Статистическая термодинамика

Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики
Факультет электроники и телекоммуникаций
Программа дисциплины
Статистическая термодинамика
для направления 211000.62 Конструирование и технология электронных средств
Автор программы:
Пожидаев Е.Д., д.т.н., профессор
Одобрена на заседании кафедры
Физическая химия и экология
Зав. кафедрой Е.Д. Пожидаев
«18» апреля 2013 г
Рекомендована секцией УМС
Председатель С.Р. Тумковский
«25» апреля 2013 г
Утверждена УС факультета
Ученый секретарь В.П. Симонов
«14» мая
2013 г.
Москва, 2013
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета
и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
Область применения и нормативные ссылки
Настоящая программа устанавливает минимальные требования к знаниям и умениям студента и
определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности.
Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных
ассистентов и студентов направления подготовки 211000.62 Конструирование и технология
электронных средств, изучающих дисциплину Статистическая термодинамика.
Программа разработана в соответствии с:
- ФГОС ВПО по направлению подготовки 211000 «Конструирование и технология
электронных средств» (квалификация (степень) "бакалавр",
- рабочим учебным планом университета по направлению подготовки 211000.62
Конструирование и технология электронных средств, утвержденным в 2012 г.
Целью освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Статистическая термодинамика» является ознакомление
студентов с основными теоретическими концепциями статистической термодинамики, а также с
основными методами расчета термодинамических функций и равновесий путем:
•
Изложения основных разделов статистической термодинамики как одного из
важных разделов физики;
•
Ознакомления с позиций статистической термодинамики с общими
представлениями о статистических методах расчета термодинамических величин;
•
Изучения методов статистических расчетов констант равновесия;
•
Обучения элементам исследования физико-химических процессов, использующихся
в технологии производства электронных средств.
Статистическая термодинамика как один из теоретических разделов физики принадлежит к
числу фундаментальных естественнонаучных дисциплин и поэтому является базисной
дисциплиной современного инженерного образования.
В основе многих технологических процессов производства радиоэлектронных средств
лежат физико-химические процессы. Методы статистической термодинамики, нашедшие широкое
применение в физической химии, позволяют эффективно проводить теоретическую проработку
технологических процессов. Поэтому знание основ статистической термодинамики необходимо не
только в естественнонаучном, но и в прямом прикладном плане.
Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен:
Знать
 Основные положения статистической термодинамики;
 Основные методы статистических расчетов термодинамических функций веществ;
 Основные методы статистических расчетов равновесий в термодинамических системах.
Уметь
 Вычислять термодинамические функции веществ с использованием статистических
методов;
 Вычислять константы равновесия в термодинамических системах с использованием
статистических методов;
 Аргументировано отстаивать положения теории технологических процессов
производства электронной техники;
 Создавать и представлять Power Point презентации по отдельным вопросам проектов
создания новых технологических процессов производства электронной техники.
Иметь навыки (приобрести опыт)
 Проведения статистических расчетов термодинамических функций веществ с
использованием ЭВМ;


Проведения статистических расчетов констант равновесия в термодинамических
системах с использованием ЭВМ;
Проведения измерений молекулярных характеристик системы (моменты инерции
молекул, частоты нормальных колебаний и др.) с использованием методов
молекулярной спектроскопии.
