Termodynamika a statistická fyzika I - NTMF043

• Anglický název: Thermodynamics and Statistical Physics I
• Zajišťuje: Ústav teoretické fyziky (32-UTF)
• Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
• Platnost: od 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
• Další informace: http://utf.mff.cuni.cz/vyuka/NTMF043
• Garant: RNDr. Přemysl Kolorenč, Ph.D.; RNDr. Karel Netočný, Ph.D.
• Kategorizace předmětu: Fyzika > Teoretická a matematická fyzika
• Neslučitelnost : NOFY031
• Záměnnost : NOFY031
• Je neslučitelnost pro: NOFY036, NOFY031
• Je záměnnost pro: NOFY031

Anotace

čeština

Poslední úprava: doc. RNDr. Karel Houfek, Ph.D. (14.05.2019)

Základní pojmy termodynamiky, empirická teplota; první a druhý termodynamický zákon, entropie, absolutní teplota; termodynamické potenciály a Maxwellovy vztahy; třetí termodynamický zákon; systémy s vice fázemi a chemická rovnováha. Základy teorie pravděpodobnosti, rozdělovací funkce ve fázovém prostoru, rovnovážná statistická rozdělení, statistická termodynamika. Pro 3. roč.

angličtina

Poslední úprava: T_UTF (15.05.2012)

Basic concepts of thermodynamics, empirical temperature, the first and second law of thermodynamics, entropy, absolute temperature, thermodynamic potentials and Maxwell relations; the third law of thermodynamics, systems with more phases and chemical equilibrium. Basic theory of probability, distribution function in phase space, equilibrium statistical distributions, statistical thermodynamics. For the 3rd year of the TF study.

Podmínky zakončení předmětu

Poslední úprava: RNDr. Přemysl Kolorenč, Ph.D. (06.10.2017)

Podmínkou pro udělení zápočtu je řešení domácích úloh v určených termínech a úspěšné absolvování závěrečného písemného testu. Test je možné dvakrát opakovat.

Literatura

Poslední úprava: prof. RNDr. Václav Janiš, DrSc. (11.10.2017)

N. D. Hari Dass: Principles of Thermodynamics, Taylor and Francis, Boca Raton (Fl) 2014.

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

I. P. Bazarov: Termodinamika, Vyššaja Škola, Moskva 1976.

R. Kubo: Thermodynamics, Nort Holland, Amsterdam 1968.

J. Kvasnica: Termodynamika, SNTL, Praha 1965.

R. Balian: From Microphysics to Macrophysics - Methods and Applications of Statistical Physics I, II, Springer Verlag, Berlin-Heidelberg-NewYork-London-Paris-Tokyo 1992 - zejména 1.díl

F. Čulík, M. Noga: Úvod do štatistickej fyziky a termodynamiky, SNTL, Praha 1982.

Požadavky ke zkoušce

Poslední úprava: prof. RNDr. Václav Janiš, DrSc. (11.10.2017)

Podmínkou připuštění ke zkoušce je získaní zápočtu.

Zkouška je ústní a každý student dostane čtyři otázky. Tři budou obsáhlejší teoreticko-metodické a jedna početní na aplikaci principů zjednodušování popisu termodynamických dějů pomocí parciálních derivací za specifikovaných podmínek. V teoretických otázkách bude kladen důraz na pochopení pricipů a jejich použití v konkrétních situacích.Požadavky na zkoušenou látku odpovídají sylabu a dostupnému skriptu v rozsahu skutečně odpřednášeném.

Hodnocení zkoušky je nezávislé na hodnocení výkonnosti na cvičení. K těmto výsledkům bude přihlédnuto pouze, pokud nebude výsledek ústní zkoušky jednozančně hodnotitelný. Podmínkou úspěšného absolvování zkoušky je kvalitativně správné zodpovězení alespoň tří otázek ze čtyř zadaných.

