Termodynamika a statistická fyzika

Sylabus

*

1. Předmět termodynamiky (TD) a statistické fyziky (SF). Základní pojmy. Vztah TD a SF k příbuzným vědám. *

2. Potřebný matematický aparát. Funkce více proměnných, implicitní funkce, parciální a úplná 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. Kalorimetrická rovnice. Vedení tepla. Joulův pokus. Stavová rovnice kalorická a termická. Polytropické děje. Ideální a reálný plyn. Joulův-Thomsonův pokus. Entalpie. Konkrétní použití v systémech různého typu. *

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. Základní pojmy SF. 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. 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 rozdělení. Důsledky kvantové mechaniky a přechod od klasické ke kvantové SF. Statistická suma (stavová suma, partiční funkce). Fermiho-Diracovo a Boseho-Einsteinovo rozdělení. *

13. Vybrané aplikace Např.: 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 víceatomového plynu. Tepelná kapacita krystalu (Einsteinův a Debyeův model, porovnání s klasickým modelem).

Anotace

Cílem předmětu je pochopení základních pojmů z termodynamiky (popis rovnovážných termodynamických systémů, vratné a nevratné procesy, zákony TD a jejich důsledky, entropie, tepelné stroje, otevřené systémy, fázové přechody) a základů statistické fyziky (statistický soubor, rozdělovací funkce, kvantová statistická rozdělení, vztah mezi zavedením veličin v TD a SF) a aplikace na vybrané úlohy. Způsob probírání látky je přizpůsoben potřebám budoucích učitelů fyziky, důraz je kladen zejména na těsné propojení vysokoškolského a středoškolského přístupu k výkladu termodynamiky a jejich aplikací.