Termodynamika a statistická fyzika - NAFY009

• Anglický název: Thermodynamics and Statistical Physics
• Zajišťuje: Katedra fyziky kondenzovaných látek (32-KFKL)
• Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
• Platnost: od 2023
• Semestr: letní
• E-Kredity: 6
• Rozsah, examinace: letní s.:3/2, Z+Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: nevyučován
• Jazyk výuky: čeština
• Způsob výuky: prezenční
• Způsob výuky: prezenční
• Poznámka: povolen pro zápis po webu
• Garant: prof. RNDr. Roman Grill, CSc.; doc. RNDr. Ivo Křivka, CSc.; Ján Šomvársky, CSc.

Anotace

čeština

Poslední úprava: T_KFES (22.04.2009)

Základní pojmy a postuláty termodynamiky (TD), rovnovážné TD systémy, vratné a nevratné procesy. První a druhý zákon TD, entropie a absolutní teplota. Stavové veličiny a stavové rovnice (materiálové vztahy). Termodynamické potenciály. Tepelné stroje. Chemická rovnováha. Fázové přechody. Třetí zákon TD. Základní pojmy statistické fyziky (SF). Statistické soubory, rozdělovací funkce, Boltzmannovo rozdělení. Statistický výpočet termodynamických veličin. Kinetická teorie plynů. Vybrané aplikace.

angličtina

Poslední úprava: T_KFES (28.04.2016)

Basic concepts and postulates of thermodynamics (TD), equilibrium TD systems, reversible and irreversible processes. 1st and 2nd Law of TD, entropy and absolute temperature. State quantities and state equations (material relations). Thermodynamic potentials. Heat engines. Chemical equilibrium. Phase transitions. 3rd Law of TD. Basic concepts of statistical physics (SP). Statistical ensembles, distribution function, Boltzmann distribution. Statistical calculation of thermodynamic quantities. Kinetic theory of gases. Selected applications.

Cíl předmětu

Poslední úprava: KRIVKA/MFF.CUNI.CZ (18.05.2010)

Přednáška propojuje elementární partie fenomenologické termodynamiky a statistické fyziky se souvisejícími oblastmi kinetické teorie plynů a molekulové fyziky.

Podmínky zakončení předmětu

Poslední úprava: doc. RNDr. Ivo Křivka, CSc. (11.10.2017)

Zápočet ze cvičení k tomuto předmětu je nutnou podmínkou pro přistoupení ke zkoušce.

Podmínky pro udělení zápočtu:

1) Účast na alespoň 70% cvičení.

2) Zisk alespoň 18 bodů z možných 25 bodů z písemky z termodynamiky.

3) Zisk alespoň 18 bodů z možných 25 bodů z písemky z molekulové fyziky a statistické fyziky.

U každé z těchto dvou písemek má student právo na jeden řádný a dva opravné termíny.

Povaha kontroly splnění podmínek pro udělení zápočtu vylučuje opakování této kontroly, tedy zápočet se opakovat nedá.

Literatura

čeština

Poslední úprava: KRIVKA/MFF.CUNI.CZ (18.05.2010)

R. Bakule, E. Svoboda : Molekulová fyzika, Academia, Praha, 1992

J. Obdržálek, A. Vaněk: Termodynamika a molekulová fyzika, skriptum, PF Ústí n.L., 2000

A. Beiser: Úvod do moderní fyziky, Academia, Praha, 1975

R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands: Feynmanovy přednášky z fyziky I, Fragment, Praha, 2000

D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Fyzika, český překlad VUTIUM Brno a Prometheus Praha, 2001

Pro hlubší studium:

J. Kvasnica: Termodynamika, SNTL, Praha, 1965

J. Kvasnica: Statistická fyzika, Academia, Praha, 1983

H. B. Callen: Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, John Wiley & Sons, 1985

angličtina

Poslední úprava: doc. RNDr. Ivo Křivka, CSc. (10.05.2019)

R. Bakule, E. Svoboda : Molekulová fyzika, Academia, Praha, 1992

J. Obdržálek, A. Vaněk: Termodynamika a molekulová fyzika, skriptum, PF Ústí n.L., 2000

A. Beiser: Úvod do moderní fyziky, Academia, Praha, 1975

R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands: Feynmanovy přednášky z fyziky I, Fragment, Praha, 2000

D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Fyzika, český překlad VUTIUM Brno a Prometheus Praha, 2001

Pro hlubší studium:

J. Kvasnica: Termodynamika, SNTL, Praha, 1965

J. Kvasnica: Statistická fyzika, Academia, Praha, 1983

H. B. Callen: Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, John Wiley & Sons, 1985

Metody výuky

Poslední úprava: doc. RNDr. Ivo Křivka, CSc. (13.06.2019)

přednáška + cvičení

Požadavky ke zkoušce

Poslední úprava: doc. RNDr. Ivo Křivka, CSc. (12.10.2017)

Zkouška je ústní. Požadavky odpovídají sylabu předmětu v rozsahu, který byl prezentován na přednášce.

Sylabus

čeština

Poslední úprava: T_KFES (29.04.2016)

Základní pojmy TD.

Termodynamická soustava, stav, stavové veličiny a stavové rovnice, vnitřní a vnější parametry.

Rovnovážný stav, rovnovážný děj.

Vratné a nevratné děje.

Vzájemná tepelná rovnováha.

Teplota a empirická teplota.

Měření teploty.

První termodynamický zákon.

Vnitřní energie a její změny.

Práce. Teplo. Adiabatické procesy.

