Thermodynamics and Statistical Physics - NUFY094

• Title: Termodynamika a statistická fyzika
• Guaranteed by: Department of Physics Education (32-KDF)
• Faculty: Faculty of Mathematics and Physics
• Actual: from 2021
• Semester: winter
• E-Credits: 7
• Hours per week, examination: winter s.:3/2, C+Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: not taught
• Language: Czech
• Teaching methods: full-time
• Teaching methods: full-time
• Guarantor: RNDr. Zdeňka Koupilová, Ph.D.; RNDr. Vojtěch Kapsa, CSc.; RNDr. Petr Kácovský, Ph.D.
• Classification: Physics > Teaching
• Incompatibility : NFUF302
• Interchangeability : NFUF302
• Is incompatible with: NFUF302
• Is interchangeable with: NFUF302

Annotation

English

Last update: T_KDF (12.05.2014)

Lecture of fundamentals of thermodynamics and statistical physics for future physics teachers.

Czech

Last update: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (11.05.2018)

Cílem předmětu je pochopení základních pojmů z termodynamiky (popis rovnovážných termodynamických systémů, vratné a nevratné procesy, zákony TD a jejich důsledky, entropie, tepelné stroje, otevřené systémy, fázové přechody) a základů statistické fyziky (statistický soubor, rozdělovací funkce, kvantová statistická rozdělení, vztah mezi zavedením veličin v TD a SF) a aplikace na vybrané úlohy. Způsob probírání látky je přizpůsoben potřebám budoucích učitelů fyziky, důraz je kladen zejména na těsné propojení vysokoškolského a středoškolského přístupu k výkladu termodynamiky a jejich aplikací.

Aim of the course

English

Last update: T_KDF (12.05.2014)

The lecture is aimed at an understanding the basic concept of the equilibrium thermodynamics and a remark of the linear irreversible thermodynamics is given, with the explanation of the basic quantities and their connections. Particular accent is paid to the explanation of the basic ideas taking considering possible topics of teachers on secondary schools.

Czech

Last update: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (11.05.2018)

Cílem předmětu je pochopení základních pojmů z termodynamiky a základů statistické fyziky a jejich aplikace na vybrané úlohy.

Course completion requirements

Last update: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (11.05.2018)

Získání zápočtu - pro studenty prezenčního studia:

Studenti musí získat alespoň 70 % bodů z průběžně zadávaných domácích projektů

Studenti musí získat alespoň 70 % bodů z průběžně zadávaných konceptuálních úkolů.

Studenti píší v průběhu semestru dva předem ohlášené testy, přičemž z každého musí získat alespoň 70 % bodů. Pro každý test má student možnost využití dvou opravných termínů.

Získání zápočtu - pro studenty kombinovaného studia a kurzu CŽV:

Studenti musí získat alespoň 70 % bodů z průběžně zadávané domácí práce.

Studenti píší v průběhu semestru dva předem ohlášené testy, přičemž z každého musí získat alespoň 70 % bodů. Pro každý test má student možnost využití dvou opravných termínů.

Zkouška

Podmínkou pro konání zkoušky je získání zápočtu.

Zkouška probíhá ústní formou.

Zkoušku je možné opakovat v nejvýše dvou opravných termínech.

Požadavky u ústní části zkoušky odpovídají sylabu předmětu v rozsahu, který byl prezentován na přednášce.

Literature

English

Last update: T_KDF (15.04.2016)

Obdržálek J., Vaněk A.: Termodynamika a molekulová fyzika. UJEP Ústí n/L 1986

Kvasnica J.: Termodynamika. SNTL/SVTL 1965, 396s

Malijevský A., Novák J.P., Labík S., Malijevská I.: Breviář z fyzikální chemie I. VŠCHT Praha 1993, 142s

NOVÁK, Josef. Fyzikální chemie: bakalářský a magisterský kurz. Vyd. 1. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická, 2008, 2 sv.

Atkins, P.; de Paula J.: Fyzikální chemie. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, 2013

Atkins, P. Čtyři zákony

Blundell S.J., Blundell K. M.: Concepts in Thermal Physics, Oxford University Press, Oxford, 2006 Waldram J.R.: The Theory of Thermodynamics, Cambridge University Press, Cambridge, 1987

Kittel Ch., Kroemer H.: Thermal Physics, 2nd ed., W.H.Freeman, New York, 1980

Atkins P., de Paula J., Friedman R.: Quanta, Matter, and Change, W.H.Freeman, New York, 2009

Müller I.: A History of Thermodynamics, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2007

Czech

Last update: RNDr. Petr Kácovský, Ph.D. (02.10.2020)

Materiály z výuky jsou sdíleny prostřednictvím systému Moodle, zapsaní studenti mají do kurzu v Moodle přidělen přístup. V případě dotazů kontaktujte vyučující.

