F6040 Termodynamika a statistická fyzika

Přírodovědecká fakulta
podzim 2023
Rozsah
3/2/0. 4 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: zk.
Vyučující
prof. Mgr. Jiří Krtička, Ph.D. (přednášející)
Mgr. Michal Kajan (cvičící)
Garance
prof. Mgr. Jiří Krtička, Ph.D.
Ústav teoretické fyziky a astrofyziky – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: prof. Mgr. Jiří Krtička, Ph.D.
Dodavatelské pracoviště: Ústav teoretické fyziky a astrofyziky – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
St 15:00–16:50 F3,03015, Čt 8:00–9:50 F2 6/2012, Čt 11:00–11:50 F4,03017
Předpoklady
( F4120 Teoretická mechanika && F4090 Elektrodyn. a teorie rel. )||( F4100 Úvod do fyziky mikrosvěta )||( F4050 Úvod do fyziky mikrosvěta )
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Hlavním cíle kurzu je porozumění základům termodynamiky a statické fyziky. Výklad základních termodynamických veličin a pojmů je založen na jejich statistické interpretaci. Stejně tak jsou základní termodynamické věty v úvodu odvozeny pomocí statistické fyziky. Termodynamické věty jsou aplikovány na jednotlivé fyzikální případy. Jsou odvozena základní rozdělení statistické fyziky a uvedeny jejich hlavní aplikace.
Výstupy z učení
Student bude po absolvování předmětu schopen:
-aplikovat základní termodynamické věty na různé fyzikální problémy;
-odvodit vztahy mezi jednotlivými termodynamickými veličinami;
-aplikovat kanonické a grandkanonické rozdělení na jednoduché fyzikální případy.
Osnova
  • 1. Základní pojmy termodynamické fenomenologie. Popis systémů mnoha částic. Stav a proces. Termodynamická rovnováha.
  • 2. První věta termodynamická. Síla, práce a teplo. Adiabatický proces. Kvazistatický a vratný proces.
  • 3. Teplota a entropie. Druhá věta termodynamická.
  • 4. Třetí věta termodynamická. Tepelná kapacita. Procesy v ideálním plynu.
  • 5. Termodynamické potenciály (energie, volná energie, entalpie, Gibbsův potenciál). Maxwellovy relace.
  • 6. Měření makroskopických parametrů (teplota, tepelná kapacita, kompresibilita) a vztahy mezi nimi.
  • 7. Volná expanze plynu do vakua. Jouleův-Thomsonův jev.
  • 8. Tepelné stroje. Důsledky 3. věty termodynamické.
  • 9. Podmínky rovnováhy a stability termodynamických systémů. Závislost termodynamických veličin na množství hmoty. Zákon působících hmot.
  • 10. Fázové přechody. Klasifikace fázových přechodů. Fázové přechody prvního druhu, fázový diagram.
  • 11. Termodynamické vlastnosti magnetik.
  • 12. Fluktuace.
  • 13. Mikrokanonické rozdělení.
  • 14. Kanonické rozdělení. Hustota stavů. Maxwellův-Boltzmannův plyn. Viriálový a ekvipartiční teorém.
  • 15. Grandkanonické rozdělení. Boseho-Einsteinovo rozdělení. Fermiho-Diracovo rozdělení.
