課程簡介
Course Introduction
《熱學》課程是本科物理專業的基礎課，是經典物理中唯一采用統計觀念和統計規律的課程，其內容主要包括氣體分子運動論、熱力學基礎、物性學三大部分，課程的教學目標是使學生掌握物質熱運動的基本知識和基本原理，培養學生采用統計分析和熱力學方法解決與熱學有關問題的能力，使學生深刻理解宏觀現象與微觀本質、對立統一等重要的辯證唯物主義觀點，并為后續熱力學與統計物理、量子力學、固體物理等重要專業課程和技術應用奠定必要的熱學基礎。
教學大綱
Teaching Syllabus
《熱學》教學大綱
英文名稱: Calorifics
授課專業:物理學 學時:64 學分:4
開課學期:一年級下學期
適用對象:物理學專業
一、課程性質與任務
熱學是四年制本科物理學專業必修的專業基礎課程。本課程是普通物理學的一個重要組成部分，是研究熱現象、熱本質及熱力學基本定律的基礎學科。通過本課程的教學，應使學生掌握熱學的基礎理論、基礎知識和基本技能；認識物質熱運動形態的特點、規律和研究方法；了解溫度和熱的測量原理和方法；明確熱力學和分子運動論的基本原理。為學生進一步學習《熱力學與統計物理學》、《固體物理》等后繼課程打下良好的基礎。并通過對熱學發展史上某些重大的發現和發明的介紹，使學生了解物理學思想和實驗方法，培養學生的辯證唯物主義世界觀， 使學生獲得科學方法論上的教益 。
二、課程教學的基本要求
在教學中，通過課堂講授、習題課和課程討論等教學方式，闡明熱學的基本概念、規律和研究方法，并結合科學研究和生產實際穿插介紹熱學的最新研究成果及應用實例，以達到預期的教學目的。在教學過程中重視理論聯系實際，從而處理好:定性與定量、理論體系與實驗方法、基礎理論與近代科學成就等之間的關系。在教學中要注重培養學生運用數學工具解決物理問題的能力。進一步提高科學知識、科學方法、科學態度和科學精神等科學素質。
三、課程教學內容
緒論2學時
第一章 溫度 （6學時）
第二章 氣體分子動理論的基本概念 （7學時）
第三章 氣體分子熱運動速率和能量的統計分布律 （10學時）
第四章 氣體內的輸運過程（3學時）
第五章 熱力學第一定律 (12學時)
第六章 熱力學第二定律 (10學時)
第七章 固體（3學時）
第八章 液體 (3學時)
第九章 相變 (6學時)
期末總結、答疑 (2學時)
四、教學重點、難點:
教學重點:平衡態、物態方程、熱力學第零定律、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、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、準靜態過程、功和熱量、內能、熱力學第一定律及其應用、卡諾循環和卡諾熱機的效率、熱力學第二定律、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。
教學難點:分子間相互作用勢能、范德瓦爾斯方程、概率分布函數、速度空間、麥克斯韋速度分布、氣體粘性系數和導熱系數和擴散系數的導出及它們與溫度、壓強的關系、定體熱容、定壓熱容、焓的物理意義、真實氣體等溫線。
五、教學時數分配:
教學時數64學時，其中理論講授64學時。（具體安排見附表）
六、教學方式:
1、熱學是應用物理專業的一門專業基礎課，在教學過程中要強調物質運動形式的多樣性與各種規律及其研究方法的特殊性。在學習分子動理論時要特別強調由大量分子構成的系統所遵從的統計規律的特點，培養學生的辯證思維。
2、在本課程的教學過程中，應針對大學新生普遍對大學的教法不適應，且自學能力教差等情況，對學生進行學習方法的指導，培養學生的自學能力。
3、為了培養學生分析問題和解決問題的能力，本課程應講解適當的例題和安排一定的習題課，使學生學會正確地運用所學知識解決實際問題，同時要布置適量的習題和思考題，引導學生深入鉆研物理概念，牢固掌握基礎知識。
4、熱學是建立在實驗基礎上的一門科學，要充分重視理論的實驗基礎，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，通過實驗反復檢驗理論并發展理論的思想。
5. 充分利用多媒體教學手段，注意在教學過程中使用電子教案與黑板的結合，并在課堂教學中注重啟發式教學，組織課堂討論、課堂提問等。
七、本課程與其它課程的關系:
1.本課程必要的先修課程:力學、高等數學。
2.本課程的后續課程:熱力學與統計物理學、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:作業成績及平時檢測占總成績的30％。
九、教材及教學參考書:
主教材:李椿等編.熱學（第二版）.北京:高等教育出版社，2008.
參考書:
1、秦允豪編.普通物理學教程·熱學（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.北京:高等教育出版社，1998.
