《材料物理化學》課程教學大綱一、課程簡介課程中文名材料物理化學課程英文名PhysicalChemistryofMaterials雙語授課□是■否課程代碼課程學分3總學時數48課程類別□通識教育課程□公共基礎課程■專業教育課程□綜合實踐課程□教師教育課程課程性質■必修□選修□其他課程形態□線上■線下□線上線下混合式□社會實踐□虛擬仿真實驗教學考核方式■閉卷□開卷□課程論文□課程作品□匯報展示□報告■課堂表現■階段性測試■平時作業□其他（可多選）開課學院材料科學與工程學院開課系(教研室)材料科學面向專業材料科學與工程專業開課學期第4學期先修課程大學物理，無機化學，高等數學，材料科學與基礎后續課程功能材料基礎，新能源材料，光電功能材料、畢業論文、畢業實習選用教材1.天津大學物理化學教研室.《物理化學（簡明版）》（第二版）[M].北京:高等教育出版社,2018.參考書目天津大學物理化學教研室.《物理化學》（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2009.傅獻彩.物理化學（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2006.任素貞等.物理化學（第四版）[M].上海科學技術出版社,2013.課程簡介物理化學是化學學科的一個重要分支，它是通過物理學的原理、實驗方法及數學手段來研究化學變化普遍規律性的一門交叉學科。而《材料物理化學》是物理化學在材料學科所涉及到的實際應用問題的基礎理論，是材料學院學生的一門專業必修基礎課程。通過本課程的系統學習，首先可使學生靈活的運用物理化學的基本知識和基本原理，加深對自然現象的本質認識；其次培養學生運用物理化學的科學思維方法（如熱力學方法和動力學方法）提出問題、分析問題和解決問題的能力。本課程的主要任務是介紹化學熱力學、化學動力學、電化學和界面化學的基本原理、方法及其應用，為材料科學專業課程的學習奠定扎實的理論基礎和專業的思維方式。二、課程目標表1課程目標序號具體課程目標課程目標1能闡明物理化學的基本理論和基礎知識，習得物理化學基本技能，包括熱力學、電化學、動力學、表面化學的基本理論和基本方法，明白物理化學在材料學科的發展前沿、最新研究成果和發展趨勢。具備運用物理化學的基本思想、方法和理論知識解決復合材料產業生產一線中所存在的基礎理論與工程實踐問題的能力。課程目標2具有正確的人生價值觀，端正學習、生活態度，在生活、生產中正確運用材料物理化學知識，并指導實踐；具有學科專業意識、正確的理想信念和社會責任感；在新材料開發過程中，能夠自覺履行工程師對公眾的安全、健康和福祉的社會責任，理解和包容多元化的社會需求。課程目標3積極主動參加小組學習、團隊互動、網絡分享等協作學習活動，具有團隊合作精神，能應用工程管理原理與經濟決策方法到材料物理化學環境中。表2-1課程目標與畢業要求對應關系畢業要求指標點課程目標畢業要求1：工程知識：能夠運用數學、自然科學、工程基礎和專業基礎知識解決智能材料、光電材料等功能復合材料產業生產一線中關于新材料設計和制備-結構性能分析-新材料技術開發等復雜工程問題。【H】1.3能夠運用數學、自然科學、工程基礎和專業基礎知識對智能材料、光電材料等功能復合材料產業生產一線中關于新材料設計和制備-結構性能分析-新材料技術開發等存在的問題進行改進并有效解決相應的復雜工程問題。課程目標1畢業要求8：職業規范：具備良好的人文科學素養和較強社會責任感，理解功能復合材料及相關領域工程師、技術骨干或項目管理人員的角色定位和職業道德規范，并履行責任。【M】8.3在新材料開發過程中，能夠自覺履行工程師對公眾的安全、健康和福祉的社會責任，理解和包容多元化的社會需求。課程目標2畢業要求11：項目管理：能夠理解并掌握新能源材料、智能材料、光電材料等功能復合材料領域的新材料設計與制備、分析與表征等工程實踐中，理解與應用工程管理原理與經濟決策方法，并能在材料、物理化學和環境等多學科背景中應用。【M】11.1能夠在智能材料、光電材料等實踐中，理解與應用工程管理原理與經濟決策方法。課程目標3