Obdržálek: Úvod do termodynamiky, molekulové a statistické fyziky, Praha : Matfyzpress, 2015, 1. vydání, ISBN 978-80-7378-287-0.

Obdržálek: Řešené příklady z termodynamiky, molekulové a statistické fyziky, Praha : Matfyzpress, 2015, 1. vydání, ISBN 978-80-7378-300-6.

Obdržálek J., Vaněk A.: Termodynamika a molekulová fyzika. UJEP Ústí n/L 1986

Kvasnica J. Termodynamika. SNTL/SVTL 1965

Kvasnica J. Statistická fyzika. Academia, Praha, 1998

NOVÁK, Josef. Fyzikální chemie: bakalářský a magisterský kurz. Vyd. 1. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická, 2008, 2 sv.

Atkins, P.; de Paula J.: Fyzikální chemie. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, 2013

Blundell S.J., Blundell K. M.: Concepts in Thermal Physics, Oxford University Press, Oxford, 2006 Waldram J.R.: The Theory of Thermodynamics, Cambridge University Press, Cambridge, 1987

Callen, H. B. Thermodynamics and an introduction to thermostatistics, 2nd ed. New York : Wiley, c1985

Doplňková literatura:
Atkins, P. Čtyři zákony, které řídí vesmír, 1. vyd., Praha : Academia, 2012

Malijevská I., Malijevský A., Novák J., Slavíček P. Záhady, klíče, zajímavosti očima fyzikální chemie, VŠCHT Praha, 2. vydání, 2013. ISBN 978-80-7080-824-5.

Teaching methods

Last update: RNDr. Petr Kácovský, Ph.D. (02.10.2020)

Výuka je integrovaná, přednášky a cvičení se prolínají.

Po dobu distanční výuky (ZS 2020/2021) probíhá výuka online prostřednictvím MS Teams, a to v časech daných rozvrhem. Zapsaní studenti byli o formě výuky informováni a přidáni do výukového týmu v MS Teams.

V případě dotazů kontaktujte vyučující předmětu.

Requirements to the exam

Last update: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (11.05.2018)

Získání zápočtu - pro studenty prezenčního studia:

Studenti musí získat alespoň 70 % bodů z průběžně zadávaných domácích projektů

Studenti musí získat alespoň 70 % bodů z průběžně zadávaných konceptuálních úkolů.

Studenti píší v průběhu semestru dva předem ohlášené testy, přičemž z každého musí získat alespoň 70 % bodů. Pro každý test má student možnost využití dvou opravných termínů.

Získání zápočtu - pro studenty kombinovaného studia a kurzu CŽV:

Studenti musí získat alespoň 70 % bodů z průběžně zadávané domácí práce.

Studenti píší v průběhu semestru dva předem ohlášené testy, přičemž z každého musí získat alespoň 70 % bodů. Pro každý test má student možnost využití dvou opravných termínů.

Zkouška

Podmínkou pro konání zkoušky je získání zápočtu.

Zkouška probíhá ústní formou.

Zkoušku je možné opakovat v nejvýše dvou opravných termínech.

Požadavky u ústní části zkoušky odpovídají sylabu předmětu v rozsahu, který byl prezentován na přednášce.

Syllabus

English

Last update: T_KDF (15.04.2016)

1. The aim and scope of thermodynamics (TD).

Fundamental concepts. Relations of TD to other fields.

2. Required mathematical knowledge.

Functions of many variables. Partial differentiation. Perfect differential. Pfaff's forms.

3. Zeroth law of TD.

Thermodynamic postulates, equilibrium state, relaxation processes. Empirical temperature. Measuring of temperature.

4. First law of TD and its consequences.

First law of TD, heat. Joule experiment. Ideal gas. Equations of state. Joule-Thompson experiment. Enthalpy. Polytrophic processes.

5. Second law of TD and its consequences.

Different formulations of the second law of TD. Carnot theorem, Carnot's cycle. Thermodynamic temperature. Entropy. Thermodynamic potentials, Maxwell's relations, "magic" square. Simple applications.

6. Third law of TD.

Different formulations of the third law of TD. Consequences of the third law.

7. Open systems and phase transitions.

Basic notions. Chemical reactions. Gibbs paradox. Equilibrium in homogeneous and heterogeneous system. Gibbs phase rule. Phase equilibrium, phase transitions and phase diagrams. Clausius-Clapeyron equation.

8. The subject of statistical physics (StPh) and basic concepts.

The relation of StPh to thermodynamics. Microstates and macrostates. The description of states of many-particle systems in classical Sph. The configuration, momentum and phase spaces. Phase trajectory. Phase volume.

