F7090 Termodynamika a statistická fyzika

Přírodovědecká fakulta
jaro 2008 - akreditace
Rozsah
3/2/0. 4 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: zk.
Vyučující
doc. RNDr. Aleš Lacina, CSc. (přednášející)
RNDr. Eva Kutálková, Ph.D. (cvičící)
Garance
doc. RNDr. Aleš Lacina, CSc.
Ústav fyziky a technologií plazmatu – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: doc. RNDr. Aleš Lacina, CSc.
Předpoklady
F4050 Úvod do fyziky mikrosvěta || F4060 Úvod do fyziky mikrosvěta
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je otevřen studentům libovolného oboru.
Cíle předmětu
Předmět je základním vysokoškolským kurzem termodynamiky a statistické fyziky. Na rozdíl od elementů těchto disciplin probíraných v kurzu Obecné fyziky (předmět Mechanika a molekulová fyzika) je založen ve svých obou částech na obecnějším gibbsovském přístupu - v části věnované termodynamice spočívá na metodě termodynamických potenciálů, výklad statistické fyziky vychází z obecné formulace kanonických rozdělení - což posléze umožňuje obě části spojit do integrované metody statistické termodynamiky. Předmět je koncipován především s ohledem na budoucí učitele fyziky: hlavní důraz klade na důkladné objasnění základních pojmů, představ a idejí termodynamiky a statistické fyziky; diskutuje nejen jejich vzájemné, ale i širší - fyzikálně-historické - souvislosti; analyzuje široký okruh aplikací vztahujících se zejména ke každodenní zkušenosti; uvádí různé možnosti výkladu a upozorňuje na možnosti a úskalí jejich elementarizace na středoškolskou úroveň. [Termodynamický stav a proces. Základní termodynamické postuláty. Základní rovnice termodynamiky a její důsledky. Termodynamické potenciály. Nevratné procesy. Podmínky rovnováhy. Fázové přechody. Mikroskopický stav systému. Fázový prostor. Časové a statistické středování. Ergodická hypotéza. Kanonická rozdělení a jejich aplikace. Maxwellovo, Maxwellovo-Boltzmannovo a Boltzmannovo rozdělení a jejich aplikace. Kvantové statistiky a jejich aplikace. Statistická interpretace termodynamiky. Metoda statistické termodynamiky. Statistická termodynamika na vysoké a střední škole.]
Osnova
  • 1. Základní pojmy a představy termodynamiky (makroskopický stav termodynamického systému, stavové parametry, nultá, první a druhá věta termodynamiky). 2. Rovnovážná termodynamika (teplota, stavové rovnice, tepelná kapacita, entropie, základní rovnice termodynamiky a její důsledky, termodynamické potenciály, třetí věta termodynamická). 3. Elementy nerovnovážné termodynamiky (nevratné procesy, relaxace termodynamických systémů, podmínky rovnováhy, fázová rovnováha, fázové přechody). 4. Základní pojmy a představy statistické fyziky (mikroskopický stav systémy, fázové prostory, časové středování, statistické středování, ergodická hypotéza, fluktuace). 5. Kanonická rozdělení (funkce statistického rozdělení jako integrál pohybu, mikrokanonické, kanonické a velké kanonické rozdělení, termodynamická ekvivalence kanonických rozdělení). 6. Aplikace kanonických rozdělení na klasické systémy (Maxwellovo, Boltzmannovo a Maxwellovo-Boltzmannovo rozdělení, ideální plyn v různých vnějších podmínkách, kinetická metoda odvození stavové rovnice ideálního plynu, ekvipartiční teorém a jeho aplikace, klasická teorie tepelných kapacit). 7. Statistická interpretace termodynamiky (funkce statistického rozdělení a entropie, statistická suma a její fyzikální význam, metoda statistické termodynamiky, statistický výpočet základních termodynamických veličin ideálního plynu, statistická interpretace entropie a teploty, statistická interpretace základních termodynamických postulátů). 8. Statistiky a jejich aplikace (kvantový ideální plyn, Boseho-Einsteinova, Fermiho-Diracova a Boltzmannova statistika, klasická statistika jako limitní případ statistik kvantových, zákony záření černého tělesa (fotony), tepelná kapacita pevných látek, kvantový model volných elektronů a jeho aplikace ve fyzice pevných látek). 9. Témata statistické termodynamiky na vysoké a střední škole (přehled nejfrekventovanějších způsobů prezentace a elementarizovaných postupů užívaných při středoškolské výuce partií termodynamiky a statistické fyziky a jejich kritický rozbor).
Literatura
  • LACINA, Aleš. Základy termodynamiky a statistické fyziky. 1. vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1990, 267 s. ISBN 8021001135. info
  • KITTEL, Charles a Herbert KROEMER. Thermal Physics. 2nd ed. New York: W.H. Freeman, 1980, 473 s. ISBN 0-7167-1088-9. info
  • REIF, F. Statistical physics. New York: McGraw-Hill Book Company, 1967, xxi, 398. info
  • KUBO, Ryogo. Termodinamika : sovremennyj kurs s zadačami i rešenijami. Translated by A. G. Baškirov - Je. Je. Tarejeva. Moskva: Mir, 1970, 304 s. info
  • KLVAŇA, František, Aleš LACINA a J. NOVOTNÝ. Sbírka příkladů ze statistické fyziky. 1. vyd. Brno: Rektorát UJEP, 1974, 169 s. info
Metody hodnocení
Výuka: klasická přednáška a klasické cvičení. Zkouška: písemná a ústní.
Informace učitele
Přístup ke zkoušce je pro posluchače denního studia podmíněn splněním požadavků stanovených ve cvičení: 1. Aktivní účast (max. 3 neúčasti). 2. Alespoň 60% úspěšnost na písemce ohlášené dva týdny předem (možnost dvou opravných termínů).*** Podmínky pro podání přihlášky ke zkoušce pro studenty kombinovaného studia: 1. Absolvování tří konzultací, v rámci nichž bude probrána logická struktura discipliny, okomentováno její zpracování v doporučené studijní literatuře a zadány požadavky pro samostatnou práci nahrazující cvičení (pokud je student neabsolvuje prezenčně spolu s posluchači denního studia). 2. Úspěšné absolvování dvou prezenčních kontrolních písemných prací shrnujících přibližně první třetinu, resp. první dvě třetiny sylabu předmětu.
Další komentáře
Předmět je dovoleno ukončit i mimo zkouškové období.
Předmět je vyučován každoročně.
Výuka probíhá každý týden.
Předmět je zařazen také v obdobích podzim 1999, jaro 2011 - akreditace, podzim 2000, jaro 2002, jaro 2003, jaro 2004, jaro 2005, jaro 2006, jaro 2007, jaro 2008, jaro 2009, jaro 2010, jaro 2011, jaro 2012, jaro 2012 - akreditace.