普通物理熱學

課程性質

課程背景

熱學完善的知識結構是許多工程科學的基礎，同時在熱學的發展史中，知識從無到有的創造過程充滿了創新性思維的極好範例，這些創造過程也展現了科學工作者特別的科學素養和品質。

適應對象

該課程主要面向物理學專業或套用物理學專業的本科生開設。

課程簡介

普通物理熱學課程從巨觀角度介紹熱力學第零定律、熱力學第一定律和熱力學第二定律等熱力學的主要內容；從微觀角度介紹氣體動理論內容；最後簡單介紹了當熱力學系統偏離平衡態時向平衡態轉化的輸運過程；還包含有熱物理學的研究內容、熱力學第零定律的內容、麥克斯韋速律分布、玻爾茲曼分布、麥克斯韋速率分布的實驗驗證、能均分定理。

課程大綱

01熱現象與熱物理學

1.1 熱學的研究對象與內容

1.2 熱學的兩種理論

1.3 平衡態與狀態參量

1.4 狀態公理

02熱力學第零定律與溫度

2.1 熱平衡、熱力學第零定律、溫度

2.2 溫標

2.3 理想氣體的狀態方程

2.4 混合理想氣體狀態方程

03熱力學第一定律 I

3.1 熱力學過程

3.2 以功的形式傳遞能量

3.3 以熱的形式傳遞能量

3.4 熱力學第一定律

3.5理想氣體內能與焓

04熱力學第一定律 II

3.6熱一律對理想氣體的套用3.7 焦耳-湯姆孫實驗4.1循環過程和熱機

05熱力學第二定律與熵 I

4.2可逆過程與不可逆過程

4.3熱力學第二定律的兩種描述

4.4卡諾定理

4.5熱力學溫標

06熱力學第二定律與熵 II

4.6 熵（1）

4.6 熵（2）

4.6 熵（3）

4.6 熵（4）

4.6 熵（5）

07麥克斯韋-玻爾茲曼分布I

5.1 理想氣體微觀模型

5.2 理想氣體壓強公式和溫度的統計解釋（1）

5.2 理想氣體壓強公式和溫度的統計解釋（2）

5.2 理想氣體壓強公式和溫度的統計解釋（3）

5.2 理想氣體壓強公式和溫度的統計解釋（4）

08麥克斯韋-玻爾茲曼分布II

5.3 麥克斯韋速度分布（1）

5.3 麥克斯韋速度分布（2）

5.3 麥克斯韋速度分布（3）

5.5 麥克斯韋速率分布的實驗驗證

5.4玻爾茲曼分布律

5.6能量按自由度均分

09輸運過程的分子動理學基礎

6.1 氣體分子的平均自由程

6.2 熱傳導現象的巨觀規律與

6.3 微觀解釋

6.4 黏滯現象的巨觀規律與

6.5微觀解釋

6.6 氣體擴散現象及其微觀解釋

6.7 關於三種係數的討論

6.8 稀薄氣體的輸運過程

開課信息

開課次數	開課時間	授課教師	學時安排	參與人數
第1次開課	2020年12月30日~2021年03月03日	李軍剛、鄒健、蘇文勇	3-4小時每周	900
第2次開課	2021年03月23日~2021年10月25日		3-4小時每周	973
第3次開課	2021年11月12日~2022年01月23日		3-5小時每周	待定

課程特色

普通物理熱學課程除了強調熱力學的基本知識結構之外，還在課程的講授過程中融入了人文素養、科學素養、科學精神和科學方法四個方面的思政元素。

該課程與其他熱學課程不同的是，在課程的開始，在介紹熱力學三大定律之前首先介紹的狀態公理，以便讓學生開始就能夠明白複雜熱力學系統描述的規律，知道只用少數熱力學參量即可完全描述熱力學系統的原因。

教學目標

總目標

普通物理熱學課程根據高素質創新人才的培養目標，在保證對學生物理知識傳授和基本技能培養、打好熱學基礎的同時，進一步強化對學生的科學思維方法、創新意識和綜合套用能力的培養，為提高學生的科學素質發揮積極作用。

分目標

章節名稱	教學目標
熱現象與熱物理學	了解熱學的研究對象和研究內容；了解熱力學的內容框架和理論結構；了解熱力學研究對象與力學研究對象的不同；掌握熱力學的描述方式。
熱力學第零定律與溫度	理解熱力學第零定律的意義及溫度的引入；了解溫度的測量方法；理解溫度的意義；掌握“理想氣體”這個物理模型的建模過程；能夠利用理想氣體狀態方程解決常見問題；初步了解熱運動形式的獨特特點。
熱力學第一定律 I	掌握熱力學過程、做功、傳熱的意義；理解熱力學第一定律的意義；理解內能和焓能的物理意義；了解能量守恆在熱力學過程中的作用；能力遷移：能夠運用能量守恆原理討論一般的物理問題。
熱力學第一定律 II	掌握理想氣體的基本特性；了解焦耳-湯姆孫實驗；掌握循環這個物理模型的建模過程；掌握熱機效率的計算方法；初步了解熱機效率不能達到100%的物理內涵；能力遷移：能夠運用能量守恆原理討論一般的物理問題。
熱力學第二定律與熵 I	理解可逆過程和不可逆過程的意義；理解熱力學第二定律的不同表述之間的等價性；理解熱力學第二定律物理含義；理解卡諾定理與熱二律的關係；理解熱力學溫標的定義。
熱力學第二定律與熵 II	掌握熵的引入方法；理解熵的物理意義。掌握不同條件下熵的計算；理解熵作為狀態函式的意義。了解時間之箭的意義。
麥克斯韋-玻爾茲曼分布I	了解理想氣體的微觀模型；理解壓強公式的統計意義；理解溫度的統計意義。
麥克斯韋-玻爾茲曼分布II	理解麥克斯韋速率分布的意義；了解麥克斯韋速率分布的實驗驗證；了解麥克斯韋速率分布的推廣；掌握玻爾茲曼分布的普適意義；掌握能均分定理的套用。
運過程的分子動理學基礎	理解平均自由程的意義；掌握熱傳導現象的巨觀規律及其微觀解釋；掌握黏滯現象的巨觀規律及其微觀解釋；掌握氣體擴散現象的巨觀規律及其微觀解釋。

學習預備

預備知識

先修課程：微積分、普通物理學力學

預備知識：全微分的概念；機率初步知識；力學基本知識。

參考資料

書名	作者	出版時間	出版社
《熱學》	李椿、章立源、錢尚武	2008年	高等教育出版社
《新概念物理教程·熱學》	趙凱華、羅蔚茵	2004年	高等教育出版社
《大學物理通用教程·熱學（第二版）》	劉玉鑫	2011年	北京大學出版社
《熱力學》	王竹溪	2005年	北京大學出版社
《費曼物理學講義I》	費恩曼	2013年	海科學技術出版社