緒論（2學時）
介紹熱學研究對象和方法；熱學發展簡述
第一章 溫度 （6學時）:
一、教學要求:
了解熱物理學的兩種描述方法。 理解熱力學系統的平衡態，掌握判別是否處于平衡態的方法。 熟練掌握理想氣體的物態方程。掌握熱力學第零定律及溫度的概念，知道溫標是溫度的數值表示法。了解攝氏溫標、理想氣體溫標和熱力學溫標。 物態方程的應用。
二、教學要點:
1. 宏觀描述方法與微觀描述方法
1-1 熱學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.熱力學系統的平衡態
2-1 熱力學系統
2-2 平衡態和非平衡態
2-3 熱力學平衡
3. 溫度
3-1 溫度
3-2 熱力學第零定律
3-3 溫標
4.物態方程
4-1 物態方程
4-2 體膨脹系數、壓縮系數、壓強系數 熱膨脹現象
4-3 理想氣體物態方程
4-4 混合理想氣體物態方程
三、重點、難點
重點:平衡態、物態方程、熱力學第零定律
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學時）
一、教學要求
理解物質的微觀模型。了解布朗運動和漲落現象。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、教學要點:
1.物質的微觀模型
1-1 物質有大數分子組成
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
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計分布律 （10學時）
一、教學要求:
了解分子動理論的特點。 掌握概率的基本性質和求平均值的基本方法，理解概率分布函數。掌握麥克斯韋速率分布函數，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，掌握能量均分定理。
二、教學要點:
1.分子動理學理論與統計物理學
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
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
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出速率分布
5.氣體分子碰壁數及其應用
5-1 由麥克斯韋速度分布導出氣體分子碰壁數及氣體壓強公式
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
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、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、速度空間、麥克斯韋速度分布
第四章 氣體內的輸運過程（3學時）
一、教學要求
掌握氣體分子間平均碰撞頻率和分子平均自由程公式。了解粘滯現象、熱傳導、擴散現象的宏觀規律和微觀解釋。了解氣體粘性系數、氣體導熱系數、氣體擴散系數的導出以及它們與溫度、壓強的關系。
二、教學要點:
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.黏性現象的宏觀規律
3-1 牛頓黏性定律 層流
4.擴散現象的宏觀規律
4-1 菲克定律
5.熱傳導現象的宏觀規律
5-1 傅立葉定律
6.氣體輸送系數的導出
6-1 氣體黏性系數的導出
6-2 氣體熱傳導系數和擴散系數
6-3 與實驗結果的比較
三、重點、難點
重點:輸送現象的宏觀規律、碰撞截面、平均碰撞頻率、平均自由程。
難點:氣體粘性系數、導熱系數、擴散系數的導出及它們與溫度、壓強的關系。
第五章 熱力學第一定律 （12學時）
一、教學要求
理解準靜態過程、可逆與不可逆過程。 理解功和熱量。熟練掌握準靜態過程的功及在P-V圖上的表示。理解內能是態函數。掌握熱力學第一定律。 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用。理解熱機的效率。掌握卡諾循環和卡諾熱機的效率。了解致冷機的致冷系數、卡諾致冷機的致冷系數和焦耳-湯姆孫效應。
二、教學要點:
1.可逆與不可逆過程
1-1 準靜態過程
1-3 可逆和不可逆過程
2.功與熱量
2-1 功是力學相互作用的能量轉移
2-2 體積膨脹功
2-3 其他形式的功
2-4 熱量和熱質說
3.熱力學第一定律
3-1 能量守恒與轉換定律
3-2 內能定理
4.熱容與焓
4-1 定體熱容與內能
4-2 定壓熱容與焓
5.第一定律對氣體的應用
5-1 理想氣體內能 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 內燃機循環
7.焦耳-湯姆孫效應與制冷機
7-1 制冷循環與制冷系數
7-2 焦耳-湯姆孫效應
三、重點、難點
重點:準靜態過程、功和熱量、內能、熱力學第一定律及其應用、卡諾循環和卡諾熱機的效率。
難點:定體熱容、定壓熱容、焓的物理意義。
第六章 熱力學第二定律 （10學時）
一、教學要求
掌握熱力學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。理解熱力學第二定律的統計意義。掌握卡諾定理及卡諾定理對提高熱機效率的指導意義。理解熱力學第二定律的數學表達式。
二、教學要點:
1.熱力學第二定律的表述及其實質
1-1 熱力學第二定律的表述及其等效性
1-3 熱力學第二定律的統計意義
2.卡諾定理
2-1 卡諾定理
2-3 熱力學溫標
三、重點、難點
重點:熱力學第二定律、卡諾定理。
難點:熱力學第二定律理解。
第七章 固體（3學時）
一、教學要求
初步了解晶體的結構、宏觀特性、晶體中粒子的結合力和結合能、晶體中粒子的熱運動。
二、教學要點:
1.晶體
1-1 液體的宏觀特性
1-2 液體的微觀結構
2.晶體中粒子的結合力和結合能
2-1 晶體中粒子的結合力
2-2 結合力的普遍特征 結合能
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熱缺陷產生和運動 擴散
三、重點、難點
重點:晶體的結構和特性
難點:晶體的微觀結構、結合力和結合能
第八章 液體（3學時）
一、教學要求
了解液體的微觀結構、徹體性質。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象和毛細現象。
二、教學要點:
1.液體
1-1 液體的微觀結構
1-2 液體的徹體性質
2.液體的表面現象
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:表面層內分子力的作用。
第九章 相變 （6學時）
一、教學要求
理解相與相變、汽化和凝結。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、教學要點:
1.氣液相變
1-1 相與相變
1-2 汽化和凝結
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。
難點:真實氣體等溫線、臨界點。
期末小結、答疑（2學時）
