Termodynamika a statistická fyzika

Sylabus

Základní pojmy TD.

Termodynamická soustava, stav, stavové veličiny a stavové rovnice, vnitřní a vnější parametry.

Rovnovážný stav, rovnovážný děj.

Vratné a nevratné děje.

Vzájemná tepelná rovnováha.

Teplota a empirická teplota.

Měření teploty.

První termodynamický zákon.

Vnitřní energie a její změny.

Práce. Teplo. Adiabatické procesy.

Diferenciály stavových funkcí, diferenciální formy, podmínky integrability.

Tepelná kapacita.

Měření tepla.

Druhý termodynamický zákon.

Kruhový děj.

Tepelné stroje.

Carnotův cyklus.

Účinnost Carnotova cyklu.

Termodynamická teplotní stupnice.

Clausiova nerovnost.

Entropie.

Aplikace termodynamických zákonů.

Termodynamické potenciály a jejich aplikace.

Legendrovy transformace, fyzikální význam a výpočty potenciálů.

Maxwellovy vztahy.

Ideální a van der Waalsův plyn.

Vztah mezi kalorickou a termickou stavovou rovnicí, termodynamické koeficienty.

Rovnice izotermy, adiabaty, rovnice polytropy.

Změna teploty při rozpínání plynu do vakua, Joulův pokus. Joulův-Thomsonův jev, zkapalňování plynů.

Chemický potenciál, výpočty pro ideální plyn.

Třetí termodynamický zákon a jeho důsledky.

Adiabatická demagnetizace.

Termodynamika vícefázových a vícesložkových systémů.

Fáze, fázové přechody.

Gibbsovo pravidlo fází. Fázový diagram.

Fázový přechod prvního druhu. Clausiova-Clapeyronova rovnice.

Fázový přechod druhého druhu. Ehrenfestovy rovnice.

Skupenské přechody.

Chemická rovnováha.

Kinetická teorie.

Základy statistického popisu.

Molekulární chaos, Brownův pohyb.

Maxwellovo rozdělení částic podle velikosti rychlostí.

Ekvipartiční teorém.

Mikroskopická interpretace tlaku a teploty.

Střední charakteristiky pohybu molekul (střední rychlost, střední volná dráha, střední počet srážek).

Transportní jevy v plynech (difúze, vnitřní tření, tepelná vodivost).

Van der Waalsovy síly.

Základní pojmy SF.

Popis stavu systému velkého počtu částic v klasické SF.

Mikrostav a makrostav.

Konfigurační, impulsový a fázový prostor.

Zavedení statistického souboru.

Rozdělovací funkce.

Časová střední hodnota fyzikální veličiny a střední hodnota přes systémy souboru.

Ergodický princip.

Důsledky kvantové mechaniky a přechod od klasické ke kvantové SF.

Stavová suma (partiční funkce) a vyjádření volné energie a vnitřní energie systému.

Statistická definice entropie.

Statistické soubory: Mikrokanonický, kanonický a grandkanonický.

Statistická rozdělení: Fermi-Diracovo, Bose-Einsteinovo a Maxwell-Boltzmannovo. Fermiony a bosony.

Statistické výpočty: Fotonový plyn a Planckův vyzařovací zákon. Tepelná kapacita krystalu, fonony (Einsteinův a Debyeův model).

Anotace

Základní pojmy a postuláty termodynamiky (TD), rovnovážné TD systémy, vratné a nevratné procesy. První a druhý zákon

TD, entropie a absolutní teplota. Stavové veličiny a stavové rovnice (materiálové vztahy). Termodynamické potenciály.

Tepelné stroje. Chemická rovnováha. Fázové přechody. Třetí zákon TD. Základní pojmy statistické fyziky (SF). Statistické soubory, rozdělovací funkce, Boltzmannovo rozdělení. Statistický výpočet termodynamických veličin. Kinetická teorie plynů.

Vybrané aplikace.