Termodynamika z elementami fizyki statystycznej

1. Opis układu termodynamicznego: Sposób opisu właściwości układów makroskopowych przez termodynamikę fenomenologiczną oraz przez fizykę statystyczną; pojęcie układu termodynamicznego, parametry i funkcje stanu; równowaga termodynamiczna i termiczna; dochodzenie do stanu równowagi (czas relaksacji), zerowa zasada termodynamiki.

2. Równowaga termodynamiczna w opisie statystycznym: Zależność liczby stanów od energii - model drabinkowy, zależność liczby stanów od energii dla gazu doskonałego, postulat równego prawdopodobieństwa, cząstka w równowadze z bardzo dużym termostatem - rozkład kanoniczny Gibbsa, obliczanie średniej energii, rozkład Maxwella, rozkład Boltzmanna, paramagnetyzm ciał.

3. Statystyki kwantowe: Statystyka Bosego-Einsteina, gaz fotonowy, statystyka Fermiego-Diraca, gaz elektronowy.

4. Temperatura empiryczna i własności ciał fizycznych zależne od temperatury: Pojęcie temperatury empirycznej i jej pomiar, skala Celsjusza i Fahrenheita, termometry zbudowane na podstawie różnych parametrów termometrycznych ciał (rozszerzalność objętościowa ciał i termometry cieczowe, rozszerzalność ciał stałych i model tej rozszerzalności oraz termometry bimetaliczne, zależności temperaturowe oporu elektrycznego metali i półprzewodników oraz termometry oporowe, termopary, promieniowanie cieplne ciał i pirometry, ciekłe kryształy i wskaźniki barwne, temperaturowe zmiany parametrów gazów i termometr gazowy), skala Kelvina; ekstremalne temperatury we Wszechświecie i w laboratoriach.

5. Międzynarodowa skala temperatur: Obowiązująca jednostka, stosowane właściwości temperaturowe ciał oraz punkty temperaturowe.

6. Równanie stanu układu: Pojęcie równania stanu, parametry stanu, pojęcie ciśnienia, prawo Pascala, ciśnienie w obszarze działania siła grawitacyjnych, prawo Archimedesa, ciśnienie w zbiornikach z cieczą, wzór barometryczny; hydrodynamika, równanie Bernoulliego, równanie stanu gazu doskonałego, równania stanu gazów rzeczywistych, parametry krytyczne, pojecie fazy i przejścia fazowego, powierzchnie p-V-T dla substancji rzeczywistych, powierzchnie stanów i właściwości wybranych substancji (woda, hel, węgiel, siarka).

7. Pierwsza zasada termodynamiki: Pojęcie energii wewnętrznej, wyznaczenie energii wewnętrznej jednoatomowego gazu doskonałego według teorii kinetycznej, pojęcie pracy w termodynamice, pojęcie ciepła w układzie wielocząstkowym, przenoszenie ciepła, I zasada termodynamiki.

8. Ciepło molowe i ciepło przemian fazowych: Definicja ciepła molowego, pomiary ciepła molowego, ciepła molowe gazu doskonałego i przemiana adiabatyczna, ciepła molowe gazów rzeczywistych jednoatomowych, gazów i cieczy wieloatomowych, ciał stałych - zależności temperaturowe. Ciepło przemian fazowych.

8. Maszyny cieplne: Procesy kwazistatyczne i odwracalne. Silniki cieplne (czterosuwowy silnik benzynowy, cykl Carnota, silnik Sterlinga). Pompy cieplne (lodówka Carnota, pompa cieplna w zastosowaniu domowym, lodówka domowa).

9. Entropia: Entropia jako funkcja stanu - definicja entropii w termodynamice fenomenologicznej. Entropia w ujęciu fizyki statystycznej. Przemiany gazu doskonałego we współrzędnych T-S. Maksymalna sprawność silników cieplnych. Entropia w procesach odwracalnych i nieodwracalnych.

10. Druga zasada termodynamiki: Różne sformułowania II zasady termodynamiki, temperatura termodynamiczna.

11. Zagadnienia transportu: Różne zjawiska transportu i prawa nimi rządzące (przewodnictwo elektryczne, cieplne, dyfuzja, lepkość). Przewodnictwo cieple - mechanizmy fizyczne transportu cieplnego. Przewodnictwo cieplne ciał. Stany nieustalone i stan ustalony przewodnictwa cieplnego.

12. Niskie temperatury: Możliwości osiągania niskich temperatur. Pojecie entalpii. Efekt Joule'a-Thomsona. Skraplarka.

13. Trzecia zasada termodynamiki: Postulat Nernsta i Plancka.

14. Termodynamiczne parametry układu: Ścisłe definicje temperatury i innych parametrów intensywnych charakteryzujących układ.

Opis według projektu prof. M. Kamińskiej, grudzień 2008

Po zakończeniu przedmiotu student:

WIEDZA

1. zna najważniejsze zagadnienia termodynamiki fenomenologicznej;

2. zna najważniejsze zagadnienia fizyki statystycznej.

UMIEJĘTNOŚCI

1. umie opisać i wyjaśnić zjawiska fizyczne związane z termodynamiką

fenomenologiczną i fizyka statystyczną;

2 . umie rozwiązywać zadania związane z tymi zagadnieniami

• Opis układu termodynamicznego, temperatura empiryczna, własności ciał zależne od temperatury (rozszerzalność, wł. elektryczne, promieniowanie), ciśnienie, pływanie.