Дисциплина «Статистическая термодинамика» способствует формированию у студентов
следующих компетенций:
Формы и методы
обучения,
Код по Дескрипторы – основные признаки
способствующие
Компетенция
ФГОС/ освоения (показатели достижения
формированию и
НИУ
результата)
развитию
компетенции
Способность
ОК-10
Получение правильных
Практические
использовать основные
результатов расчета
занятия
законы
термодинамических функций
естественнонаучных
веществ, значения которых
дисциплин в
имеются в литературе
профессиональной
деятельности,
применять методы
математического
анализа и
моделирования,
теоретического и
экспериментального
исследования
Способность владеть
ОК-12
Проведение расчетов
Практические
основными методами,
термодинамических функций
занятия
способами и
веществ и констант равновесия с
средствами получения,
использованием ЭВМ, и получение
хранения, переработки
результатов расчета совпадающих
информации,
со значениями этих величин,
иметь навыки работы с
которых имеются в литературе
компьютером как
средством
управления
информацией
Способность к
ОК-2
Демонстрирует способность
Самостоятельная
самостоятельному
самостоятельного поиска, анализа
работа студента
обучению в новой
информации по темам,
области знаний
выносимым на самостоятельное
изучение
Место дисциплины в структуре образовательной программы
Настоящая дисциплина входит в вариативную часть математического и естественнонаучного
цикла образовательной программы подготовки по направлению 211000.62 Конструирование и
технология электронных средств.
Курс статистической термодинамики дополняет курсы физики и физической химии для студентов
направления подготовки 211000.62 Конструирование и технология электронных средств. Являясь
важным инструментом вычисления термодинамических свойств системы, статистическая
термодинамика непосредственно связана с материаловедением и в междисциплинарном аспекте
предваряет её. Вместе с физикой, физической химией и материаловедением статистическая
термодинамика служит базисом теории технологических процессов производства электронных
средств.
Тематический план учебной дисциплины
№
Название раздела
1
Введение в дисциплину.
Основные понятия и
определения.
Постулаты статистической
термодинамики. Функции
распределения в статистической
термодинамике. Сумма по
состояниям.
Связь суммы по состояниям с
термодинамическими
функциями. Статистические
аналоги термодинамических
величин.
Вычисление
термодинамических свойств
идеальных газов.
Сумма по состояниям
поступательного движения.
Сумма по состояниям
вращательного движения.
Суммы по состояниям
колебательного и электронного
движения.
Вычисление
термодинамических свойств
одноатомного и двухатомного
идеального газа.
Вычисление
термодинамических свойств
многоатомного идеального
газа. Применение сумм по
состояниям.
Итого
2
3
4
5
6
7
8
9
Аудиторные часы
Практические
Семинары
занятия
Самостоятельная
работа
Всего
часов
Лекции
2
1
2
2
1
2
2
1
2
2
1
6
2
2
1
6
2
2
1
6
2
2
1
6
2
2
1
6
2
2
1
6
2
18
9
36
36
Формы контроля знаний студентов
Текущий контроль
Текущий контроль осуществляется путем проверки посещаемости занятий, проверки двух
домашних заданий и проверки выполнения заданий восьми практических работ.
Итоговый контроль
Итоговый контроль осуществляется по окончанию семестра при проведении зачета.
Содержание дисциплины
Тема 1. Введение в дисциплину. Основные понятия и определения. Необходимость изучения
статистической термодинамики в рамках подготовки по направлению Конструирование и
технология электронных средств.
Предмет статистической термодинамики. Методы статистической термодинамики. Связь между
термодинамикой и статистической термодинамикой. Общая структура учебного курса. Основные
разделы курса. Использование методов статистической термодинамики для расчетов физикохимических процессов в технологии электронных средств. Микроскопическое описание состояния
системы методом классической механики. Фазовое пространство. Микроскопическое описание
состояния методом квантовой механики. Микроканонические и канонические средние величины.
(2 часа лекций)
Самостоятельная работа: проработка материала лекции (2 часа)
Литература:
1. Краснов К. С. Физическая химия. т.1 М.: Высшая школа, 2001.
2. Полторак О.М. Термодинамика в физической химии. М.: Высшая школа, 1991
3. Еремин Е.Н. Основы химической термодинамики. М.: Высшая школа, 1980.
4. Киреев В.А. Курс физической химии. М.: Химия, 1980.
Тема 2. Постулаты статистической термодинамики. Функции распределения в статистической
термодинамике. Сумма по состояниям.
Постулаты статистической термодинамики. Постулат эргоидности. Постулат равных
априорных вероятностей. Постулат о равновесной функции распределения. Ансамбли Гиббса.
