PředmětyPředměty(verze: 882)
Předmět, akademický rok 2020/2021
  
Termodynamika a statistická fyzika - NOFY031
Anglický název: Thermodynamics and Statistical Physics
Zajišťuje: Kabinet výuky obecné fyziky (32-KVOF)
Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
Platnost: od 2020 do 2020
Semestr: zimní
E-Kredity: 7
Rozsah, examinace: zimní s.:3/2 Z+Zk [hodiny/týden]
Počet míst: neomezen
Minimální obsazenost: neomezen
Stav předmětu: vyučován
Jazyk výuky: čeština
Způsob výuky: prezenční
Garant: prof. RNDr. Petr Chvosta, CSc.
RNDr. Artem Ryabov, Ph.D.
Kategorizace předmětu: Fyzika > Předměty obecného základu
Neslučitelnost : NTMF043
Záměnnost : NTMF043
Je neslučitelnost pro: NOFY036, NTMF043
Je záměnnost pro: NTMF043
Anotace -
Poslední úprava: T_KVOF (20.05.2005)
Přednáška obsahuje základní partie obecné fenomenologické termodynamiky a statistické fyziky. V první části je podána axiomatická výstavba rovnovážné termodynamiky založená na třech hlavních termodynamických větách a jejich důsledcích. Studují se vlastnosti vratných a nevratných termodynamických procesů. V druhé části přednášky je rozpracován statistický přístup ke studiu mikroskopicky definovaných klasických a kvantových mnohačásticových systémů.
Cíl předmětu -
Poslední úprava: prof. RNDr. Petr Chvosta, CSc. (13.10.2017)

Přednáška obsahuje základní partie obecné fenomenologické termodynamiky a statistické fyziky.

V první části je podána axiomatická výstavba rovnovážné termodynamiky založená na třech hlavních termodynamických větách a jejich důsledcích. Studují se vlastnosti vratných a nevratných termodynamických procesů. V druhé části přednášky je rozpracován statistický přístup ke studiu mikroskopicky definovaných klasických a kvantových mnohačásticových systémů.

Podmínky zakončení předmětu
Poslední úprava: prof. RNDr. Petr Chvosta, CSc. (24.09.2020)

Zisk zápočtu je podmínkou pro konání zkoušky.

Podmínky pro zisk zápočtu jsou tyto:

1) Cvičení budou vedena distančně, přes aplikaci ZOOM. Během každého jednotlivého cvičení budou řešeny tři až čtyři konkrétní příklady.

Po ukončení daného jednotlivého distančně vedeného cvičení zpracuje student písemně probírané příklady (stačí ručně) a odešle je nejpozději do dalšího cvičení

(tj. nejpozději do týdne) svému vedoucímu cvičení. Vedoucí cvičení vede příslušný přehled o obdržených dokumentech. Student takto zpracuje alespoň 70% cvičení.

2) Zisk alespoň 8 bodů z možných 12 bodů z písemky z termodynamiky. Písemka proběhne zhruba v druhé polovině listopadu.

3) Zisk alespoň 8 bodů z možných 12 bodů z písemky ze statistické fyziky. Písemka proběhne zhruba v první polovině ledna.

U každé z uvedených dvou písemek má student právo na jeden řádný termín a dva opravné termíny. Řádný termín proběhne v době, kdy je cvičení rozvrhováno.

Termíny opravných pokusů určují vedoucí cvičení. Písemky se organizují prezenčně v desetičlenných skupinách.

Literatura
Poslední úprava: Mgr. Petr Jedelský (21.02.2019)
Termodynamika:
  • Callen, H. B.: Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, John Wiley & Sons, Inc., New York (1985).
  • Bazarov, I. P.: Termodynamika. Vysšaja škola, Moskva (1976).
  • Leontovič, I. P.: Úvod do termodynamiky. ČSAV, Praha (1957).
  • Kvasnica, J.: Termodynamika. SNTL, Praha (1965).
  • Debigh, K.: Základy chemické termodynamiky. SNTL, Praha (1965).
  • Kubo, R.: Thermodynamics. An advanced course with problems and solutions. North Holland, Amsterdam (1968).
  • Honig, J. M.: Thermodynamics. Principles characterizing physical and chemical processes. Elsevier, Amsterdam (1982).
  • Brdička, R., Kalousek, M., Schutz A.: Úvod do fyzikální chemie. SNTL, Praha (1972).
Statistická fyzika:
  • Kvasnica, J.: Statistická fyzika. Academia, Praha (1983).
  • Levič, V. G.: Úvod do statistické fyziky. ČSAV, Praha (1954).
  • Reif, F.: Fundamentals of statistical and thermal physics. McGraw-Hill, New York (1965).
  • Plischke, B., Bergersen, B.: Equilibrium statistical physics. 2. vydání, World Scientific, Singapore (1994).
  • Beiser, A.: Úvod do moderní fyziky. Praha, Academia (1975).
  • Kubo, R.: Statistical mechanics. North-Holland, Amsterdam (1965).
Videozáznamy přednášek
Metody výuky
Poslední úprava: prof. RNDr. Petr Chvosta, CSc. (13.10.2017)

přednáška + cvičení

Požadavky ke zkoušce
Poslední úprava: prof. RNDr. Petr Chvosta, CSc. (24.09.2020)

Zkouška je ústní.

