Termodynamika a statistická fyzika - NUFY094

• Anglický název: Thermodynamics and Statistical Physics
• Zajišťuje: Katedra didaktiky fyziky (32-KDF)
• Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
• Platnost: od 2014 do 2015
• Semestr: zimní
• E-Kredity: 7
• Rozsah, examinace: zimní s.:3/2, Z+Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština
• Způsob výuky: prezenční
• Způsob výuky: prezenční
• Garant: RNDr. Zdeňka Koupilová, Ph.D.; RNDr. Vojtěch Kapsa, CSc.
• Kategorizace předmětu: Fyzika > Učitelství fyziky

Anotace

čeština

Poslední úprava: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (11.05.2018)

Přednáška ze základů termodynamiky a statistické fyziky pro budoucí učitele fyziky.

angličtina

Poslední úprava: T_KDF (12.05.2014)

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

Cíl předmětu

čeština

Poslední úprava: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (11.05.2018)

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.

angličtina

Poslední úprava: 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.

Literatura

Poslední úprava: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (11.05.2018)

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

Metody výuky

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

integrovaná výuka - přednášky a cvičení se prolínají

Sylabus

čeština

Poslední úprava: RNDr. Jitka Houfková, Ph.D. (11.05.2018)

1. Předmět termodynamiky (TD).

Základní pojmy. Vztah TD k příbuzným vědám.

2. Potřebný matematický aparát.

Funkce více proměnných, implicitní funkce, parciální 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. Joulův pokus. Ideální plyn. Stavová rovnice kalorická a termická. Některé vztahy mezi TD koeficienty. Joulův-Thomsonův pokus. Entalpie. Polytropické děje.

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. Předmět statistické fyziky (SF) a základní pojmy.

Vztah SF k termodynamice. 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. Maxwellovo a Maxwellovo-Boltzmannovo rozdělení. 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 kanonické rozdělení.

Důsledky kvantové mechaniky a přechod od klasické ke kvantové SF. Kvazikvantový přechod - zavedení elementárního fázového objemu příslušného jednomu mikrostavu. Statistická suma (stavová suma, partiční funkce). Fermi-Diracovo a Bose-Einsteinovo rozdělení.

13. Vybrané aplikace

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 krystalu (Einsteinův a Debyeův model, porovnání s klasickým modelem).

angličtina

Poslední úprava: 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).