三、課程學習內容與方法序號課程模塊學習內容學習任務課程目標學習重點難點教學方法學時1材料物理化學緒論1.材料物理化學的建立和發展1.拓展閱讀：學習材料物理化學的建立和發展課程目標1、2、3重點：1.材料物理化學的學習方法。2.材料物理化學課程的基本內容和任務。3.材料物理化學與其它課程的關系。難點：1.材料物理化學的學習方法。2.材料物理化學與其它課程的關系。1.課堂講授：能夠引導學生理解材料物理化學課程的意義和學習方法12.材料物理化學的目的和內容課程目標1、2、33.材料物理化學研究方法課程目標1、2、34.材料物理化學課程的學習方法課程目標1、2、32氣體的PVT關系理想氣體狀態方程1.練習：理想氣體和真實氣體狀態方程的應用。2.個人作業：課后習題課程目標1、2、3重點：1.理想氣體狀態方程及應用。2.道爾頓定律和阿馬加定律。難點：1.掌握真實氣體的狀態方程并應用。1.課堂講授：能夠引導學生掌握理想和真實氣體氣體的PVT關系和相關概念。2.案例教學：帶領學生熟練掌握狀態方程的應用。2理想氣體混合物課程目標1、2、3真實氣體的液化及臨界參數課程目標1、2、3真實氣體狀態方程課程目標1、2、3對應狀態原理及普遍化壓縮因子課程目標1、2、33熱力學第一定律1.熱力學的一些基本概念1.練習：ΔU、ΔH、Q和W的計算。2.個人作業：課后習題課程目標1、2、3重點：1.熱力學基本概念，熱力學第一定律和熱力學能。功與熱，準靜態過程和可逆過程；2.狀態函數，U和H，熱力學第一定律，過程中的ΔU、ΔH、和W。用生成焓、燃燒焓來計算化學反應熱；3.理想氣體在幾種過程中熱、功的計算。熱力學第一定律的本質。難點：1.狀態函數，U和H，熱力學第一定律，過程中的ΔU、ΔH、Q和W；2.各種功的計算。1.課堂講授：能夠引導學生理解熱力學第一定律及相關概念。2.案例教學：帶領學生熟練掌握熱力學第一定律的應用。72.熱力學第一定律課程目標1、2、33.恒容熱、恒壓熱和焓課程目標1、2、34.摩爾熱容課程目標1、2、35.相變焓課程目標1、2、36化學反應焓課程目標1、2、37.標準摩爾反應焓的計算課程目標1、2、38.可逆過程功與可逆體積功課程目標1、2、39.節流膨脹與焦耳-湯姆遜實驗課程目標1、2、34熱力學第二定律1.熱力學第二定律1.練習：各種變化過程的ΔS、ΔG與ΔA的計算。2.個人作業：課后習題課程目標1、2、3重點：1.熱力學第二定律，克勞修斯不等式，熵函數，亥姆霍茲自由能A、吉布斯自由能G；2.熵判據，亥姆霍茲自由能判據，吉布斯自由能判據，過程的ΔS、ΔG與ΔA計算；3.熱力學基本函數關系式，麥克斯韋關系式，克拉貝龍方程式；4.熱力學第三定律；規定熵；化學反應過程的熵變。難點：1.各種變化過程的ΔS、ΔG與ΔA的計算；2.熱力學基本函數關系式；3.熱力學證明與推導。1.課堂講授：能夠引導學生深刻理解第二定律及意義；理解克勞修斯不等式的重要性。2.案例教學：帶領學生掌握并能熟練計算簡單過程的ΔS、ΔG與ΔA。學會使用熵判據和吉布斯自由能判據；82.卡諾循環與卡諾定理課程目標1、2、33.熵與克勞修斯不等式課程目標1、2、34.熵變的計算課程目標1、2、35.熱力學第三定律與規定熵變課程目標1、2、36.亥姆赫茲自由能和吉布斯自由能課程目標1、2、37.