热力学统计物理授课教案第一讲

热力学统计物理授课教案

第一章 统计热力学基本原理

第一讲 统计热力学的研究对象、任务和方法

讲授内容：教科书§1.1 学时：1.5

教学方法：结合课件中大量图片和影视片段进行讲授

教学目的：使学生对本门学科的研究对象、研究任务和研究方法有一个初步的了解，明确本学科在物理学中的特殊地位，它既是物理学又是方法论，作为入门的基础理论知识，在生产、技术进步与理论研究科研以及教学中都起着重要作用。学好本门课程不仅是搞好未来业务工作的需要，也是完善辩证思维、树立正确世界观的需要。 教学过程：（课件标题字幕）

引言：（10分钟）绚丽多彩、瞬息变幻的自然界，为物理学的研究提供了广阔的领域。物理学探索自然界的奥秘，有三个基本的认识发展方向。一是朝着微观方向的认识发展，从分子、原子、原子核等等?一直到夸克，涉及到越来越小的时空尺度，没有止境；一是探索宏观大范围的时空结构和物质运动，从地球、太阳系、银河系等等?一直到宇宙，其时间、空间尺度之大，同样没有止境。目前物理学研究涉及到的空间尺度已小到10m，（字幕）（看录像片段，从晶体到粒子）大到10m（字幕）（看录像片段，宇宙）涉及到的时间尺度已小到10s，（字幕）（看图片，粒子径迹）大到10s（字幕）（看录像片段，大爆炸模型）涉及的温度低到10K，（字幕）（看录像片段，激光冷却，捕获原子）高到10K（字幕）（看录像片段，氢弹爆炸）。人类对自然界认识的时空尺度跨越了四十多个数量级，温度范围达到15个数量级。然而，与人类生活和市场关系最直接、最密切的认识发展方向是基于量的变化所导致的物质运动从简单到复杂，由低级到高级的各种形态和阶段，直至生命和意识，这个认识发展过程也是没有止境的。

在众多的物理学分支中，有一个特殊的学科，它在宏观与微观之间，在物理学与其它学科之间起着重要的桥梁作用，它就是“统计物理学”。（物理学分支学科划分图表，指明学科范围）作为它的入门知识，与热力学结合，我们给同学们开设“统计热力学”这门课程，下面就统计热力学的研究对象、任务、方法和学习它的重要意义作一个谦虚、概括的介绍。

1统计热力学的研究对象与任务：（20分钟）（字幕）狭义地讲统计热力学作为物理学的一部份, 它的研究对象是由大量微观粒子组成的宏观系统。（字幕）它的任务是研究这类客体所表现的热运动规律以及热运动对物体宏观性质的影响，并且从物质的微观结构出发给予本质的解释（字幕）。科学学科是根据科学对象所具有的特殊矛盾性质来区分的，只有大量的分子、原子或其它微观粒子才能表现出热现象，所以“大量”是形成本门学科矛盾特殊性的基本因素。我们日常生活和生产实践中接触的物体都是由大量微观粒子组成的，这就是说，热运动是无所不在的，所以本门学科的研究对象非常广泛。（看录像片段，气体、晶体、超导磁悬浮、激光、冶金、天体等尚待完善）物质的热运动基于组成该物质的各个微观粒子的运动，物质的热运动又影响物质的其它属性，因此本学科的研究涉

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及到物质的微观结构、力学性质、电磁学性质、化学反应等诸多方面，它的内容是极其绚丽多彩和引人入胜的。（看录像片段，分子运动、半透膜、激光原理、人工降雨、天空蓝色等尚待完善）

几个基本概念：（图片，在自然风光中划出系统与外界）（字幕）通常，总是把所研究的物体系称为系统，系统周围的环境称为外界。一般情况下，系统和外界之间在宏观上可能存在着能量、质量、电荷等多方面的交换，这种交换可以笼统地称之为流。系统的宏观观测性质不随时间变化的状态称为定态。无流的定态称为平衡态（字幕），它的性质最简单，是学习、研究热运动理论的最初着眼点。 实际发生的热现象大部分属于有流的变化过程，这些变化过程有一个突出特点就是具有不可逆性。有限温差下的热传导、摩擦生热、气体自由膨胀、载流导线中的焦耳热、铁磁体中的滞后效应等（字幕）都是大家在普通物理中已经熟知的不可逆变化过程。系统经历不可逆过程，无论用任何方法均不能使系统和外界都完全恢复原来的状态。（字幕）它们的演化规律是比较复杂的。

