热学教学大纲.doc

(完整版)热学教学大纲
《热学》教学大纲
课程名称: 热学
英文名称：Thermodynamics
课程编号:09120006
学时数及学分:64 学时 4学分
教材名称及作者：《热学》，黄淑清，聂宜如　等
出版社、出版时间：高等教育出版社，2003年
本大纲主笔人：罗志全，徐平川
一、课程的目的、要求和任务
热学是物理学本科专业普通物理课程的一部分,是重要的基础课之一.通过本课程的教学，应达到以下的目的和要求:
l.使学生认识物质热运动形态的特点、规律和研究方法，掌握比较系统的分子物理学和热力学基础知识，并能较为灵活地加以运用。
2．为学生进一步学习电磁学、原子物理学和理论物理中的热力学和统计物理学等后继课程打下良好的基础。
3．通过课程内容和研究方法的讲述有意识地培养学生的辩证唯物主义世界观。
为达到以上目的和要求,在教材内容和课程设置中应注意以下问题:
①鉴于本课程是物理学本科专业的基础课，在教材内容的选取上既要考虑中学物理教学的基础，又要注意与后继课和平行课之间的分工和衔接.例如介绍热现象的宏观理论时，应着重介绍热力学的基本概念及规律。有关熵和嫡增加原理的知识可根据具体情况决定取舍,但主要应由理论物理课程加以解决。在介绍热现象的微观理论时，只讨论分子运动部分而不更多涉及统计物理学的内容。又如考虑到固体物理课程不是必修课，所以本课程应安排固体、液体的内容。再如有关热膨胀的课题，在普通物理实验课中已列入大纲，本课程就不再进行讲述。
②本课程是学生在学完经典力学后学习非机械运动规律的第一门课程。为此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。在学习分子运动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，克服学生在学完经典力学后容易产生机械唯物论思想的倾问。同时要在教材中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屉理论的思想.
③物理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，除在普通物理实验中安排热学实验外，在课堂讲授中要注意发挥演示实验的作用，防止忽视实验的纯推理的倾向。
④本课程采用国际单位制，但为了便于学生查阅现有各种参考文献，也要介绍和适当使用暂时与国际单位制并用的单位如“标准大气压"、“巴”，及国际计量委员会建议一般不用的单位如“卡”等。
⑤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。
⑥根据理论联系实际的精神，本课程应在不影响理论体系的完整性的条件下适当联系生产实际，注意反映现代科学知识。
二、大纲的基本内容及学时分配
引言（2学时）
说明：
（1）简要介绍热学的研究对象和研究方法以及热学在近代科学技术和生活上的应用。指出热运动与机械运动的区别,介绍热力学系统的宏观描述和微观描述。
（2）扼要介绍热学发展简史,以及在热学发展过程中唯物主义与唯心主义的斗争。
（一)温度和基本热现象(4+1学时）
1．平衡态、状态参量
2．温度和温标、几种常用的温度计
3．物态方程、理想气体方程
说明:
(1)阐明平衡态的概念,指出热力学平衡与机械平衡的区别和联系.
(2）从热力学第零定律引入温度概念的宏观含义,着重介绍理想气体温标，指出经验温标对测温物质及其物理属性的依敕性。简要介绍热力学温标.
C）在学习中学知识基础上，复习理想气体方程,着重练习此方程的运用及单位选择。
(4)演示实验:利用定容气体温度计模型说明定容气体温度计的原理.
(二)热力学第一定律（8+2学时)
1，热力学过程、功和热量
2．态函数、内9自、热力学第一定律
3。 准静态过程、准静态过程的功
4．热力学第一定律对理想气体的应用
5．循环过程及卡诺循环
6．热机和致冷机简介
说明:
(1)阐明功、热量和内能三个概念的含义及三者间的区别。
（2）使学生掌握热力学第一定律的意义及其数学表达式。
(3)阐明准静态过程的概念,介绍计算准静态过程的功的公式及功的图线表示法。
(4)通过热力学第一定律对等容、等压、等温、绝热等四个过程的应用，使学生掌握应用热力学第一定律分析热力学过程的基本方法。介绍多方过程。
(5）介绍循环过程的一般概念和正循环的热机效率与逆循环的致冷数的定义，着重分析卡诺循环并推导理想气体准静态过程的卡诺循环效率的公式.
