。

　　　　　　　第二章　气体分子动理论的基本概念　（7学时）

　一、教学要求

理解物质的微观模型。了解布朗运动和涨落现象。理解理想气体的微观模型、温度的微观意义。熟练掌握理想气体压强公式和理想气体分子热运动平均平动动能公式。了解分子间作用力曲线和分子间互作用势能曲线。理解范德瓦尔斯方程。

　二、教学要点:

　1.物质的微观模型

1-1 物质有大数分子组成

1-2 分子热运动的例证

1-3 分子间的吸引力和排斥力

2. 理想气体微观模型的初级理论

2-1 理想气体微观模型

2-2 碰壁数

2-3 理想气体压强公式

2-4 温度的微观意义

3.分子间作用力势能与真实气体状态方程

3-1　分子间互作用势能曲线

3-2　分子碰撞有效直径、固体分子热振动、固体热膨胀

3-3　范德瓦耳斯方程

　三、重点、难点

　重点:温度的微观解释、理想气体压强公式及分子平均平动动能。

难点:分子间相互作用势能、范德瓦尔斯方程。

第三章 气体分子热运动速率和能量的统计分布律　（10学时）

一、教学要求:

了解分子动理论的特点。 掌握概率的基本性质和求平均值的基本方法，理解概率分布函数。掌握麦克斯韦速率分布函数，熟练掌握平均速率、方均根速率和最概然速率。理解速度空间概念，掌握麦克斯韦速度分布。理解等温大气压强公式。理解自由度与自由度数，掌握能量均分定理。

　二、教学要点:

　1.分子动理学理论与统计物理学

　2.概率论的基本知识

　2-1　伽尔顿板实验

　2-2　等概率性与概率的基本性质

　2-3　平均值及其运算法则

　2-4　均方偏差

　2-5　概率分布函数

　3.麦克斯韦速率分布

　3-1　分子射线束实验

　3-2　麦克斯韦速率分布

　4.麦克斯韦速度分布

　4-1　速度空间

　4-2　麦克斯韦速度分布

　4-3　相对于vP的速度分量分布与速率分布

4-4　从麦克斯韦速度分布导出速率分布

　5.气体分子碰壁数及其应用

　5-1　由麦克斯韦速度分布导出气体分子碰壁数及气体压强公式

　6.外力场中自由粒子的分布　玻尔兹曼分布

　6-1　等温大气压强公式

　6-2　旋转体中粒子径向分布

　6-3　玻尔兹曼分布

7.能量均分定理

7-1　理想气体热容

7-2　自由度与自由度数

7-3　能量均分定理

7-6　能量均分定理的局限

7-7　固体的热容

　三、重点、难点

　重点:麦克斯韦分布函数、平均速率、方均根速率、最概然速率、等温大气压强分布、自由度、能量均分定理。

　难点:概率分布函数、速度空间、麦克斯韦速度分布

第四章 气体内的输运过程（3学时）

　一、教学要求

掌握气体分子间平均碰撞频率和分子平均自由程公式。了解粘滞现象、热传导、扩散现象的宏观规律和微观解释。了解气体粘性系数、气体导热系数、气体扩散系数的导出以及它们与温度、压强的关系。

　二、教学要点:

　1.气体分子平均自由程

　1-1　碰撞截面

　1-2　分子间平均碰撞频率

　1-3　气体分子间相对运动速率分布

　1-4　气体分子平均自由程

2.气体分子碰撞的概率分布

2-1　气体分子的自由程分布

3.黏性现象的宏观规律

　3-1　牛顿黏性定律　层流

　4.扩散现象的宏观规律

　4-1　菲克定律

　5.热传导现象的宏观规律

　5-1　傅立叶定律

6.气体输送系数的导出

6-1　气体黏性系数的导出

6-2　气体热传导系数和扩散系数

6-3　与实验结果的比较

　三、重点、难点

　重点:输送现象的宏观规律、碰撞截面、平均碰撞频率、平均自由程。

　难点:气体粘性系数、导热系数、扩散系数的导出及它们与温度、压强的关系。

第五章　热力学第一定律　（12学时）

　一、教学要求

理解准静态过程、可逆与不可逆过程。 理解功和热量。熟练掌握准静态过程的功及在P-V图上的表示。理解内能是态函数。掌握热力学第一定律。 理解定体热容、定压热容、焓的定义和焓的物理意义。 熟练掌握热力学第一定律对理想气体的等体、等压、等温、绝热及多方过程的应用。理解热机的效率。掌握卡诺循环和卡诺热机的效率。了解致冷机的致冷系数、卡诺致冷机的致冷系数和焦耳-汤姆孙效应。