Literatura
  • REIF, F. Fundamentals of statistical and thermal physics. Auckland: McGraw-Hill, 1965, x, [10]. ISBN 007085615X. info
  • KVASNICA, Jozef. Termodynamika. Vyd. 1. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1965, 394 s. info
  • Thermal physics. Edited by Ralph Baierlein. 1st publ. Cambridge: Cambridge University Press, 1999, xiii, 442. ISBN 0-521-59082-5. info
  • KVASNICA, Jozef. Statistická fyzika. 2. vyd. Praha: Academia, 1998, 314 s. ISBN 8020006761. info
  • FERMI, Enrico. Termodinamika. Izd. 2-oje, stereotipnoje. Char'kov: Izdatel'stvo Char'kovskogo universiteta, 1973, 136 s. info
  • KONDEPUDI, Dilip a Ilya PRIGOGINE. Modern thermodynamics : from heat engines to dissipative structures. Chichester: John Wiley & Sons, 1998, xvii, 486. ISBN 0-471-97393-9. info
  • LEONTOVIČ, Michail Aleksandrovič. Úvod do thermodynamiky. 1. vyd. Praha: Nakladatelství Československé akademie věd, 1957, 191 s. info
  • LANDAU, Lev Davidovič a Jevgenij Michajlovič LIFŠIC. Statistical physics. Translated by J. B. Sykes - M. J. Kearsley. 3rd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2001, xvii, 544. ISBN 0-7506-3372-7. info
Výukové metody
Přednášky a cvičení. Zadání příkladů ze cvičení je možné získat na adrese http://www.physics.muni.cz/~krticka/vyuka.html
Metody hodnocení
Zkouška má písemnou a ústní část. Studenti jsou hodnoceni na základě výsledků obou částí zkoušky. Zkoušku je možné uskutečnit prezenčně i distančně. Účast na zkoušce je umožněna studentům, kteří získají alespoň 50 % bodů ze zápočtové písemky. Studenti, kteří získají menší počet bodů musí vypracovat náhradní příklady.
Během ústní části zkoušky si student losuje jednu z následujících otázek:
1. Základní pojmy termodynamické fenomenologie. Popis systémů mnoha částic (mikrostav a makrostav). Stav a proces (stavové a nestavové veličiny). Termodynamická rovnováha. Směřování systému k rovnováze. Princip stejné pravděpodobnosti a jeho užití ve statistické fyzice.
2. První věta termodynamická. Síla, práce a teplo. Adiabatický proces. Kvazistatický a vratný proces. Souvislost s počtem dosažitelných stavů.
3. Statistická definice teploty a entropie. Stavové rovnice. Druhá věta termodynamická a její různé formulace.
4. Třetí věta termodynamická a její důsledky. Tepelná kapacita. Klasický ideální plyn a procesy v ideálním plynu.
5. Termodynamické potenciály (energie, volná energie, entalpie, Gibbsův potenciál, Landaův potenciál). Maxwellovy relace. Měření makroskopických parametrů (energie, teplo, teplota, tepelná kapacita, kompresibilita) a vztahy mezi nimi.
6. Volná expanze plynu do vakua. Jouleův-Thomsonův proces.
7. Tepelné stroje (pracovní stroje, chladící zařízení, tepelná čerpadla). Podmínky rovnováhy a stability termodynamických systémů.
8. Závislost termodynamických veličin na množství hmoty. Zákon působících hmot. Fázové přechody. Klasifikace fázových přechodů. Fázové přechody prvního druhu, fázový diagram. Clausiova-Clapeyronova rovnice.
9. Fluktuace: příčiny existence fluktuací, popis fluktuací, fluktuace energie, fluktuace v soustavě s konstantním tlakem a teplotou.
10. Mikrokanonické rozdělení. Kanonické rozdělení: odvození, pravděpodobnost realizace mikrostavu, statistická suma, výpočet středních hodnot veličin, souvislost s první větou termodynamickou.
11. Hustota stavů. Aplikace kanonického rozdělení: harmonický oscilátor, Maxwellův-Boltzmannův plyn. Odvození Maxwellova-Boltzmannova zákona rozdělení rychlostí. Výpočet středních hodnot veličin.
12. Velké kanonické rozdělení: odvození, pravděpodobnost realizace mikrostavu, grandkanonická statistická suma, výpočet středních hodnot veličin, souvislost s první větou termodynamickou. Neinteragující kvantový plyn, Boseho-Einsteinovo a Fermiho-Dirackovo rozdělení.
Navazující předměty
Další komentáře
Studijní materiály
Nachází se v prerekvizitách jiných předmětů
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2008 - akreditace, jaro 2011 - akreditace, jaro 2000, jaro 2001, 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, jaro 2013, jaro 2014, jaro 2015, jaro 2016, jaro 2017, jaro 2018, podzim 2018, podzim 2019, podzim 2020, podzim 2021, podzim 2022, podzim 2024.