Sylabus

čeština

Poslední úprava: prof. RNDr. Václav Janiš, DrSc. (11.10.2017)

Základní pojmy termodynamiky
Makroskopický stav, charakteristiky ma�krodskopického systému, extenzivní a intenzivní proměnné, termodynamická rovnováha, empirická teplota, stavové rovnice ideálního plynu.

První termodynamický zákon
Práce, vnitřní energie, teplo, první termodynamický zákon, tepelné kaopacity a fundamentální termodynamické procesy.

Druhý termodynamický zákon
Carnotův cyklus a jiné cyklické děje, vratné a nevratné děje, tepelné stroje, absolutní teplota, entropie, Clausiova, Kelvinova a Caratheodoryova formulace druhého termodynamického zákona.

Termodynamické potenciály
Podmínky rovnováhy a stability. Vztahy mezi potenicály a Legendreovy transformace, Maxwellovy vztahy, homogenita. Otevřený systém. Maximální práce.

Aplikace na plyny
Vztah mezi kalorickou a termickou stavovou rovnicí, rovnice adiabaty, rovnice polytropy, tepelné děje a Jouleův-Thomsonův proces.

Třetí zákon termodynamický
Planckova a Nernstova formulace. Důsledky.

Fáze a fázové přechody
Fázová rovnováha, osmotický tlak, chemická rovnováha. Gibbsova pravidla, systém kapalina-plyn, Clausiova-Clapeyronova rovnice, latentní teplo, van der Waalsova rovnice a Maxwellova konstrukce.

Matematická statistika a teorie pravděpodobnosti
Pravděpodobnost, stochastické proměnné,rozdělovací funkce (binomické, Poissonovo, Gaussovo rozdělení), zákon velkých čísel, centrální limitní věta.

Základní teoretické pojmy statistické fyziky
Fázový prostor, fázový objem, mikroskopické a makroskopické stavy, statistický popis, Liouvilleova rovnice.

Principy statistického popisu termodynamických dějů
Princip stejných pravděpodobností, mikrokanonický soubor. Interakce systému s tepelnou lázní, kanonický a velký kanonický statistický soubor. Maxwellovo-Boltzmannovo rozdělení.

angličtina

Poslední úprava: prof. RNDr. Václav Janiš, DrSc. (11.10.2017)

Basic concepts of thermodynamics
State parameters of the macroscopic system, extensive and intensive variables, thermal equilibrium, empirical temperature, equations of state.

First law of thermodynamics
External work, internal energy, heat, the first law of thermodynamics, Pfaffian forms, heat capacity and fundamental thermodynamic processes.

Second law of thermodynamics
Carnot and other cycles, reversible and irreversible processes, absolute temperature, Clausius', Kelvin's and Carathéodory's formulation of the second law, entropy, fundamental thermodynamic inequality.

Thermodynamic potentials
The conditions of equilibrium and stability. Legendre transformation, Maxwell relations, homogeneity and Gibbs-Duham relation. Open systems and maximum work.

Application to gases
The relationship between the caloric and the thermal equation of state, adiabatic equation, polytropic equation, thermal processes and Joule-Thomson process.

The third law of thermodynamics
Planck and Nernst formulation. Consequences.

Phases and phase transitions
Phase equilibrium, osmotic pressure, chemical equilibrium. Gibbs rules, liquid-gas system, Clausius-Clapeyron equation, latent heat, van der Waals equation and Maxwell construction.

Mathematical statistics and probability theory
Probability, stochastic variables, distribution function (binomial, Poisson, Gaussian distributions), the law of large numbers, central limit theorem.

Basic theoretical concepts of statistical physics
Phase space, phase volume, microscopic and macroscopic states, statistical description, Liouville equation.

Principles of statistical description of thermodynamic processes
The principle of equal probability, microcanonical ensemble. Interaction of the system with a thermal bath, canonical and great canonical statistical ensemble. Maxwell-Boltzmann distribution.