　二、教学要点:

　1.可逆与不可逆过程

　1-1　准静态过程

　1-3　可逆和不可逆过程　

　2.功与热量

　2-1　功是力学相互作用的能量转移

　2-2　体积膨胀功

　2-3　其他形式的功

　2-4　热量和热质说

　3.热力学第一定律

　3-1　能量守恒与转换定律

　3-2　内能定理

　4.热容与焓

　4-1　定体热容与内能

　4-2　定压热容与焓

　5.第一定律对气体的应用

　5-1　理想气体内能　焦耳实验

　5-2　理想气体的等体、等压、等温过程

　5-3　绝热过程

　5-4　大气温度绝热递减率

　5-6　多方过程

　6.热机

　6-1　热机　蒸汽机

　6-2　卡诺热机

　6-3　内燃机循环

　7.焦耳-汤姆孙效应与制冷机

　7-1　制冷循环与制冷系数

　7-2　焦耳-汤姆孙效应

　三、重点、难点

　重点:准静态过程、功和热量、内能、热力学第一定律及其应用、卡诺循环和卡诺热机的效率。

　难点:定体热容、定压热容、焓的物理意义。

第六章　热力学第二定律　（10学时）

　一、教学要求

掌握热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述及两种表述的等效性。理解热力学第二定律的统计意义。掌握卡诺定理及卡诺定理对提高热机效率的指导意义。理解热力学第二定律的数学表达式。

　二、教学要点:

　1.热力学第二定律的表述及其实质

　1-1　热力学第二定律的表述及其等效性

　1-3　热力学第二定律的统计意义

　2.卡诺定理

　2-1　卡诺定理

　2-3　热力学温标

　三、重点、难点

　重点:热力学第二定律、卡诺定理。

　难点:热力学第二定律理解。

第七章 固体（3学时）

　一、教学要求

初步了解晶体的结构、宏观特性、晶体中粒子的结合力和结合能、晶体中粒子的热运动。

　二、教学要点:

　1.晶体

　 1-1　液体的宏观特性

　 1-2　液体的微观结构

　2.晶体中粒子的结合力和结合能

　 2-1　晶体中粒子的结合力

　 2-2　结合力的普遍特征 结合能

　 2-3　晶体弹性的微观解释

3.晶体中粒子的热运动

3-1热振动

3-2热缺陷产生和运动 扩散

　三、重点、难点

　重点:晶体的结构和特性

　难点:晶体的微观结构、结合力和结合能

第八章　　液体（3学时）

　一、教学要求

了解液体的微观结构、彻体性质。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。

　二、教学要点:

　1.液体

　1-1　液体的微观结构

　1-2　液体的彻体性质

　2.液体的表面现象

　2-1　表面张力和表面能

　2-2　弯曲液面附加压强

　2-3　润湿和不润湿　毛细现象

　三、重点、难点

　重点:液体表面张力、弯曲液面的附加压强。

　难点:表面层内分子力的作用。

第九章　相变　（6学时）

一、教学要求

理解相与相变、汽化和凝结。了解真实气体等温线、临界点的特点。了解固-液、固-气相变、相图、克拉珀龙方程。

　二、教学要点:

　1.气液相变

　1-1　相与相变

　1-2　汽化和凝结

　1-3　真实气体等温线

　1-4　范德瓦耳斯等温线

　1-5　临界点

　2.固-液、固-气相变　相图

2-1　固-液及固-气相变

2-2　相图

2-3　克拉珀龙方程

　三、重点、难点

　重点:相变、汽化和凝结。

　难点:真实气体等温线、临界点。

期末小结、答疑（2学时）