9. The concept of statistical ensemble.

Distribution function. The time and ensemble mean values of physical quantities. Ergodical hypothesis. The Liouville's theorem and its consequences for the nature of distribution function.

10. Microcanonical, canonical and grand canonical distribution.

The relation between distributions. Statistical integral (partition function) and calculation of free energy and internal energy of the system. The relations of statistical to thermodynamical quantities. Maxwell and Maxwell-Boltzmann distributions. Grand canonical partition function. Chemical potential.

11. Entropy.

Statistical definition of entropy. The relation of entropy to phase volume and spectral density g(E). Connection between statistical and thermodynamic perception of entropy.

12. Quantum canonical distribution.

Implications of quantum mechanics and transition from classical to quantum StPh. Quasi-quantum view. Quantum partition function. Fermi-Dirac and Bose-Einstein distributions.

13. Applications.

Equations of state of perfect and imperfect gases. System of non-interacting harmonic oscillators. Equipartition theorem. Distribution function for particles in the field. Density distribution of a gas in the gravitational field. Energy mean value of system of noniteracting harmonic oscillators and two-energy-level systems. Blackbody radiation, photon gas and Planck’s law, comparison with classical physics. Heat capacity of crystals (Einstein’s and Debye’s model, comparison with classical model).

Czech

Last update: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (11.05.2018)

1. Předmět termodynamiky (TD) a statistické fyziky (SF).
Základní pojmy. Vztah TD a SF k příbuzným vědám.

2. Potřebný matematický aparát.
Funkce více proměnných, implicitní funkce, parciální a úplná derivace, totální diferenciál. Pfaffovy formy.

3. Nultý termodynamický zákon
Termodynamické postuláty, rovnovážný stav. Relaxace, empirická teplota, měření teploty.

4. První zákon TD a jeho důsledky
První zákon TD, teplo. Kalorimetrická rovnice. Vedení tepla. Joulův pokus. Stavová rovnice kalorická a termická. Polytropické děje. Ideální a reálný plyn. Joulův-Thomsonův pokus. Entalpie. Konkrétní použití v systémech různého typu.

5. Druhý zákon TD a jeho důsledky
Různé formulace druhého zákona TD. Carnotova věta, Carnotův cyklus. Termodynamická teplota. Entropie. Termodynamické potenciály, Maxwellovy vztahy, „magický čtverec“. Aplikace na jednoduché systémy.

6. Třetí zákon TD.
Různé formulace třetího zákona TD. Důsledky třetího zákona TD.

7. Otevřené systémy a fázové přechody
Základní pojmy. Chemický potenciál. Gibbsův paradox. Rovnováha v homogenním systému s jedinou složkou. Rovnováha v heterogenním systému. Gibbsovo pravidlo fází. Fázová rovnováha, fázové přechody 1. a 2. druhu, fázové diagramy. Clausiova-Clapeyronova rovnice.

8. Základní pojmy SF.
Mikrostav a makrostav. Popis stavu systému velkého počtu částic v klasické SF. Konfigurační, impulsový a fázový prostor. Fázové trajektorie. Ekvienergetická nadplocha. Fázový objem.

9. Zavedení statistického souboru.
Rozdělovací funkce. Časová střední hodnota fyzikální veličiny a střední hodnota přes systémy souboru. Ergodický problém. Liouvilleův teorém a jeho důsledky pro charakter rozdělovací funkce.

10. Mikrokanonické, kanonické rozdělení a velké kanonické rozdělení.
Vzájemná souvislost uvedených rozdělení. Statistický integrál (stavový integrál, partiční funkce) a vyjádření volné energie a vnitřní energie systému. Souvislost statistických a termodynamických veličin. Velký statistický integrál. Chemický potenciál.

11. Entropie.
Statistická interpretace entropie. Souvislost entropie, fázového objemu a spektrální hustoty g(E). Propojení mezi pojetím entropie ve statistické fyzice a pojetím v termodynamice.

12. Kvantové rozdělení.
Důsledky kvantové mechaniky a přechod od klasické ke kvantové SF. Statistická suma (stavová suma, partiční funkce). Fermiho-Diracovo a Boseho-Einsteinovo rozdělení.

13. Vybrané aplikace
Např.: Stavová rovnice ideálního a neideálního plynu. Systém neinteragujících harmonických oscilátorů. Ekvipartiční teorém. Rozdělovací funkce pro systém částic v silovém poli. Rozdělení hustoty plynu v gravitačním poli. Střední hodnota energie systému harmonických oscilátorů a dvouhladinových systémů. Záření absolutně černého tělesa, fotonový plyn a Planckův vyzařovací zákon, porovnání s klasickou fyzikou. Tepelná kapacita víceatomového plynu. Tepelná kapacita krystalu (Einsteinův a Debyeův model, porovnání s klasickým modelem).