Podstawy fizyki IV (Termodynamika i elementy fizyki statystycznej)

Wstęp do termodynamiki fenomenologicznej z elementami fizyki statystycznej.

Przedmiotem wykładu są podstawowe zagadnienia termodynamiki klasycznej. Omawiane są parametry opisujące stan równowagi termodynamicznej, najważniejsze funkcje stanu i zasady termodynamiki oraz przykłady ich zastosowań. Przy pomocy prostego modelu wprowadza się kilka ważnych pojęć i praw fizyki statystycznej. Wykład jest bogato ilustrowany pokazami. Jego celem jest znaczne rozszerzenie wiedzy wyniesionej ze szkoły i przygotowanie studentów do zaawansowanego kursu termodynamiki i fizyki statystycznej.

Program:

1. Opis układu termodynamicznego. Pojęcie równowagi termodynamicznej. Parametry stanu. Zerowa zasada termodynamiki. Skale temperatury. Równania stanu. Diagramy fazowe. Metody pomiaru temperatury i ciśnienia.

2. Energia w układach termodynamicznych. Pojęcia pracy i ciepła. Doświadczenia Joule'a. I zasada termodynamiki. Ciepła molowe i ciepła przemian fazowych. Entalpia.

3. Entropia. II zasada termodynamiki. Cykl Carnota. Twierdzenie Clausiusa. Warunki równowagi termodynamicznej. Entropia mieszania i paradoks Gibbsa.

4. Maszyny cieplne i ich sprawności. Silnik Stirlinga. Chłodziarka i pompa cieplna. Proces Joule'a Thomsona i skraplanie gazów. Maszyny parowe.

5. Termodynamika w zastosowaniu. Energia swobodna i entalpia swobodna. Przemiany fazowe czystych substancji. Przemiany fazowe mieszanin. Roztwory rozcieńczone. Równowaga chemiczna.

6. III zasada termodynamiki.

7. Model kinetyczny gazu. Średnia droga swobodna. Zjawiska transportu (lepkość, przewodnictwo cieplne, dyfuzja).

8. Układy bardzo wielu cząstek. Modele układów termodynamicznych. Statystyczna definicja entropii. II zasada w obrazie statystycznym.

9. Statystyka Boltzmanna. Suma statystyczna. Obliczanie wartości średnich. Twierdzenie o ekwipartycji energii. Przykład gazu doskonałego.

10. Wprowadzenie do statystyk kwantowych. Wielki rozkład kanoniczny. Bozony i fermiony. Zdegenerowany gaz Fermiego. Promieniowanie ciała doskonale czarnego.

Do zaliczenia przedmiotu konieczna jest obecność na ćwiczeniach rachunkowych, zaliczenie tych ćwiczeń przez zdobycie 50% punktów w dwóch kolokwiach lub zdobycie 50% punktów z części pisemnej egzaminu oraz zaliczenie części ustnej egzaminu.

Opis sporządził Marek Pfützner, czerwiec 2008.

1. M. Kamińska, A. Witowski, J. Ginter "Wstęp do termodynamiki fenomenologicznej", WUW, 2005.

2. R. Hołyst, A. Poniewierski, A. Ciach, "Termodynamika dla chemików, fizyków i inżynierów", wyd. UKSW 2005.

3. A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski, "Wstęp do Fizyki, tom 2, cz. II", PWN, 1991.

4. R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands, "Feynmana wykłady z fizyki tom I, cz. 2".

5. D.Halliday,R.Resnick, J.Walker, "Podstawy fizyki, tom 2", PWN 2003.

6. M.W. Zemansky "Heat and Thermodynamics", McGraw-Hill.

7. D.V. Schroeder "An Introduction to Thermal Physics", Addison Wesley 2000.

WIEDZA

1. zna najważniejsze zagadnienia termodynamiki

2. zna najważniejsze zagadnienia fizyki statystycznej

3. zna podstawowe zagadnienia dotyczące technicznych zastosowań termodynamiki

UMIEJĘTNOŚCI

1. umie opisać zjawiska fizyczne związane z termodynamiką

2 . umie rozwiązywać zadania związane z termodynamika

POSTAWY

1. docenia wagę dogłębnego i wszechstronnego zrozumienia problemu przy wyciąganiu wniosków i podejmowaniu decyzji

1. Śródsemestralne sprawdziany pisemne

2. Egzamin pisemny

3. Egzamin ustny