熱力學基本方程及麥克斯韋關系式課程目標1、2、38.熱力學第二定律在單組分系統相平衡中的應用課程目標1、2、35多組分系統熱力學及其在溶液中的應用偏摩爾量1.練習：借助理想氣體狀態方程導出理想氣體化學勢表達式，借助拉烏爾定律或亨利定律導出組分或溶質的化學勢表達式。2.個人作業：課后習題課程目標1、2、3重點：1.溶液濃度，偏摩爾量和化學勢，理想溶液的定義和通性；2.拉烏爾定律，亨利定律，吉布斯-杜亥姆公式，杜亥姆-馬居耳公式；3.逸度，活度，溶液化學勢的表達，化學勢標準態，理想溶液、稀溶液和實際溶液的區別；4.稀溶液依數性，分配定律。難點：1.偏摩爾量和化學勢的理解及計算；2.不同條件下的標準化學勢；3.稀溶液依數性。1.課堂講授：能夠引導學生理解溶液體系的相關知識。2.案例教學：帶領學生掌握稀溶液依數性公式及分配定律的相關計算。22.化學勢課程目標1、2、33.氣體組分的化學勢課程目標1、2、34.逸度及逸度因子課程目標1、2、35.拉烏爾定律和亨利定律課程目標1、2、36.理想液態混合物課程目標1、2、37.理想稀溶液課程目標1、2、38.活度與活度因子課程目標1、2、39.稀溶液的依數性.課程目標1、2、36化學平衡1.化學反應的方向及平衡條件1.練習：通過等溫方程來判斷化學反應的方向和反應是否達到平衡。2.個人作業：課后習題課程目標1、2、3重點：1.均相及多相反應ΔrGm，平衡常數表達，吉布斯－亥姆霍茲方程；2.標準生成吉布斯自由能ΔrGm°，反應過程ΔrGm，ΔrGm°＝-RT㏑K°，反應的等溫方程式；3.濃度、T、P、惰性氣體對平衡的影響及其定量計算。難點：1.復相平衡平衡計算；2.T、P、惰性氣體對平衡的影響及其定量計算。1.課堂講授：能夠引導學生理解化學平衡的相關知識。2.案例教學：帶領學生掌握化學平衡的相關計算。32.理想氣體反應的等溫方程及標準平衡常數課程目標1、2、33.平衡常數及平衡組成計算課程目標1、2、34.溫度対標準平衡常數的影響課程目標1、2、35.其他因素対理想氣體反應平衡移動的影響課程目標1、2、36.真實氣體反應的化學平衡課程目標1、2、37相平衡1.相律1.練習：確定平衡系統中的組分數、相數和自由度數。2.個人作業：課后習題課程目標1、2、3重點：1.相，相數，組分數，自由度，相律，相圖；2.單組分體系的相圖，杠桿規則，步冷曲線繪制；3.雙液系的p-x和T-x圖；蒸餾和精餾，低共熔物相圖，二組分固-液相圖；4.三組分體系相圖。難點：1.組分數C的判斷；2.相律公式在相圖中的應用；3.相圖繪制和步冷曲線繪制；4.分離提純物質的條件控制。1.課堂講授：能夠引導學生理解相平衡的相關知識。2.案例教學：帶領學生熟悉相圖分析。32.單組分系統的相圖課程目標1、2、33.二組分系統理想液態混合物的氣-液平衡相圖課程目標1、2、34.二組分真實液態混合物的氣-液平衡相圖課程目標1、2、35.二組分液體部分互溶及完全不互溶系統的氣-液平衡相圖課程目標1、2、36.二組分固態不互溶系統的液-固平衡相圖課程目標1、2、37.生成化合物的二組分凝聚系統相圖課程目標1、2、38.二組分固態互溶系統的液-固平衡相圖課程目標1、2、38電化學1.電化學的基本概念和電解定律1.練習：設計原電池。2.個人作業：課后習題課程目標1、2、3重點：1.遷移數，電導率，摩爾電導率，離子獨立移動定律，電導測定的應用；2.遷移數與摩爾電導率、離子遷移率之間的關系；3.電解質溶液的離子平均活度、離子平均活度系數，離子強度。4.電動勢與的關系，電極電勢，標準電極電勢；5.電極反應和電池反應，電動勢，能斯特方程，設計電池；6.溫度對電動勢的影響，和的計算。