(6）简单介绍四冲程内燃机的工作原理、计算奥托循环与狄塞尔循环的效率、简要介绍普通致冷机循环的原理.
（三）热力学第二定律（6学时)
1．热力学第二定律
2.实际宏观过程的不可逆性
3．卡诺定理
4．热力学温标
5．熵*
说明：
（1)阐明热力学第二定律的开耳文表述和克劳修斯表述.论证两种表述的一致性.指出第二类永动机不可能造成。
（2)介绍可逆过程、不可逆过程的概念，通过摩擦生热、热传导、气体自由膨胀的实例指出与热现象有关的实际宏观过程的不可逆性，从而指出热力学第二定律的实质是指出自然过程都是沿从有序到无序、从非平衡态到平衡态的方向发展。
（3)介绍卡诺定理，并根据热力学第一、二定律加以证明。指出卡诺定理对提高热机效率的指导意义。指出在两个恒温热源T1、T2之间工作的不可逆致冷机的致冷系数不可能大于T2/（T1—T2)。
（4)介绍热力学温标和国际实用温标，指出热力学温标在一定范围内与理想气体温标的一致性。
(四)气体分子运动论的基本概念(6+1学时）
1．气体分子运动论的基本实验根据—-物质的分子结构
2．理想气体的微观模型、理想气体压强的实质
3．温度的微观解释、分子运动论对气体实验定律的推证
4．分子力
说明：
(1）通过演示实验说明气体分子运动论三个基本观点的正确性。阐明物质运动的唯物主义观点。
（2)从微观观点阐明气体压强的起因，导出压强公式和温度公式，解释其统计意义。
(3)介绍说明分子间相互作用力一般规律的分子力图线和势能图线，指出常用的两种简化模型.
(4)演示实验：
①在显微镜下观察布朗运动
②演示分子力的铅柱实验
③酒精与水混合总体积减小的演示
（五）气体分子热运动的速率和能量的统计分布律（7+1学时)
1．气体分子速率分布的实验测定
2．麦克斯韦速率分布定律
3．麦瓦斯韦速度分布定律＊
4．玻耳兹曼分布律、重力场中微粒按高度的分布
5．能量按自由度均分定理
6．气体的内能、理想气体的内容和热容量
7．热力学第二定律的统计意义
说明：
（1）介绍测定分子速率分布实验的原理,指出在平衡态下气体分子速率分布的规律性。
(2)介绍分布函数的概念和麦克斯韦速率分布定律。介绍并推导三种速率。说明速率分布定律的统计规律性,指出统计规律与力学规律的区别。
（3）介绍自由度的概念和能量按自由度均分定理.说明气体内能的微观定义.导出计算理想气体内能的公式.井通过双原子气体热容量的讨论指出经典理论的困难及其适用条件。
（4）通过气体自由膨胀微观过程的分析，揭示实际宏观过程的不可逆的原因,从而阐明热力学第二定律的统计意义。指出热力学第二定律的适用范围,批判热寂说.
（5）演示实验：
利用伽尔顿板演示统计规律性
(六)气体内的输运过程（5学时)
1．气体分子的平均自由程
2。 粘滞现象的宏观规律及其微观解释
3．扩散现象和热传导现象的宏观规律及其微观解释
说明:
(1）运用分子刚球模型介绍分子碰撞频率及平均自由程的概念。导出碰撞频率及平均自由程的公式。
(2）介绍气体扩散、粘滞现象和热传导的宏观规律。
（3）以粘滞现象的微观解释为重点,说明用微观观点解释和推导输运过程宏观规律的方法.导出三种迁移系数与微观量之间的关系，并将理论结果与实验进行比较从而指出理论的正确性与近似性.