Požadavky ke zkoušce odpovídají sylabu předmětu v rozsahu, který byl prezentován na přednášce.

Probíraná látka je shrnuta do dvanácti tematických okruhů. Z nich šest spadá do termodynamiky a šest do statistické fyziky.

Hodem dvěma hracími kostkami si student zvolí dva tematické okruhy. Jeden spadá do termodynamiky a jeden do statistické fyziky.

Student má přiměřenou dobu na přípravu rozpravy o zvolených tématech.

Sylabus -
Poslední úprava: doc. RNDr. Helena Valentová, Ph.D. (05.01.2018)

A. Termodynamika

A.1. Základní pojmy

Stav termodynamické soustavy, vnitřní a vnější stavové parametry, stavové funkce.

Adiabatická izolace. Teplo, tepelná kapacita, specifické teplo, latentní

teplo, termodynamické koeficienty. Vzájemná tepelná rovnováha, empirická teplota.

Termická a kalorická stavová rovnice, příklady stavových rovnic (ideální plyn, Van der Waalsova

stavová rovnice, ideální paramagnet, elastické kontinuum, rovnovážné záření).

Vratné a nevratné procesy, definice a příklady. Polytropické procesy.

A.2. Hlavní termodynamické věty

Diferenciály stavových funkcí, diferenciál tepla jako Pfaffova forma, podmínky

integrability. První hlavní věta termodynamiky, vnitřní energie.

Formulace druhé hlavní věty pro vratné a pro nevratné procesy, Clausiova nerovnost.

Carnotův cyklus v P-V diagramu a T-S diagramu. Účinnost Carnotova cyklu.

Termodynamické zavedení absolutní teploty a entropie. Princip maximální práce.

Nernstova-Planckova věta a její důsledky.

A.3. Termodynamické potenciály a jejich praktické použití

Analytická formulace termodynamiky: potenciály, přirozené nezávislé proměnné,

Legendreova transformace. Fyzikální význam a příklady výpočtu U, F, H, a G.

Gibbsovy-Helmholtzovy rovnice. Maxwellovy relace. Vztah mezi termickou a

kalorickou stavovou rovnicí. Rozpínání plynu do vakua, Joulův-Thomsonův jev.

Směsná entropie a Gibbsův paradox. Tepelné kapacity.

A.4. Fázové změny a chemická rovnováha

Podmínky rovnováhy a stability, termodynamické nerovnosti. Klasifikace fázových

přechodů. Chemický potenciál, výpočet pro ideální plyn. Ehrenfestovy rovnice.

Clausiova-Clapeyronova rovnice. Landauova teorie, kritické stavy, termodynamické

vztahy mezi kritickými exponenty. Gibbsovo fázové pravidlo, příklady fázových diagramů.

Chemická rovnováha, afinita, stechiometrické koeficienty. Reakční teplo,

zákon působících hmot.

A.5. Vybrané aplikace rovnovážné termodynamiky

Adiabatické ochlazování. Povrchové napětí. Termodynamika elektromagnetického

záření. Termodynamika dielektrik a magnetik, izotermická a adiabatická susceptibilita.

Termodynamika elastických těles.

B. Statistická fyzika

B.1. Cíle a prostředky statistického popisu

Makroskopická, mezoskopická a mikroskopická úroveň popisu. Popis stavu systému,

čisté a smíšené stavy, fázový prostor. Rozdělovací funkce a matice hustoty,

Liouvilleova rovnice, její řešení pro klasický harmonický oscilátor a pro

kvantový dvouhladinový systém. Ergodický princip. Informační entropie,

statistická definice entropie, Boltzmannův vztah pro entropii. Náhodná bloudění

a Brownův pohyb, Langevinova rovnice. Relaxační procesy, Ehrenfestův model, statistický

pohled na nevratnost.

B.2. Gibbsovy rovnovážné soubory

Mikrokanonické rozdělení, rozdělovací funkce. Boltzmannův vztah pro entropii.

Metoda maximální entropie. Kanonické rozdělení, fluktuace vnitřní energie,

stavová suma. Příklady souborového středování, mikroskopické odvození stavových rovnic.

Soubory s proměnným počtem částic, grandkanonický soubor. T-P soubor.

B.3. Klasický ideální a reálný plyn

Maxwellovo-Boltzmannovo rozdělení, ekvipartiční a viriálový teorém.

Neideální plyn, viriálový rozvoj. Van der Waalsova stavová rovnice.

Langevinův model paramagnetismu.

B.4. Kvantové soubory neinteragujících částic

Princip nerozlišitelnosti a jeho důsledky, Gibbsův paradox. Bose-Einsteinovo rozdělení,

kondenzace plynu bosonů, záření absolutně černého tělesa. Měrná tepla pevných

látek---příspěvek kmitů mříže. Fermiho-Diracovo rozdělení, degenerovaný plyn elektronů,

jeho vnitřní energie a tepelná tepelná kapacita. Klasická limita kvantových rozdělení.

 
Univerzita Karlova | Informační systém UK