Система в термостате. Микроканоническое и каноническое распределение Гиббса. Постулаты
статистической термодинамики. Распределение Максвелла-Больцмана. Статистическая сумма по
состояниям. Сумма по состояниям и среднее по ансамблю.
(2 часа лекций)
Самостоятельная работа: проработка материала лекции (2 часа)
Литература:
1.
Краснов К. С. Физическая химия. т.1 М.: Высшая школа, 2001.
2.
Полторак О.М. Термодинамика в физической химии. М.: Высшая школа, 1991
3.
Еремин Е.Н. Основы химической термодинамики. М.: Высшая школа, 1980.
Тема 3. Связь суммы по состояниям с термодинамическими функциями. Статистические аналоги
термодинамических величин.
Статистические аналоги термодинамических величин. Термодинамические функции как
статистические средние величины. Приведенная энергия Гиббса. Связь суммы по состояниям с
термодинамическими функциями. Рабочие
формулы для
вычисления
различных
термодинамических функций: внутренней энергии, энтальпии, энтропии, энергии Гиббса, энергии
Гельмгольца.
(2 часов лекций)
Самостоятельная работа: проработка материала лекций (2 часа)
Литература:
1. Полторак О.М. Термодинамика в физической химии. М.: Высшая школа, 1991
2. Еремин Е.Н. Основы химической термодинамики. М.: Высшая школа, 1980.
3. Краснов К. С. Физическая химия. т.1 М.: Высшая школа, 2001.
4. Пожидаев Е.Д. Курс лекций по статистической термодинамике. Учебное пособие. М.:
МИЭМ, 1974.
Тема 4. Вычисление термодинамических свойств идеальных газов.
Модель идеального газа в молекулярно-кинетической теории. Модель идеального газа в
статистической термодинамике. Внутренние степени свободы. Сумма по состояниям идеального
газа. Поступательная, вращательная, колебательная и электронная составляющие суммы по
состояниям.
(2 часа лекций)
Самостоятельная работа: проработка материала лекции (2 часа)
Литература:
1. Полторак О.М. Термодинамика в физической химии. М.: Высшая школа, 1991
2. Еремин Е.Н. Основы химической термодинамики. М.: Высшая школа, 1980.
3. Краснов К. С. Физическая химия. т.1 М.: Высшая школа, 2001.
4. Пожидаев Е.Д. Курс лекций по статистической термодинамике. Учебное пособие. М.:
МИЭМ, 1974.
Тема 5. Сумма по состояниям поступательного движения
Поступательные составляющие термодинамических функций. Энергетические уровни
поступательного движения и их вырожденность. Полная сумма по состояниям поступательного
движения молекулы. Заселенность энергетических уровней поступательного движения. Поправка
на неразличимость молекул.
(2 часа лекций)
Самостоятельная работа: проработка материала лекции (2 часа)
Литература:
1. Полторак О.М. Термодинамика в физической химии. М.: Высшая школа, 1991
2. Еремин Е.Н. Основы химической термодинамики. М.: Высшая школа, 1980.
3. Краснов К. С. Физическая химия. т.1 М.: Высшая школа, 2001.
4. Пожидаев Е.Д. Курс лекций по статистической термодинамике. Учебное пособие. М.:
МИЭМ, 1974.
5. Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. Равделя А.А. и
Тема 6. Сумма по состояниям вращательного движения
Энергетические уровни вращательного движения и их вырожденность. Модель
двухатомного жесткого ротатора. Сумма по состояниям вращательного движения двухатомной
молекулы в приближении жесткого ротатора. Характеристическая температура вращения.
Заселенность энергетических уровней вращательного движения.
(2 часа лекций)
Самостоятельная работа: проработка материала лекции (2 часа)
Литература:
1.Полторак О.М. Термодинамика в физической химии. М.: Высшая школа, 1991
2. Еремин Е.Н. Основы химической термодинамики. М.: Высшая школа, 1980.
3.