Diferenciály stavových funkcí, diferenciální formy, podmínky integrability.

Tepelná kapacita.

Měření tepla.

Druhý termodynamický zákon.

Kruhový děj.

Tepelné stroje.

Carnotův cyklus.

Účinnost Carnotova cyklu.

Termodynamická teplotní stupnice.

Clausiova nerovnost.

Entropie.

Aplikace termodynamických zákonů.

Termodynamické potenciály a jejich aplikace.

Legendrovy transformace, fyzikální význam a výpočty potenciálů.

Maxwellovy vztahy.

Ideální a van der Waalsův plyn.

Vztah mezi kalorickou a termickou stavovou rovnicí, termodynamické koeficienty.

Rovnice izotermy, adiabaty, rovnice polytropy.

Změna teploty při rozpínání plynu do vakua, Joulův pokus. Joulův-Thomsonův jev, zkapalňování plynů.

Chemický potenciál, výpočty pro ideální plyn.

Třetí termodynamický zákon a jeho důsledky.

Adiabatická demagnetizace.

Termodynamika vícefázových a vícesložkových systémů.

Fáze, fázové přechody.

Gibbsovo pravidlo fází. Fázový diagram.

Fázový přechod prvního druhu. Clausiova-Clapeyronova rovnice.

Fázový přechod druhého druhu. Ehrenfestovy rovnice.

Skupenské přechody.

Chemická rovnováha.

Kinetická teorie.

Základy statistického popisu.

Molekulární chaos, Brownův pohyb.

Maxwellovo rozdělení částic podle velikosti rychlostí.

Ekvipartiční teorém.

Mikroskopická interpretace tlaku a teploty.

Střední charakteristiky pohybu molekul (střední rychlost, střední volná dráha, střední počet srážek).

Transportní jevy v plynech (difúze, vnitřní tření, tepelná vodivost).

Van der Waalsovy síly.

Základní pojmy SF.

Popis stavu systému velkého počtu částic v klasické SF.

Mikrostav a makrostav.

Konfigurační, impulsový a fázový prostor.

Zavedení statistického souboru.

Rozdělovací funkce.

Časová střední hodnota fyzikální veličiny a střední hodnota přes systémy souboru.

Ergodický princip.

Důsledky kvantové mechaniky a přechod od klasické ke kvantové SF.

Stavová suma (partiční funkce) a vyjádření volné energie a vnitřní energie systému.

Statistická definice entropie.

Statistické soubory: Mikrokanonický, kanonický a grandkanonický.

Statistická rozdělení: Fermi-Diracovo, Bose-Einsteinovo a Maxwell-Boltzmannovo. Fermiony a bosony.

Statistické výpočty: Fotonový plyn a Planckův vyzařovací zákon. Tepelná kapacita krystalu, fonony (Einsteinův a Debyeův model).

angličtina

Poslední úprava: T_KFES (29.04.2016)

Basics of thermodynamics.

Thermodynamic system and its equilibrium. Description of state, state functions, internal and external state parameters. Equations of state.

Equilibrium and non-equilibrium processes.

Reversible and irreversible processes.

Thermodynamic equilibrium, empirical temperature.

Temperature measurement devices.

The first law of thermodynamics.

Internal energy and its transformations.

Work, heat, adiabatic process.

Differentials of the functions of state, Pfaffian differential forms, conditions of integrability.

Heat capacity, latent heat.

Heat measurement techniques.

The second law of thermodynamics.

Cyclic processes.

Heat machines.

Carnot cycle.

Efficiency of the Carnot machine.

Thermodynamic temperature.

Clausius inequality.

Entropy.

Applications of thermodynamic laws.

Thermodynamic potentials and their applications.

Legendre transformation, physical meaning and calculation of the potentials.

Maxwell relations.

Ideal gas, van der Waals gas.

Relation between the thermal and the caloric equation of state, thermodynamics coefficients.

Equations of isothermic and adiabatic processes. Polytropic processes.

Expansion into vacuum, Joule-Kelvin expansion. Joule-Thomson process, gas condesation.

Chemical potential, its calculation for the ideal gas.

The third law of thermodynamics and its consequences.

Adiabatic demagnetization.

Thermodynamics of systems with several phases or components.

Phases, phase transitions.

Gibbs phase rule, examples of phase diagrams.

First-order phase transitions. Clausius-Clapeyron equation.

Second-order phase transitions. Ehrenfest equations.

State transitions.

Chemical equilibrium.

Molecular-kinetic theory of matter.

Basics of a statistical description.

Molecular chaos, Brownian motion.

Maxwell-Boltzmann distribution.

Equipartition theorem.

Pressure and temperature,

Mean molecular characteristics (average velocity, mean free path, collision frequency).

Transport phenomena (diffusion, thermal conductivity, internal friction).

Van der Waals interactions.

Basics of statistical physics.

Classic description of many particle system in statistical mechanics.

Macroscopic and microscopic description of the physical state.

Phase space.

Basic tools of statistical description.

Distribution function.

Ergodic principle.

The role of quantum mechanics. Semi-quantum statistical description.

Partition function. Calculation of the state sum, the internal energy and the Helmholtz free energy.

Boltzmann formula for the entropy.

Statistical ensambles: Microcanonical ensemble, canonical ensemble and grand canonical ensamble.

Statistical distributions: Fermi-Dirac, Bose-Einstein and Maxwell-Boltzmann. Fermions and bosons.

Statistical calculations: Photon gas and Planck law for the thermal radiation. Heat capacity of a solid, phonons (Einstein and Debye models).