電動勢產生的機理，電動勢測定的應用。7.分解電壓，極化作用，超電勢，電解池、原電池不同電極極化曲線；難點：1.電導測定的應用；2.電解質溶液的離子平均活度、離子平均活度系數和濃度之間的轉換。1.電池與化學反應的轉換；2.電池電動勢、電極電勢的計算；3.電池電動勢與熱力學函數的關系；4.電池電動勢測定的應用。5.極化作用，超電勢，極化曲線；6.陰陽極析出物質的先后判斷1.課堂講授：能夠引導學生理解電化學的相關知識。2.案例教學：帶領學生掌握電化學的相關計算。102.離子的電遷移率和遷移數課程目標1、2、33.電解質溶液的電導課程目標1、2、34.電解質的平均活度和活度因子及徳拜-休克爾極限課程目標1、2、35.可逆電池及電動勢的測定課程目標1、2、36.原電池熱力學課程目標1、2、37.電極電勢和液體接界電勢課程目標1、2、38.可逆電池的書寫方法與電動勢課程目標1、2、39.電極的種類課程目標1、2、310.原電池的設計課程目標1、2、311.分解電壓課程目標1、2、312.極化作用課程目標1、2、313.電解時的電極反應課程目標1、2、39界面現象1.界面張力1.拓展閱讀：學習超潤濕材料和超疏水材料的發展和研究前景。2.個人作業：課后習題課程目標1、2、3重點：1.表面吉布斯自由能、表面張力，表面張力的影響因素；2.彎曲表面的附加壓，彎曲表面上的蒸氣壓與平面相的不同，Kelvin公式，常見亞穩態；3.液-液、液-固界面的鋪展與潤濕作用，接觸角，表面活性物質，臨界膠束濃度（CMC），親水-親油平衡值（HLB）；4.氣-固表面吸附，Langmuir吸附等溫式；5.物理吸附，化學吸附，吸附熱，氣-固相表面催化反應。難點：1.表面張力；2.Langmuir吸附等溫式；3.氣-固相表面催化反應。1.課堂講授：能夠引導學生理解界面現象的相關知識。22.彎曲液面的附加壓力及其后果課程目標1、2、33.固體表面課程目標1、2、34.液固界面課程目標1、2、35.溶液表面課程目標1、2、310化學動力學1.化學反應速率及速率方程1.練習：零級、一級、二級反應速率各種動力學方程及其應用。2.個人作業：課后習題課程目標1、2、3重點：1.反應速率的表示法，反應機理，基元反應，反應級數，反應分子數；2.零級、一級、二級反應速率各種動力學方程及其應用；3.對峙、平行、連串三種復雜反應；4.溫度、活化能對反應速率的影響，阿侖尼烏斯經驗式；5.鏈反應，穩態近似、平衡假設等近似處理的方法得反應速率方程。6.碰撞、過渡態和單分子反應理論簡介，簡單基元反應的速率常數的計算；7.溶液反應，溶劑、原鹽效應、擴散過程等對反應速率的影響，快速反應的測試方法，弛豫法8.光化學反應，基本定律，量子產率，分子的能態，光化反應的動力學特點，光化平衡及溫度對光化反應的影響，感光反應，化學發光；9.催化劑的作用特點，常見催化反應的動力學特點。難點：1.基元反應及其質量作用定律；2.簡單級數的動力學方程及其應用；3.溫度對反應速率的影響；4.反應機理擬定與速率方程推導。5.三大理論的理解及應用；6.光化學反應的動力學方程；7.催化反應的動力學特點。1.課堂講授：能夠引導學生理解化學動力學的相關知識。2.案例教學：帶領學生掌握化學反應過程中的相關計算。102.速率方程的積分形式課程目標1、2、33.速率方程的確定課程目標1、2、34.溫度對化學反應速率的影響，活化能課程目標1、2、35.典型復合反應課程目標1、2、36.復合反應速率的近似處理法課程目標1、2、37.鏈反應課程目標1、2、38.氣體反應的碰撞理論課程目標1、2、39.勢能面與過渡狀態理論課程目標1、2、310.溶液中反應課程目標1、2、311.