課程資訊
課程名稱
 材料熱力學一
Thermodynamics of Materials (Ⅰ) 
開課學期
 105-1 
授課對象
 工學院  材料科學與工程學系  
授課教師
 白奇峰 
課號
 MSE2001 
課程識別碼
 507 20100 
班次
  
學分
 3 
全/半年
 半年 
必/選修
 必帶 
上課時間
 星期五2,3,4(9:10~12:10) 
上課地點
 新201 
備註
 限本系所學生(含輔系、雙修生)
總人數上限：55人 
Ceiba 課程網頁
 http://ceiba.ntu.edu.tw/1051MSE2001 
課程簡介影片
 
核心能力關聯
 核心能力與課程規劃關聯圖
課程大綱
為確保您我的權利,請尊重智慧財產權及不得非法影印
課程概述

熟悉熱力學系統的定義與相關的熱力學參數。
瞭解各種能量項與熱力學第一定律。
瞭解自發性反應、可逆反應與熱力學第二定律。
瞭解統計熱力學與熵的定義與計算。
瞭解組合已知能量項形成的其他熱力學函數並熟悉熱力學參數間的數學關係。
瞭解溫度對比熱的影響與熱力學第三定律，熟悉熵和焓與溫度相依性的計算。
分析單一物質系統的相平衡。
瞭解氣體液化行為與凡得瓦氣體方程式。
 

課程目標
 介紹熱力學的基礎參數，讓同學熟悉熱力學第1、2和3定律，同時建立分析單一物質系統相平衡的能力。使同學具有材料熱力學的基礎，作為往後學習相關課程的基礎。 
課程要求
 零、動機：
1. 為什麼要學熱力學
2. 熱力學四大定律導讀 (Peter Atkin's book)

一、導論：
1. 熱力學系統的定義
2. 狀態的定義
3. 一元與二元平衡相圖的介紹

二、熱力學第一定率：
1. 熱、功與內能
2. 比熱
3. 各種拘束條件下系統狀態改變對應的熱交換量、做功量與內能變化

三、熱力學第二定率：
1. 自發性反應與不可逆程度
2. 可逆反應與熵
3. 理想氣體的可逆等溫壓縮和絕熱膨脹反應
4. Carnot cycle與熱機引擎的效率
5. 熱力學第二定率與第一、二定律的組合
6. 平衡準則

四、統計熱力學的熵計算：
1. 原子尺度的混亂程度
2. 最有可能的微觀狀態與溫度的影響
3. Boltzmann方程式
4. 排列形式與熱量分配形式的熵

五、輔助函數：
1. 焓、Helmholtz和Gibbs自由能
2. 開放系統
3. 化學勢能
4. Maxwell關係式

六、溫度對比熱、焓與熵的影響：
1. 比熱與溫度的相依性 （理論計算）
2. 比熱與溫度的相依性（經驗方程式）
3. 焓與溫度的相依性
4. 熵與溫度的相依性
5. 第三定律
6. 壓力對焓與熵的影響

七、單一物質系統的相平衡：
1. 定壓下溫度對Gibbs自由能的影響
2. 定溫下壓力對Gibbs自由能的影響
3. 兩相共存的平衡條件

八、氣體行為：
1. P-V-T關係與液化
2. 凡得瓦氣體方程式
3. 理想氣體混和時熵與自由能的變化
4. Partial molar quantity
5. 非理想氣體的自由能變化

九、統計熱力學：
1. Maxwell-Boltzmann, Fermi-Dirac, Bose-Einstein 分布
2. 系綜 (Ensembles) 的概念
3. 配分函數 (Partition function)
4. 統計熱力學的簡單應用 
預期每週課後學習時數
  
Office Hours
  
指定閱讀
 書名：Introduction to the Thermodynamics of Materials, 5th edition
作者：David R. Gaskell
出版者：Taylor & Francis, New York (偉明圖書代理) 
參考書目
 鄭以禎, 巨觀與統計熱力學
Richard P. Feynman, Statistical Mechanics
R. K. Pathria, Statistical Mechanics
Peter Atkins, Four Laws That Drive the Universe 
評量方式
(僅供參考)
    
課程進度
週次
日期
單元主題
Week 1
 9/16  Introduction 
Week 2
 9/23  The first law of thermodynamics 
Week 3
 9/30  The second law of thermodynamics 
Week 4
 10/07  The second law of thermodynamics 
Week 5
 10/14  Entropy 
Week 6
 10/21  Entropy 
Week 7
 10/28  1st Midterm 
Week 8
 11/04  Auxiliary functions (U, H, A, G) 
Week 9
 11/11  Auxiliary functions (U, H, A, G) 
Week 10
 11/18  Heat capacity (of solids) 
Week 11
 11/25  Enthalpy, entropy, and the third law of thermodynamics 
Week 12
 12/02  2nd Midterm 
Week 13
 12/09  Phases of an one-component system 
Week 14
 12/16  Phases of an one-component system 
Week 15
 12/23  Gases 
Week 16
 12/30  Gases 
Week 17
 1/06  Statistical mechanics / Recap 
Week 18
 1/13  Final exam