PředmětyPředměty(verze: 901)
Předmět, akademický rok 2021/2022
  
Termodynamika a statistická fyzika - NFUF302
Anglický název: Thermodynamics and Statistical Physics
Zajišťuje: Katedra didaktiky fyziky (32-KDF)
Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
Platnost: od 2021 do 2021
Semestr: zimní
E-Kredity: 7
Rozsah, examinace: zimní s.:3/2 Z+Zk [hodiny/týden]
Počet míst: neomezen
Minimální obsazenost: neomezen
Virtuální mobilita / počet míst: ne
Stav předmětu: vyučován
Jazyk výuky: čeština
Způsob výuky: prezenční
Garant: RNDr. Zdeňka Koupilová, Ph.D.
RNDr. Petr Kácovský, Ph.D.
Kategorizace předmětu: Fyzika > Učitelství fyziky
Neslučitelnost : NUFY094
Záměnnost : NUFY094
Je neslučitelnost pro: NUFY094
Je záměnnost pro: NUFY094
Anotace
Poslední úprava: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (22.01.2018)
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.
Cíl předmětu
Poslední úprava: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (19.01.2018)

Pochopení základních pojmů z termodynamiky (popis rovnovážných termodynamických systémů, vratné a nevratné procesy, hlavní zákony TD a jejich důsledky, stavové veličiny a stavové rovnice, entropie, tepelné stroje, otevřené systémy, fázové přechody) a základů statistické fyziky (statistický soubor, rozdělovací funkce, klasická a kvantová statistická rozdělení, vztah mezi zavedením stavových veličin v TD a SF) a aplikace uvedených zákonů na vybrané úlohy.

Podmínky zakončení předmětu
Poslední úprava: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (19.01.2018)

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.

Literatura
Poslední úprava: doc. RNDr. Jarmila Robová, CSc. (25.05.2022)
Materiály z výuky jsou sdíleny prostřednictvím systému Moodle, zapsaní studenti mají do kurzu v Moodle přidělen přístup. V případě dotazů kontaktujte vyučující.

Základní literatura:

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.

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

Doplňková literatura:

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

Metody výuky
Poslední úprava: RNDr. Petr Kácovský, Ph.D. (02.10.2020)

Výuka je integrovaná - cvičení a přednáška 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.

Požadavky ke zkoušce
Poslední úprava: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (19.01.2018)

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.

Sylabus
Poslední úprava: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (27.05.2022)
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).

Studijní opory
Poslední úprava: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (19.01.2018)

Elektronická sbírka úloh se strukturovaným řešením: http://www.fyzikalniulohy.cz/

 
Univerzita Karlova | Informační systém UK