F7090 Termodynamika a statistická fyzika

Přírodovědecká fakulta
jaro 2006
Rozsah
3/2/0. 4 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: zk.
Vyučující
doc. RNDr. Aleš Lacina, CSc. (přednášející)
Mgr. Pavel Klepáč, Ph.D. (cvičící)
Garance
doc. RNDr. Aleš Lacina, CSc.
Ústav fyziky a technologií plazmatu – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: doc. RNDr. Aleš Lacina, CSc.
Rozvrh
Po 12:00–13:50 B1,01004, Út 16:00–16:50 F4,03017, Čt 15:00–16:50 F4,03017
Předpoklady
F4050 Úvod do fyziky mikrosvěta || F4060 Úvod do fyziky mikrosvěta
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) 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. [Termodynamický stav a proces. Základní termodynamické postuláty. Základní rovnice termodynamiky a její důsledky. Termodynamické potenciály. Nevratné procesy. Podmínky rovnováhy. Fázové přechody. Mikroskopický stav systému. Fázový prostor. Časové a statistické středování. Ergodická hypotéza. Kanonická rozdělení a jejich aplikace. Maxwellovo, Maxwellovo-Boltzmannovo a Boltzmannovo rozdělení a jejich aplikace. Kvantové statistiky a jejich aplikace. Statistická interpretace termodynamiky. Metoda statistické termodynamiky. Statistická termodynamika na vysoké a střední škole.]
Osnova
  • 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 termodynamická). 3. Elementy nerovnovážné termodynamiky (nevratné procesy, relaxace termodynamických systémů, podmínky rovnováhy, fázová rovnováha, fázové přechody). 4. Základní pojmy a představy statistické fyziky (mikroskopický stav systémy, fázové prostory, 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, kinetická metoda odvození stavové rovnice ideálního plynu, 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, klasická statistika jako limitní případ statistik kvantových, zákony záření černého tělesa (fotony), tepelná kapacita pevných látek, kvantový model volných elektronů a jeho aplikace ve fyzice pevných látek). 9. Témata statistické termodynamiky na vysoké a střední škole (přehled nejfrekventovanějších způsobů prezentace a elementarizovaných postupů užívaných při středoškolské výuce partií termodynamiky a statistické fyziky a jejich kritický rozbor).
Literatura
  • LACINA, Aleš. Základy termodynamiky a statistické fyziky. 1. vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1990, 267 s. ISBN 8021001135. 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
  • KUBO, Ryogo. Termodinamika : sovremennyj kurs s zadačami i rešenijami. Translated by A. G. Baškirov - Je. Je. Tarejeva. Moskva: Mir, 1970, 304 s. info
  • KLVAŇA, František, Aleš LACINA a J. NOVOTNÝ. Sbírka příkladů ze statistické fyziky. 1. vyd. Brno: Rektorát UJEP, 1974, 169 s. info
Metody hodnocení
Výuka: klasická přednáška a klasické cvičení. Zkouška: písemná a ústní.
Informace učitele
Přístup ke zkoušce je pro posluchače denního studia podmíněn splněním požadavků stanovených ve cvičení: 1. Aktivní účast (max. 3 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, 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.
Předmět je zařazen také v obdobích podzim 1999, jaro 2008 - akreditace, jaro 2011 - akreditace, podzim 2000, jaro 2002, jaro 2003, jaro 2004, jaro 2005, jaro 2007, jaro 2008, jaro 2009, jaro 2010, jaro 2011, jaro 2012, jaro 2012 - akreditace.