不过，人们发现，过程进行得越缓慢，各宏观瞬时的状态就越接近平衡态。而且，上面提到的摩擦、焦耳热等不可逆因素在过程中包含得越少、越微弱，过程的变化规律就越简单。于是，人们把过程进行得“无限”缓慢的过程称为准静态过程，（字幕）而将不可逆因素减小到零的准静态理想极限过程称为可逆过程（字幕）。在可逆过程中系统每个宏观时刻都可以认为处于平衡态，每一微小变化都可以沿相反方向进行，并且使系统和外界恢复原状。（字幕）这种过程的规律易于掌握，研究它对许多实际过程具有原则性的指导意义。

理论构成：阐述平衡态和可逆过程规律的理论称为平衡理论或可逆过程的理论（字幕），将宏观理论与微观理论结合阐述的，一般称为统计热力学（字幕）。关于不可逆过程的理论也可以称为非平衡理论（字幕），宏观理论与微观理论结合阐述的则称为非平衡统计热力学（字幕）。此外，还有一部分内容专门研究涨落现象，称为涨落理论（字幕）。本课程包括统计热力学和涨落理论两部分（字幕）。

2统计热力学的研究方法：（15分钟）（字幕）

关于可逆过程的热运动理论分为两个部分，即热力学和统计物理。这两部分的研究对象相同，但观点、方法不同。

热力学是热现象的宏观理论（字幕）。人们对客观世界的认识总是由表及里、先现象而后本质的。早在物质的原子论充分发展以前，人们只能凭借对热现象的直接观察和实验寻找规律，这就形成了热力学。所以，热力学又称为唯象理论。可逆过程的热力学早已发展得十分完善，它的基础是由试验事实总结出的四条规律。热力学第零定律产生了温度的热力学定义。热力学第一定律阐述能量守恒与转化的规律，从热力学角度定义了内能和热量。热力学第二定律阐明自发过程的不可逆性，并给出了熵的热力学定义.热力学第三定律则指出了绝对零度之不可及并涉及熵的常数和化学常数问题（字幕）。从这几条基本定律出发，运用数学方法，经过严格的逻辑推理可以得出系统的宏观热性质和各种宏观性质之间的关系，以及宏观物理过程进行的方向和限度等结论。由于几条基本规律是长期实践的总结，逻辑推理又未加任何假设，这些热力学的结论都具有高度的普遍性和可靠性（字幕），适用于一切有限的物质系统，这是热力学理论最突出的优点。 但是事物都是一分为二的。热力学理论具有普遍性，是由于它不考虑物质的微观结构，这个特点也给它带来了局限性。热力学理论只着眼于现象的联系而未能深入本质，对热运动规律只知其然，而不能说出所以然；热力学理论不能给出

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具体物质的具体性质，在实际应用上必须结合实验观测的数据才能得到具体的结果；热力学理论本身对实验中可以观测到的涨落现象也无法予以具体的解释（字幕）。

统计物理是热现象的微观理论（字幕）：是从物质的微观运动来阐明宏观热性质的科学。它从系统是由大量微观粒子组成这一事实出发，在合理的基础上作出基本假设，揭示出大量粒子所特有的统计规律性。这个规律主要表现为：在每个微观瞬时，系统的各个微观态都有一定的出现机会；系统的宏观性质是微观粒子运动的平均效果，宏观量是相应微观量的统计平均值；由于宏观量和微观量之间的这种关系，必然存在着涨落现象。（字幕）由于统计物理深入到热运动的本质，从原则上讲，它可以从统计物理的基本原理出发，得到热力学规律，从而阐明其统计意义。而且，在对系统的微观结构作出某些假设之后，应用统计理论可以求出系统的具体性质（字幕）。统计物理也有它的局限性，由于对物质结构作了简化假设，理论的具体结论就带有近似性（字幕）。不过，随着人们对物质结构认识的深化、模型的改进以及理论方法的发展，这些具体的结论会日趋精确。

综上所述可以看到，热力学和统计物理是热运动理论的两个侧面。它们既有明显区别又有紧密联系，而且各以自身的长处弥补了另一方的不足。所以，在研究热现象当中，它们是相辅相成缺一不可的。过去，为了突出两种理论本身的特点，本门课程都是采取热力学和统计物理分开讲授的。本书试图在保持两种理论自身特点的同时，更多地体现两种理论相辅相成的特点，将两者结合起来，统一讲授。希望能够利用较短时间，更为有效地完成本门课程的教学任务。（字幕）

