F6082 Termodynamika a statistická fyzika

Přírodovědecká fakulta
jaro 2022
Rozsah
2/1/0. 4 kr. Ukončení: zk.
Vyučující
doc. RNDr. Aleš Lacina, CSc. (přednášející)
doc. RNDr. Aleš Lacina, CSc. (cvičící)
Garance
doc. RNDr. Aleš Lacina, CSc.
Ústav teoretické fyziky a astrofyziky – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Dodavatelské pracoviště: Ústav teoretické fyziky a astrofyziky – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Po 15:00–15:50 FLenc,03028, Út 16:00–17:50 Fs2 6/4003, Čt 9:00–9:50 FLenc,03028
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je otevřen studentům libovolného oboru.
Cíle předmětu
Předmět je základním vysokoškolským kurzem termodynamiky a statistické fyziky. Na rozdíl od elementů těchto disciplin probíraných v kurzu Obecné fyziky (předmět Mechanika a molekulová fyzika, resp. Termika a molekulová fyzika) je založen ve svých obou částech na obecnějším gibbsovském přístupu - v části věnované termodynamice spočívá na metodě termodynamických potenciálů, výklad statistické fyziky vychází z obecné formulace kanonických rozdělení - což posléze umožňuje obě části spojit do integrované metody statistické termodynamiky. Předmět je koncipován především s ohledem na budoucí učitele fyziky: hlavní důraz klade na důkladné objasnění základních pojmů, představ a idejí termodynamiky a statistické fyziky; diskutuje nejen jejich vzájemné, ale i širší - fyzikálně-historické - souvislosti; analyzuje široký okruh aplikací vztahujících se zejména ke každodenní zkušenosti; uvádí různé možnosti výkladu a upozorňuje na možnosti a úskalí jejich elementarizace na středoškolskou úroveň.
Výstupy z učení
Na konci tohoto kurzu by student měl: chápat a být schopen vysvětlit základní pojmy a ideje termodynamiky a statistické fyziky; pochopit a být schopen objasnit jejich vzájemné i širší souvislosti; být schopen analyzovat a řešit aplikační problémy.
Osnova
  • A. TERMODYNAMIKA
  • 1. Základní pojmy a představy termodynamiky (makroskopický stav termodynamického systému, stavové parametry, nultá, první a druhá věta termodynamiky).
  • 2. Rovnovážná termodynamika (teplota, stavové rovnice, tepelná kapacita, entropie, základní rovnice termodynamiky a její důsledky, termodynamické potenciály, třetí věta termodynamiky).
  • 3. Elementy nerovnovážné termodynamiky (nevratné procesy, relaxace termodynamických systémů, podmínky rovnováhy, fázová rovnováha, fázové přechody).
  • B. STATISTICKÁ FYZIKA
  • 4. Základní pojmy a představy statistické fyziky (mikroskopický stav systému, fázový prostor, časové středování, statistické středování, ergodická hypotéza, fluktuace).
  • 5. Kanonická rozdělení (funkce statistického rozdělení jako integrál pohybu, mikrokanonické, kanonické a velké kanonické rozdělení, termodynamická ekvivalence kanonických rozdělení).
  • 6. Aplikace kanonických rozdělení na klasické systémy (Maxwellovo, Boltzmannovo a Maxwellovo-Boltzmannovo rozdělení, ideální plyn v různých vnějších podmínkách, ekvipartiční teorém a jeho aplikace, klasická teorie tepelných kapacit).
  • 7. Statistická interpretace termodynamiky (funkce statistického rozdělení a entropie, statistická suma a její fyzikální význam, metoda statistické termodynamiky, statistický výpočet základních termodynamických veličin ideálního plynu, statistická interpretace entropie a teploty, statistická interpretace základních termodynamických postulátů).
  • 8. Statistiky a jejich aplikace (kvantový ideální plyn, Boseho-Einsteinova, Fermiho-Diracova a Boltzmannova statistika).
Literatura
  • LACINA, Aleš. Základy termodynamiky a statistické fyziky. 1. vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1990, 267 s. ISBN 8021001135. info
  • LEONTOVIČ, Michail Aleksandrovič. Úvod do thermodynamiky. 1. vyd. Praha: Nakladatelství Československé akademie věd, 1957, 191 s. info
  • KUBO, Ryogo. Termodinamika : sovremennyj kurs s zadačami i rešenijami. Translated by A. G. Baškirov - Je. Je. Tarejeva. Moskva: Mir, 1970, 304 s. info
  • KUBO, Ryogo. Statističeskaja mechanika : sovremennyj kurs s zadačami i rešenijami. Moskva: Mir, 1967, 452 s. info
  • KITTEL, Charles a Herbert KROEMER. Thermal Physics. 2nd ed. New York: W.H. Freeman, 1980, 473 s. ISBN 0-7167-1088-9. info
  • REIF, F. Statistical physics. New York: McGraw-Hill Book Company, 1967, xxi, 398. info
  • BAIERLEIN, Ralph. Thermal physics. 1st publ. Cambridge: Cambridge University Press, 1999, xiii, 442. ISBN 9780521658386. info
  • OBDRŽÁLEK, Jan. Úvod do termodynamiky, molekulové a statistické fyziky. Vydání první. Praha: Matfyzpress, 2015, 333 stran. ISBN 9788073782870. info
  • ZAJAC R. a PIŠÚT J. Štatistická fyzika. Bratislava: Univerzita Komenského, 1995. info
  • KLVAŇA, František, Aleš LACINA a J. NOVOTNÝ. Sbírka příkladů ze statistické fyziky. 1. vyd. Brno: Rektorát UJEP, 1974, 169 s. info
Výukové metody
Přednáška a cvičení.
Metody hodnocení
Zkouška: písemná a ústní.
Informace učitele
Přístup ke zkoušce je pro posluchače denního studia podmíněn splněním požadavků stanovených ve cvičení:
1. Aktivní účast (max. 2 neúčasti).
2. Alespoň 60% úspěšnost na písemce ohlášené dva týdny předem (možnost dvou opravných termínů).
Podmínky pro podání přihlášky ke zkoušce pro studenty kombinovaného studia:
1. Absolvování tří konzultací během semestru, v rámci nichž bude probrána logická struktura discipliny, okomentováno její zpracování v doporučené studijní literatuře a zadány požadavky pro samostatnou práci nahrazující cvičení (pokud je student neabsolvuje prezenčně spolu s posluchači denního studia).
2. Úspěšné absolvování dvou prezenčních kontrolních písemných prací shrnujících přibližně první třetinu, resp. první dvě třetiny sylabu předmětu.
Další komentáře
Předmět je vyučován každoročně.
Nachází se v prerekvizitách jiných předmětů
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2012 - akreditace, jaro 2013, jaro 2014, jaro 2015, jaro 2016, jaro 2017, jaro 2018, jaro 2019, jaro 2020, jaro 2021, jaro 2023, jaro 2024, jaro 2025.