Краснов К. С. Физическая химия. т.1 М.: Высшая школа, 2001.
4. Пожидаев Е.Д. Курс лекций по статистической термодинамике. Учебное пособие. М.:
МИЭМ, 1974.
5.Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. Равделя А.А. и Пономаревой
К.Н
Тема 7. Сумма по состояниям колебательного и электронного движения
Энергетические уровни колебательного движения и их вырожденность. Модель
гармонического осциллятора. Частота колебаний и волновое число. Сумма по состояниям
колебательного движения двухатомной молекулы в приближении гармонического осциллятора.
Заселенность энергетических уровней колебательного движения.
Энергетические уровни электронного движения, их вырожденность и заселенность. Сумма по
состояниям электронного движения.
(2 часа лекций)
Самостоятельная работа: проработка материала лекции (2 часа)
Литература:
1.
Полторак О.М. Термодинамика в физической химии. М.: Высшая школа, 1991
2. Еремин Е.Н. Основы химической термодинамики. М.: Высшая школа, 1980.
3.
Краснов К. С. Физическая химия. т.1 М.: Высшая школа, 2001.
4. Пожидаев Е.Д. Курс лекций по статистической термодинамике. Учебное пособие. М.:
МИЭМ, 1974.
5. Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. Равделя А.А. и Пономаревой
Тема 8. Вычисление термодинамических свойств одноатомного и двухатомного идеального газа.
Одноатомный идеальный газ. Поступательная и электронная составляющие суммы по
состояниям одноатомного идеального газа.
Двухатомный идеальный газ. Внутренние степени свободы. Поступательная, вращательная,
колебательная и электронная составляющие суммы по состояниям двухатомного идеального газа.
(2 часа лекций)
Самостоятельная работа: проработка материала лекции (2 часа)
Литература:
1.
Полторак О.М. Термодинамика в физической химии. М.: Высшая школа, 1991
2. Еремин Е.Н. Основы химической термодинамики. М.: Высшая школа, 1980.
3.
Краснов К. С. Физическая химия. т.1 М.: Высшая школа, 2001.
4. Пожидаев Е.Д. Курс лекций по статистической термодинамике. Учебное пособие. М.:
МИЭМ, 1974. 6.
5. Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. Равделя А.А. и Пономаревой
К.Н. М.
Тема 8. Вычисление термодинамических свойств многоатомного идеального газа. Применение
сумм по состояниям.
Расчет степеней свободы различных видов движения для многоатомных молекул. Сумма по
состояниям вращательного движения многоатомной молекулы. Учет симметрии. Сумма по
состояниям колебательного движения. Нормальные частоты колебаний многоатомных молекул.
Применение сумм по состояниям. Расчеты термодинамических функций. Статистические расчеты
констант равновесия. Расчеты абсолютных скоростей реакций.
(2 часа лекций)
Самостоятельная работа: проработка материала лекции (2 часа)
Литература:
1.
Полторак О.М. Термодинамика в физической химии. М.: Высшая школа, 1991
2. Еремин Е.Н. Основы химической термодинамики. М.: Высшая школа, 1980.
3.
Краснов К. С. Физическая химия. т.1 М.: Высшая школа, 2001.
4. Пожидаев Е.Д. Курс лекций по статистической термодинамике. Учебное пособие. М.:
МИЭМ, 1974.
Образовательные технологии
Лекции проходят в аудитории, оборудованной проектором или программой Teacher. Занятия
проходят в форме лекций и практических занятий. На практических занятиях студенты выполняют
задания и проводится разбор выполнения этих заданий. Проводится также разбор выполнения
домашних заданий.
Для достижения хороших результатов при изучении дисциплины студенты самостоятельно дома
выполняют задания, выданные преподавателем, а также разбирают материалы лекций или
соответствующие темы в рекомендованных учебниках. Отдельные темы предлагаются студентам
для самостоятельного изучения. На занятиях студенты выступают с сообщениями по темам,
заданным для самостоятельного изучения.