光化學課程目標1、2、312.催化作用的通性課程目標1、2、313.酶催化反應課程目標1、2、314.多相催化反應課程目標1、2、3四、課程考核（一）考核內容與考核方式表4課程目標、考核內容與考核方式對應關系課程目標考核內容所屬學習模塊/項目考核占比考核方式課程目標11.材料物理化學基本理論的理解水平、綜合分析與運用能力（1）熱力學基礎（熱力學第一定律、熱力學第二定律、熱力學第三定律）（2）熱力學應用（在溶液中的應用、相平衡、化學平衡）（3）電化學（電解質溶液、可逆原電池、電解與極化）（4）動力學（動力學基礎、動力學支撐理論）（5）表面化學2、3、4、5、6、7、8、9、1080%1.課堂表現（討論、發言、提問等）2.課后作業3.階段性測試4.閉卷考試2.材料物理化學基本知識的應用水平和綜合運用能力（1）U、H、S、A、G、Q、W的理解（2）稀溶液遵循的規律（3）相圖用于分離提純物質（4）變化方向與限度的判斷（5）電池的設計（6）反應速率與反應機理（7）表面張力與吸附2、3、4、5、6、7、8、9、103.材料物理化學基本技能的應用水平和綜合運用能力（1）不同過程△U、△H、△S、△A、△G、Q、W的應用，（2）熱力學證明與反應機理擬定（3）相圖應用和平衡計算（4）電池電動勢應用與計算（5）動力學計算與應用（6）表面化學與膠體化學的應用2、3、4、5、6、7、8、9、104.材料物理化學最新研究成果與發展趨勢的情況（1）材料物理化學的產生與發展（2）各類物理化學的新研究、新成果、新技術（3）電池的發展趨勢、各種催化劑的前沿（4）納米用途1、2、3、4、5、6、7、8、9、10課程目標21.是否樹立了正確的人生價值觀，具有社會責任感1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、136%1.課堂表現2.小組合作2.能否在新材料開發過程中，能夠自覺履行工程師對公眾的安全、健康和福祉的社會責任1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13課程目標31.參加協作學習情況1、2、3、4、5、6、7、8、9、1014%1.課堂表現2.小組合作2.團隊合作精神1、2、3、4、5、6、7、8、9、103.對工程管理原理與經濟決策方法的理解1、2、3、4、5、6、7、8、9、10表4-2課程目標與考核方式矩陣關系課程目標考核方式考核占比（此處需與上表基本一致）期末考試成績比例60%其中成績比例20%平時成績比例20%課程目標190%90%40%80%課程目標25%5%10%6%課程目標35%5%50%14%（二）成績評定1.平時成績評定（100分）（1）課堂表現（20%）：通過學生在課堂上的表現來評價學生對知識的認知情況及相關能力水平。包括課堂發言、提問、回答問題、測驗、練習等，每人每期參加上述課堂活動不得少于兩次，少于兩次者，課堂表現成績記為0分。（2）作業完成情況（60%）：圍繞課程的學習目標進行章節課后習題完成，主要衡量學生對理論知識的辨識、擴展情況及自主學習能力。主要考核學生綜合運用知識的能力、解決實際問題的能力和創新能力。（3）拓展與實踐（10%）：包括探究性學習、專題研討、模擬上課等。主要考查學生收集資料能力，研究設計能力，解決實際問題能力、合作學習能力、語言文字表達能力、教學設計能力和展示與匯報能力等。（4）素質考核（10%）：主要包括考勤、家國情懷、社會責任、學習態度、學習興趣、科學精神、創新精神與創新能力水平與終身學習意識。2.中期考試（100分）期中考試以開卷的方式進行，考查學生對前面所學知識的認識、理解情況和綜合運用知識解決實際問題的能力。3.