UF1U550 Termodynamika a statistická fyzika

Filozoficko-přírodovědecká fakulta v Opavě
zima 2014
Rozsah
3/2/0. 4 kr. Ukončení: zk.
Vyučující
doc. RNDr. Emil Běták, DrSc. (přednášející)
RNDr. Martin Blaschke, Ph.D. (cvičící)
Garance
doc. RNDr. Emil Běták, DrSc.
Centrum interdisciplinárních studií – Filozoficko-přírodovědecká fakulta v Opavě
Předpoklady
UF01900 Souborná zkouška z fyziky && UF1U054 Teoretická mechanika
Znalost pojmů vlnová funkce, vlnová funkce systému nerozlišitelných částic (viz Kvantová fyzika I); střední hodnota veličiny charakterizované pravděpodobnostním rozložením.
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Seznámit se s principy hlavních tepelných jevů a tepelných strojů a základními rozdíly mezi klasickými a kvantovými soustavami; soubory soustav, bozony a fermiony.
Osnova
  • Výuka předmětu je rozdělena na dvě části. V první se studenti seznámí se základy klasické termodynamiky. Základem je popis savového chování ideálních a reálných plynů, výklad pokračuje formulacemi 1., 2. a 3. věty termodynamické, které jsou výchozím bodem popisu fázových rovnovách. Výklad klasické termodynamiky ukončuje pasáž o kinetické teorii ideálního plynu včetně teorie transportních procesů. Druhá část kurzu je věnována statistické mechanice. V úvodu je ukázáno, jak lze pomocí statistického přístupu odvodit výsledky získané fenomenologickým přístupem klasické termodynamiky. V závěru se studenti seznámí s některými moderními metodami počítačových simulací fyzikálních systémů.
    Sylabus:
    Předmět a základní pojmy termodynamiky. Stavové parametry vnitřní a vnější; termodynamická rovnováha, teplota; stavová rovnice; vnitřní energie a její změny; práce, teplo.
    I. Princip termodynamiky a jeho matematická formulace. Tepelné kapacity a vztahy mezi nimi; enthalpie; adiabatický děj; aplikace obecných vztahů na ideální plyn; absolutní plynová teplota; vratné a nevratné procesy; Carnotův cyklus s ideálním plynem.
    II. princip termodynamiky a jeho důsledky. Clausiova, Kelvinova, Planckova a Carathéodoryho formulace a jejich ekvivalence; Carnotova věta; matematické vyjádření druhého principu; Clausiova rovnice; entropie; absolutní termodynamická teplota, souvislost s plynovou teplotou; volná energie, Gibbsova funkce; vztahy mezi derivacemi termodynamických veličin; Gibbsovy-Helmholtzovy rovnice; aplikace na fázové přechody; Clausiova-Clapeyronova rovnice; Gibbsovo fázové pravidlo; entropie při nevratných procesech.
    III. princip termodynamiky. Nernstova-Planckova, Falkova, Simonova formulace, jejich ekvivalence.
    Základní pojmy statistické fyziky. Fázový prostor; Liouvilleova věta; mikrostavy a makrostavy; distribuční funkce; Liouvilleova rovnice; statistické soubory; ergodická hypotéza; matice hustoty.
    Statistická rozdělení. Mikrokanonické, kanonické a grandkanonické rozdělení; souvislost statistických a termodynamických veličin; statistická definice entropie; statistická suma; Maxwellova-Boltzmannova statistika; Maxwellovo a Maxwellovo-Boltzmannovo rozdělení.
    Kvantové statistiky ideálních plynu. Bosony a fermiony; Boseho-Einsteinovo rozdělení; fotonový plyn; kondenzace bozonového plynu; Fermiovo-Diracovo rozdělení; degenerovaný plyn fermionů.
Literatura
    doporučená literatura
  • Čulík F., Noga M. Úvod do štatistickej fyziky a termodynamiky. Alfa, Bratislava, 1993. info
  • Moore, W. J. Fyzikální chemie. SNTL, Praha, 1981. info
    neurčeno
  • Reif F. Fundamentals of Statistical and Thermal Physics. McGraw-Hill, 1965. info
Výukové metody
Přednáška s diskusí
Demonstrace dovedností
Metody hodnocení
Analýza výkonů studenta
Zápočet
Kombinovaná zkouška
Informace učitele
Zápočet a zkouška. Zkouška se skládá ze dvou částí, písemné (3 příklady, z toho 2 z termodynamiky a 1 z molekulové teorie tepelných a přenosových jevů anebo statistické fyziky). Pro ústní zkoušku je nutné mít správně vyřešenou aspoň část příkladu z molekulové / statistické fyziky a aspoň část příkladů z termodynamiky). Rovněž ústní zkouška vyžeduje nenulové znalosti v obou částech.
Další komentáře
Předmět je dovoleno ukončit i mimo zkouškové období.
Předmět je zařazen také v obdobích zima 1993, zima 1994, zima 1995, zima 1996, zima 1997, zima 1998, zima 1999, zima 2000, zima 2001, zima 2002, zima 2003, zima 2004, zima 2005, zima 2006, zima 2007, zima 2008, zima 2009, zima 2010, zima 2011, zima 2012, zima 2013, zima 2015.