• Równanie stanu układu termodynamicznego, gaz doskonały, gazy rzeczywiste, fazy

• Procesy odwracalne i nieodwracalne, Praca i Ciepło, Pierwsza zasada termodynamiki. Ciepła molowe, ciepła przemian, sposoby wymiany ciepła, energia wewnętrzna, g. doskonały obraz mikroskopowy

• Druga zasada termodynamiki i entropia.

• Cykl Carnota i maszyny cieplne, temperatura termodynamiczna, podstawowe równanie termodynamiki.

• Opis statystyczny, równowaga termodynamiczna w opisie statystycznym, entropia , rozkłady mikrostanów w układzie oscylatorów , rozkład Boltzmanna.

• Suma statystyczna, obliczanie średniej energii, paramagnetyk, C_V ciała stałego w modelu Einsteina, gaz doskonały, rozkład prędkości Maxwella

• Statystyki kwantowe: Statystyka Bosego-Einsteina, gaz fotonowy, statystyka Fermiego-Diraca, gaz elektronowy. [entropia a informacja]

• Potencjały termodynamiczne, [relacje Maxwella], równowaga faz i przejścia fazowe

• Niskie temperatury: efekt Joule'a-Thomsona, skraplarka, trzecia zasada termodynamiki.

• Zagadnienia transportu, przyleganie, promieniowanie.

Hasło do materiałów wykładowych podane będzie na pierwszym wykładzie i rozesłane praz USOSmail.

• Obecność na wykładach nie jest obowiązkowa

• Obecność na ćwiczeniach jest obowiązkowa (dopuszczalne są 2 nieusprawiedliwione nieobecności)

ZADANIA DOMOWE:

Do materiałów ćwiczeniowych dodawane będą zadania domowe.

Zadania domowe są nieobowiązkowe i nie są punktowane.

Studenci są gorąco zachęcani do dyskusji zadań domowych z prowadzącymi ćwiczenia.

Na każdym z kolokwiów i na egzaminach będzie co najmniej jedno z zadań domowych

Zalecane zbiorki zadań:

• A.Hennel, W.Szuszkiewicz Zadania i problemy z fizyki t.II

• A.Fronczak, Zadania i problemy z rozwiązaniami z termodynamiki i fizyki statystycznej

Można też sięgnąć po dostępne online zbiorki zadań egzaminacyjnych na uczelnie (np.):

• Y-K.Lim (ed.) Problems and solutions on thermodynamics and statistical mechanics

• S.B.Cahn, G.D.Mahan, B.E.Nadgorny, A guide to physics problems, part 2 Termodynamics, Statistical Physics and Quantum Mechanics

Na kolokwiach i egzaminach pisemnych (w tym na części dotyczącej pytań z wykładu) można mieć jedną, własnoręcznie zapisaną kartkę formatu A4.

ZASADY ZALICZENIA - KOLOKWIA

• Planowane są dwa kolokwia i 3 zadania ma każdym kolokwium. Zadania będą dotyczyły materiału przerobionego na ćwiczeniach (z pominięciem nowego materiału wprowadzanego w tygodniu bezpośrednio przed kolokwium),

• Zadania oceniane będą w jednakowej, 5 punktowej skali.

• Zaliczenie kolokwiów: uzyskanie (lub przekroczenie) minimum punktowego z obu kolokwiów (łącznie).

• Standardowy próg punktowy wynosi 50% i może zostać nieznacznie obniżony, w zależności od trudności zadań.

• Osoby, które nie uzyskały wystarczającej liczby punktów z kolokwiów, ale uczestniczyły w ćwiczeniach (tzn. nie przekroczyły dopuszczalnej liczby nieusprawiedliwionych nieobecności), mogą podchodzić do egzaminu.

ZASADY ZALICZENIA – EGZAMIN w I TERMINIE

• Do egzaminu dopuszczone są wszystkie osoby uczęszczające (spełniające wymóg frekwencji) na ćwiczenia.

• Egzamin składa się z części pisemnej i ustnej.

• Na egzaminie pisemnym będą 4 zadania, oceniane w skali 5 punktowej oraz oceniane osobno pytania z wykładu.

• Do egzaminu ustnego dopuszczone będą osoby, które podeszły do części pisemnej oraz uzyskały lub przekroczyły minimalny próg punktowy z kolokwiów lub zadań egzaminacyjnych.

• Próg do zaliczenia egzaminu pisemnego (cz. zadaniowa) to standardowo 50%. Próg może zostać nieznacznie obniżony przez wykładowcę.

• O ocenie decyduje egzamin ustny (wstępnie zakładam przepytanie wszystkich osób).

• Na ocenę wpływa wynik części pisemnej egzaminu w tym ocena pytań z wykładu (traktowana jako część odpowiedzi ustnej) oraz kolokwiów.

ZASADY ZALICZENIA – EGZAMIN w II TERMINIE (poprawkowy)

• Do egzaminu pisemnego w sesji poprawkowej dopuszczone są wszystkie osoby dopuszczone uprzednio do egzaminu w pierwszym terminie. W szczególności zapraszam studentów chcących poprawić pozytywne oceny.

• Na egzaminie będą 4 zadania (bez osobnych pytań z wykładu).

• Do egzaminu ustnego dopuszczone są osoby, które przekroczyły minimum punktowe na egzaminie poprawkowym (kolokwia oraz egzamin w pierwszym terminie nie mają znaczenia).

• O ocenie decyduje egzamin ustny, wpływ na ocenę mają wyniki z części pisemnej (kolokwia oraz wcześniejszy egzamin nie mają wpływu na ocenę).