(4）演示实验：
气体粘滞现象
（七）实际气体、固体、液体（10+2学时）
1。 范德瓦耳斯方程
2．实际气体的内能、焦耳一汤姆逊实验
3．晶体
4．晶体中粒子的结合力和结合能
5. 晶体中粒子的热运动
6．液体的一般性质、液晶简介
7．液体的表面张力
8．球形液面刚［的压强差
9．毛细现象及毛细管公式
10．表面吸附现象*
说明：
(1)在理想气体状态方程的基础上，由分子运动推导范德瓦耳斯方程，明确指出式中各量的物理意义。
(2）从焦耳—汤姆逊实验分析实际气体的内能不仅是温度的函数而且与体积有关，指出焦一汤效应在致冷技术上的应用.
(3)从宏观特征介绍晶体的区别,说明晶体的微观结构，简单介绍晶体按晶胞形状的分类。
（4）介绍晶体粒子间四种典型的结合力及其普遍特征.粒子间相互作用能的一般形式及相互作用能曲线。从微观观点定性解释晶体的弹性。
（5)介绍晶体粒子的热振动和热缺陷的产生和运动。从分子运动论推导固体的热容量，并定性解释热传导，热膨胀和扩散等现象的微观实质。
（6）从宏观性质和微观结构比较液体和气体、固体的异同.
(7)从液体的微观结构说明液体内压强产生的原因.简单介绍液晶的性质.
（8）通过流体表面现象的演示,阐明表面张力和裹面张力系数的概念,介绍表面能。说明表面张力的形成。
(9)推导球形液面内外压强差的公式，给出任意弯曲液面内外压强差的公式.介绍润湿和不润湿的概念，推导毛细管公式.
（10)演示实验：
①氯化钠、石墨、金刚石等晶体空间点阵模型
②液体表面张力实验
③附加压强实验
④毛细管实验
（八)相变（9学时)
1．单元系一级相变的普遍特征
2．蒸发与沸腾，饱和蒸汽压
3．二氧化碳实验等温线，液气二相图
4．范德瓦耳斯等温线
5．克拉珀龙方程
6. 临界温度很低的汽体的液化，低温的获得
7．固液相就
8．固气相变，三相图
9．实验物质的P-V—T图
10．物质的第四态和第五态简介＊
说明：
(1)说明“相"和一级相变的概念，介绍相变潜能的一般公式。
（2)阐明饱和蒸汽压的概念、沸腾与蒸发的区别，分析产生沸腾的条件.
（3）介绍二氧化碳的实验等温线，说明液气等温相变的规律，介绍临界温度和临界态的概念。
（4）用P——T图说明二相转变和两相平衡曲线，推导克拉珀龙方程,计算两相平衡曲线的斜率.
(5)分析范德瓦耳斯等温线，将其与实际等温线作比较，指出过热状态和过饱和状态，导出临界系数，指出其对于实际测量值的偏离,从而指出范德瓦耳斯方程的近似性.
(6）简单介绍临界温度很低的气体液化的方法及获得在不同温度范围内的低温的方法。
(7)介绍凝固时体积膨胀的物质的P—V—T图和凝固时体积收缩的物质的P—V—-T图，说明图上各点所代表的状态，并通过此图掌握相变的一般规律。
（8）演示实验；
沸点随外界压强减小而降低的实验
注:1．以上所列仅为教学内容的基本要求，至于教学系统的安排不强求统一。
2．注明“*”号的内容可以略讲或不讲。
三、与其它课程的关系
1．前期课程：力学、高等数学
2．电磁学、原子物理学和理论物理热力学和统计物理学等课程的先期课程。
四、考核方式
1．期末闭卷笔试 占总成绩的80％
2．平时成绩(作业、课堂讨论和小论文等)占20％
五、参考书目
1．顾建中：《普通物理学（分子物理学部分）》，高等教育出版社，1961。
2．D．哈里德和R．瑞斯尼克：《物理学》第一卷第二册，郑永龄等译，科学出版社,1980。
3．E。A。史特劳夫;<分子物理学》上、下册,戈革等译，高等教育出版社，1959。
4．巴巴列克西：《物理学教程（第一卷下册）》,人民教育出版社,1960.
5．赵凯华等：《新概念物理教程·热学》,高等教育出版社，1998。
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