期末成績評定（100分）期末考試以閉卷的方式進行。試題類型包括選擇、填空、證明、應用等多種題型。期末考試主要考察學生對基本理論、基礎知識和具體方法的理解與運用情況。要求學生掌握材料物理化學基礎知識的識記，原理、定律的理解，方法的具體應用；促進材料物理化學知識的系統化，提高材料物理化學知識應用能力，達到分析問題、解決問題能力；養成良好的學習習慣，把數學、物理學、化學、材料學有機的結合起來，并能融會貫通。主要內容為熱力學基本原理、熱力學應用、電化學、界面化學、動力學的基本理論和基本應用。4.總成績評定總成績應由平時考核成績和期末考核成績構成，其構成比例應科學合理。書寫格式：總成績（100%）=平時成績（20%）+期中成績×（10%）+期末成績×（70%）（三）評分標準課堂表現考核項目評分標準優秀(100>x≥90)良好(90>x≥80)中等(80>x≥70)及格(70>x≥60)不及格(x<60)課堂練習課堂測驗、回答問題正確，且能進行解釋課堂測驗、回答問題正確，但解釋不清楚課堂測驗、回答問題正確率超過80%課堂測驗、回答問題正確率超過50%課堂測驗、回答問題正確率不足50%提問與發言隨堂提出的問題，能準確呼應，提問、討論發言積極，思路清晰，問題有深度、有創新提問、討論發言積極，觀點基本正確，問題有深度、有創新，但不全面提問、討論發言觀點基本正確，但不全面提問、討論發言觀點有部分正確，或邏輯不嚴密提問、討論發言觀點錯誤，思路不清晰，邏輯不嚴密隨堂筆記記錄上課內容詳細，能對本書以外的參考書進行筆記的整理完善。書上也有對應補充記錄上課內容較詳細，能對課堂所講內容進行消化吸收。書上也有對應補充能及時記錄上課內容，對課堂所講內容進行消化吸收。在書上進行補充、完善，內容不是很全面記錄不全，或完全沒有記錄。課后作業考核項目評分標準優秀(100>x≥90)良好(90>x≥80)中等(80>x≥70)及格(70>x≥60)不及格(x<60)課后作業按時交作業，方法正確，思路清洗，解題準確率超過90%，書寫規范，無抄襲，態度端正按時交作業，方法正確，思路較清洗，解題準確率在80-90%，書寫基本規范，無抄襲，態度端正按時交作業，方法基本正確，思路較清洗，解題準確率在80-70%，書寫基本規范，無抄襲按時交作業，方法基本正確，思路較清洗，解題準確率在60-70%，書寫基本規范，有抄襲痕跡，態度不夠端正不按時交作業，方法混亂，思路模糊，解題準確率在低于60%，書寫不規范，有明顯抄襲，或有部分作業未完成。未提交作業記0分拓展和實踐考核項目評分標準優秀(100>x≥90)良好(90>x≥80)中等(80>x≥70)及格(70>x≥60)不及格(x<60)儀態10%儀態自然大方；服裝整潔優雅；具有教師形象，能目視觀眾，不長時間盯著PPT或回頭看投影儀態自然大方；服裝整潔；能目視觀眾，不長時間盯著PPT或回頭看投影服裝整潔、儀態較大方，內容不很熟悉，有較多時間盯著PPT或回頭看投影服裝整潔，但儀態不夠自然、緊張；長時間看PPT或投影服裝不整潔，儀態不自然表達與邏輯20%聲音宏亮，吐字清晰；有引入、提要、總結，內容充實。對于中間的設計要點，闡述重點突出、邏輯清晰、詳略得當，無重復口語化表達聲音宏亮，吐字清晰，內容充實。對于中間的設計要點，闡述重點突出、邏輯清晰聲音宏亮，吐字清晰；能完整介紹匯報內容，重點比較突出，但邏輯性不夠清晰，有個別卡頓或口語重復聲音不夠宏亮，或吐字不夠清晰；內容完整，重點不突出，邏輯性不強，口語化表達嚴重不用普通話，聲音太小，或吐字不清晰；內容不完整，表達思路不清晰，邏輯混亂內容或觀點的可靠性40%內容準確或觀點正確，提出問題新穎，聯系學科前沿或實際應用，具有思辨性，有崇高情懷內容準確或