Termodynamika z elementami fizyki statystycznej
Informacje ogólne
Kod przedmiotu: | 1100-2AF22 | Kod Erasmus / ISCED: |
13.202
![]() ![]() |
Nazwa przedmiotu: | Termodynamika z elementami fizyki statystycznej | ||
Jednostka: | Wydział Fizyki | ||
Grupy: |
Astronomia, I stopień; przedmioty dla II roku Fizyka, I stopień; przedmioty obowiązkowe na II roku Nauczanie fizyki; przedmioty dla II roku ZFBM, II stopień; przedmioty do wyboru z fizyki |
||
Punkty ECTS i inne: |
7.00
LUB
6.00
(zmienne w czasie)
![]() ![]() |
||
Język prowadzenia: | polski | ||
Kierunek podstawowy MISMaP: | fizyka |
||
Tryb prowadzenia: | w sali |
||
Skrócony opis: |
1. Opis układu termodynamicznego. 2. Równowaga termodynamiczna w opisie statystycznym. 3. Temperatura empiryczna i własności ciał fizycznych zależne od temperatury, międzynarodowa skala temperatur. 4. Równanie stanu układu termodynamicznego. 5. Pierwsza zasada termodynamiki i maszyny cieplne. 6. Ciepło molowe i ciepło przemian fazowych. 7. Entropia i II zasada termodynamiki. 8. Zagadnienia transportu. 9. Niskie temperatury i III zasada termodynamik 10. Termodynamiczne parametry układu i statystyki kwantowe. |
||
Pełny opis: |
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 |
||
Literatura: |
A.K. Wróblewski i J. Zakrzewski Wstęp do Fizyki – PWN Sz. Szczeniowski Fizyka doświadczalna cz. II - ciepło i fizyka drobinowa – PWN M. Kamińska i inni Wstęp do termodynamiki fenomenologicznej Wyd. UW R. Hołyst, A. Poniewierski, A. Ciach Termodynamika dla chemików, fizyków i inżynierów, Wyd. UKSW A.K. Wróblewski Historia Fizyki – PWN Jerzy Ginter Fizyka IV – skrypt NKF D.V. Schroeder An Introduction to Thermal Physics, Addison Wesley 2000 http://physics.weber.edu/schroeder/ Harvey Gould and Jan Tobochnik Thermal and Statistical Physics http://stp.clarku.edu |
||
Efekty uczenia się: |
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 |
||
Metody i kryteria oceniania: |
1. Śródsemestralne sprawdziany pisemne 2. Egzamin pisemny 3. Egzamin ustny |
Zajęcia w cyklu "Semestr letni 2019/20" (zakończony)
Okres: | 2020-02-17 - 2020-08-02 |
![]() |
Typ zajęć: |
Ćwiczenia, 45 godzin, 60 miejsc ![]() Wykład, 45 godzin, 60 miejsc ![]() |
|
Koordynatorzy: | Marcin Konecki | |
Prowadzący grup: | Rafał Demkowicz-Dobrzański, Jan Kalinowski, Marcin Konecki, Miłosz Panfil, Anna Socha | |
Strona przedmiotu: | https://www.fuw.edu.pl/~konec/termo_2019-20 | |
Lista studentów: | (nie masz dostępu) | |
Zaliczenie: |
Przedmiot -
Egzamin
Wykład - Egzamin |
|
Tryb prowadzenia: | w sali |
|
Pełny opis: |
• 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. | |
Literatura: |
Łatwo dostępne podręczniki po polsku: M. Kamińska, A. Witowski, J. Ginter , Wstęp do termodynamiki fenomenologicznej, Wyd. UW (nie obejmuje jednak całości materiału) A.K. Wróblewski i J. Zakrzewski, Wstęp do Fizyki (t.1 rozdz. VII, t. 2 cz. 1 rozdz. VI), PWN (generalnie polecam ale uwaga na błędy) F. Reif Fizyka Statystyczna (BKF t.5) Przykładowe „nowoczesne” podręczniki, zgodne z duchem wykładu: A. M. Steane, Thermodynamics: A complete undergraduate course A. Rex, Finn's thermal physics. Pozycje rozszerzające (stare, ale bardzo dobre podręczniki, typu „klasyk klasyków”, interesujące): M.W. Zemansky (& R.H. Dittman), Heat and Thermodynamics C.J. Adkins, Equilibrium Thermodynamics A.B. Pippard, Elements of Classical Thermodynamics Wybór użytecznych, krótkich książeczek wprowadzających i „bryków”: T. Guenault, Statistical Physics L. K. Nash, Elements of Statistical Thermodynamics I. Ford, Statistical Physics - An Entropic Approach A. M. Glazer, Statistical Mechanics: A Survival Guide Bardzo, bardzo dobry podręcznik, ale w innym ujęciu niż wykład: H. B. Callen, Thermodynamics and an introduction to thermostatistics I jeszcze „do poduchy”: K. Rejmer, Ciepło-Zimno czyli termodynamika fenomenologiczna t.1, t.2. D.V. Schroeder, An Introduction to Thermal Physics | |
Uwagi: |
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). |
Zajęcia w cyklu "Semestr letni 2020/21" (jeszcze nie rozpoczęty)
Okres: | 2021-02-22 - 2021-06-13 |
![]() |
Typ zajęć: |
Ćwiczenia, 45 godzin, 60 miejsc ![]() Wykład, 45 godzin, 60 miejsc ![]() |
|
Koordynatorzy: | Marcin Konecki | |
Prowadzący grup: | Andrzej Chlebicki, Marcin Konecki, Teresa Kulka, Miłosz Panfil | |
Lista studentów: | (nie masz dostępu) | |
Zaliczenie: |
Przedmiot -
Egzamin
Wykład - Egzamin |
Właścicielem praw autorskich jest Uniwersytet Warszawski.