3学习统计热力学的意义：（20分钟）（字幕）学习的目的全在于应用。学习统计热力学的意义首先在于这门学科在生产、科研方面占有重要地位。

在工程、生产中发挥重要作用：（字幕） 温度测量是生产和科研中的重要问题。任何实用温度计都是根据物质的某一性质来测定温度的。统计热力学对物质热性质的研究，对于温度计的改善和设计新的温度计都有指导意义。（字幕）（图片，各种温度计逐一展示）

热工学和低温技术是在统计热力学基础上发展起来的。热机与冷冻机械的设计、效率的提高都要以统计热力学理论为依据。工作物质的一些精确数据则需要利用光谱分析的结果，由统计热力学理论算出。（字幕）（图片，各种热机、空调冰箱逐一展示）

统计热力学在化学、化工、冶金方面应用也很广泛，化学热力学、冶金热力学都已成为独立的科学分支。（字幕）（看录像片段，无机、有机、高分子化工生产；几个冶金生产）

金属和半导体的导电性、导热性、霍耳效应温差电效应等重要性能的研究需要用统计热力学理论，这些研究成果可以为生产上采用新材料、新工艺、新器件开辟途径。非晶态半导体和非晶态金属材料的研究也展示了美好的前景。非晶态硅太阳能电池已显露出成本低廉、工艺简单的优点。金属玻璃在许多方面的性质，都表现比一般金属好。超导材料的研究一直是近些年来的热点，已初步展示出良好的应用前景。这些方面的理论研究也都需要熟悉统计热力学理论，在这些方面的突破将对技术革命起到极大的促进作用。（字幕）（图片，半导体单晶及其生长、非晶态金属和半导体、记忆合金、航天用陶瓷、高温超导材料、纳米材料及其加工等）

在科学研究中发挥基础作用：（字幕）

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实验手段（图片，泡室）

充满奇异现象和新发现的临界相变理论，研究自然界的突变行为，自从七十年代重整化群理论被应用以来，得到了迅速的发展，目前仍然是统计热力学主要研究方向之一（字幕）。非平衡统计和关于非平衡有序现象的耗散结构理论和协同论的发展，为物理、化学、医学、考古、生物进化、天体演化等各方面提供了理论和研究手段，为非平衡理论的应用开辟了广阔的前景（字幕）。对于按传统观念应由牛顿力学支配的复杂体系的重新讨论，揭示了决定性系统中的随机行为，以及这种随机行为的广泛性和普遍性，为统计理论找到了新课题（字幕）。非平衡理论的研究范围已不再局限于狭义的物理系统了，它已扩展到各个领域，甚至扩展到社会和经济生活的许多方面（字幕）。上述这些新的发展，就其基础知识而言，本书介绍的统计热力学知识是一个重要方面。

统计热力学的概念和方法，不仅可以用于“常规”的宏观系统，而且还可以用于研究天体和单个粒子。例如，研究银河系或河外星云的某些性质，把单个天体看作“微观粒子”来讨论由这种“粒子”组成的“气体”（字幕）；又如，在研究单个原子核或基本粒子时，为强调其内部的无限结构，把它和液滴类比，将核或粒子看成“宏观”系统等等（字幕）。因此，统计热力学不仅是物理学，也是方法论（字幕）（看录像片段，生物和生态以及化学震荡等耗散结构；图片，耗散结构、分形等）。

胜任中学物理教学必不可少：（字幕）

在中学物理中需要讲授的一些热学概念和规律，在普通物理热学教学中还不可能进行更深入的阐述。只有通过统计热力学的学习，加深了理解，在中学讲授时才能做到居高临下，深入浅出。（字幕）作为一个中学物理教师，对物理规律必须有全面认识。必然和或然，即传统观念下的力学规律和统计规律相反相成地支配着物理世界，而且统计规律是更本质的（字幕）。然而由于教学体系上的缺陷，学生从中学到大学低年级，绝大部分时间接触的是力学规律中的决定论性的东西，这种认识上的片面性还影响到人们的思想方法。通过统计热力学的学习，理解并掌握了统计规律的特点，才能克服片面性，辩证地看待自然界（字幕）。物理教师的职责不仅在于完成课堂教学任务，而且应该在课外用丰富的知识开扩学生的思维，增长他们的智力，不断用生产、科研、国防方面的新成就去激发学生对社会主义祖国的热爱和为现代化建设献身的精神（字幕）。要作好这个工作，就需要不断学习新的东西。统计热力学的广泛应用可以直接丰富你的知识宝库，统计热力学的基本理论则为大家提供进一步学习的必要基础。 结束语：（5分钟）总结学习本课程的重要意义，介绍课程中讲授、习题课、复习、答疑、作业、考试各个环节及其应予注意的问题。

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