|
Vyučující
|
-
Opatrný Tomáš, prof. RNDr. Dr.
|
|
Obsah předmětu
|
Úvod, základy termodynamiky: Nultý a první zákon termodynamiky, stavové parametry, stavová rovnice, termodynamická rovnováha. Teplo, tepelná kapacita. Vratné a nevratné procesy, druhý termodynamický zákon. Entropie, Carnotův cyklus. Termodynamické procesy s ideálním plynem. Závislost tepelných kapacit na teplotě. Třetí termodynamický zákon. Termodynamické potenciály, volná energie, entalpie, Gibbsův potenciál. Maxwellovy relace. Jouleův-Thomsonův jev. Užití potenciálů při studiu tepelných strojů a procesů. Termodynamika fázových přeměn: Podmínky rovnováhy fází, Clapeyronova-Clausiusova rovnice, Gibbsovo fázové pravidlo, klasifikace fázových přechodů, fázový diagram, van der Waalsova rovnice a kondenzace, povrchové napětí a Laplaceův tlak. Úvod do statistické fyziky: Předmět a úloha statistické fyziky, fázový prostor, Hilbertův prostor, distribuční funkce, matice hustoty, Liouvillova rovnice. Připomenutí základních pojmů z teorie pravděpodobnosti. Statistické soubory: Mikrokanonické, Gibbsovo kanonické a velké kanonické rozdělení, statistika otevřeného systému. Maxwellovo-Boltzmannovo rozdělení. Ekvipartiční teorém a tepelné kapacity, jedno- a dvouatomový ideální plyn. Rozdělení rychlostí molekul ideálního plynu a šířka spektrálních čar. Kvantový popis molekuly plynu jako částice v potenciálové jámě, odvození termodynamických veličin z kvantového popisu. Souvislost mezi kvantovou a klasickou statistickou fyzikou, rozlišitelné a nerozlišitelné částice, Gibbsův paradox. Entropie a její vlastnosti, Maxwellův démon, souvislost mezi termodynamikou a teorií informace. Statistika spinových systémů, paramagnetismus. Statistika systému harmonických oscilátorů, klasický a kvantový model. Záření černého tělesa - Planckův vyzařovací zákon, Stefanův-Boltzmannův zákon, Wienův posunovací zákon, tlak a entropie záření. Tepelné kapacity pevných látek: Dulongův - Petitův zákon, Einsteinův model, Debyeův model krystalu. Kvantová statistika ideálních plynů: Bosony a fermiony, Bose-Einsteinovo a Fermi-Diracovo rozdělení. Ideální fermionový plyn, Fermiho energie, elektronový plyn, Richardsonův-Dushmanův vztah pro termoemisní proud. Vztah mezi hmotností a velikostí bílého trpaslíka. Boseova-Einsteinova kondenzace, kritická teplota. Experimentální realizace Bose-Einsteinova kondenzátu. Základy statistické teorie fluktuací: Fluktuace energie a počtu částic, fluktuace termodynamických veličin.
|
|
Studijní aktivity a metody výuky
|
Monologická (výklad, přednáška, instruktáž), Dialogická (diskuze, rozhovor, brainstorming), Metody práce s textem (učebnicí, knihou), Metody písemných akcí (např. u souborných zkoušek, klauzur)
- Účast na výuce
- 52 hodin za semestr
- Domácí příprava na výuku
- 39 hodin za semestr
- Příprava na zkoušku
- 30 hodin za semestr
- Příprava na zápočet
- 15 hodin za semestr
|
|
Výstupy z učení
|
Pochopení základních pojmů z termodynamiky a statistické fyziky. Schopnost řešit konkrétní fyzikální problémy z oblasti termodynamiky a statistické fyziky. Posílení schopnosti pracovat s aktuální vědeckou literaturou v cizím jazyce.
Schopnost využívat základních termodynamických zákonitostí při řešení fyzikálních problémů. Schopnost řešit typické problémy z oblasti statistické fyziky. Schopnost získávat poznatky ze současné vědecké literatury a vést o nich diskusi.
|
|
Předpoklady
|
Matematické znalosti: derivace, integrály, základy pravděpodobnosti a statistiky. Fyzikální znalosti: klasická mechanika, elektromagnetické pole, základy kvantové mechaniky.
|
|
Hodnoticí metody a kritéria
|
Známkou, Písemná zkouška, Rozbor jazykového projevu studenta, Rozbor produktů pracovní činnosti studenta (technické práce)
Známka z předmětu vychází z bodového hodnocení testů psaných v průběhu semestru, závěrečného testu a z hodnocení vystoupení ve cvičeních. Plný počet bodů za semestr je 100, z toho 45 je za závěrečný test, 20 bodů je za průběžný test a 35 bodů je za práci ve cvičení. Hodnocení ze cvičení vychází ponejvíce z výsledků desetiminutových testů na každém cvičení. Každý z těchto testů bude obsahovat pozměněnou variantu některého příkladu, zadaného za domácí úlohu v předchozím cvičení. Součástí hodnocení ze cvičení bude i vystoupení s krátkým (cca 10 min.) referátem o nějakém článku ze zahraničního fyzikálního časopisu (např. Nature, Physics Today, American Journal of Physics a pod.). Téma článku by mělo nějak souviset se statistickou fyzikou či termodynamikou. O tématu se poté povede krátká diskuse. Za referát lze získat až 5 bodů. Vystoupení s referátem a získání alespoň 25 bodů během semestru (průběžný test plus desetiminutové testy ve cvičeních plus referát) jsou nutnou podmínkou pro získání zápočtu. Známkování: A 91 - 100 bodů B 82 - 90 bodů C 73 - 81 bodů D 64 - 72 bodů E 55 - 63 bodů
|
|
Doporučená literatura
|
-
Čulík F., Noga M. (1982). Úvod do štatistickej fyziky a termodynamiky. Alfa, Bratislava.
-
Feynman, R. P. (2013). Přednášky z fyziky 1-3. Fragment Praha.
-
Glazer M., Wark J.. Statistical Mechanics.
-
Greiner, W., Neise, L., Stöcker, H.:. Thermodynamics and Statistical Mechanics.
-
J. Kvasnica. Statistická fyzika, Academia, Praha, 1983 (2. vydání 1998)..
-
J. Kvasnica. Termodynamika, SNTL, Praha, 1965..
-
Klvaňa F., Lacina A., Novotný J. (1975). Sbírka příkladů ze statistické fyziky. UJEP Brno.
-
Kubo, R. Statistical Mechanics.
-
Kubo, R. Thermodynamics.
-
Lacina, A. Základy termodynamiky a statistické fyziky.
-
Levič V.G. Úvod do statistické fysiky.
-
Reichl L. E. A modern course in statistical physics.
|