Статическая физика и термодинамика

rov Brro poccl{trcxo*apnf,trI{cr{I{E
(cJrAB.sFrcrrriltr)
ITIII4BEPCI4TET
Coqaarrex
B
GOOTBCTCTBIIH C
roclr4apsrBenEbrrlrr r;rc6onarrnsMrr rc
n|nHElr{J.lrtry eoAep:Icanf,* E
rIoAroToBICE
BbrrrycrcHErcoB
IrpoBHro
no
HarrpanJreunro 11.03.(}4 - S.nerrrporrnrca rr
rrano?JreKTporrurca n ffqrrexenrrem <<Oc
ITMK& PATT>.
rfirrermryr' Maren a.Trilrcn rr Bbrcorcrrx rexrroJrornfi
Ka$effpa: Q6ureft $x*nKrr H rcn&rrToBhrx rralroerpyrcryp
A emep(ac)
:
-*t. a., np o Q e c c op C edp axna,{ ae ud Mz ep o e uv
t<. Q.'*t. H., c m. np e n o d ae amer b Ro c m orua n Ap mae as d Ap atu o I aq
d. Q,
VWE E TT Q.M E TOfrH
ATE
CTTEfr R O fuTTTfiE K C
,{neuunJrrrrr&t El.B.OA.lCI <<CrarncrrqecKaq ensnrca n
TepMoArrHaMrrKa>>
ff.iln OOII rroffroronrcrl darca.naBpeB rro HarrpaBJrennro;
I I"O3.O4 <<Srrercrponnrca n nanoe.nercrporruxa>>
I{od u H€rsaaHue ene6ut&bHacmu
EPEBAI{ 2015
1. Аннотация
В курсе излагаются теретические основы термодинамики и статистической физики:
основные понятия термодинамики, основные постулаты термодинамики, начала
термодинамики, методы термодинамики, условия термодинамического равновесия, понятие
о фазовых переходах, некоторые применения термодонамики, основные принципы
статистической физики, статистическая теория равновесного состояния, идеальный газ,
реальный газ, твердое тело, флуктуации.
Цель преподавания дисциплины: курс «Термодинамика и статистическая физика» имеет
целью дать студентам основные сведения о принципах, методах, а также о приминении
термодинамики и статистической физики, теории идеального и реального газов,
флуктиациях.
Учебная задача: сформировать фундаментальные знания о постулатах и началах
термодинамики, принципах статистического описания равновесных систем. Ознакомить с
основами теориии фазовых переходов. Научить решать задачи с использованием основных
законов термодинамики, уравнений идеального и реального газов, распределений для
классичекого и квантового идельного газа.
Основные методы проведения занятий: лекции, практические занятия.
Список литературы: содержит 6 наименование книг и монографий отечественных и
зарубежных авторов; этот список поможет студентам освоить и создать свой профессиональный исследовательский инструментарий, обеспечить целостность обучения.
Краткое
содержание
курса:
основные
понятия,
постулаты,
начала,
методы
термодинамики, условия термодинамического равновесия, понятие о фазовых переходах,
некоторые применения термодонамики, основные принципы статистической физики,
статистическая теория равновесного состояния, идеальный и реальные газы, флуктуации.
2. Требования к исходным уровням знаний и умений студентов
Физика I – IV, Основы теоретической физики I – II, Mатематика I – VI
3. Цель и задачи дисциплины
Получение студентами необходимого минимума знаний о началах и методах
термодинамики, статистическом описании равновесных систем, прикладное использование
при расчетах различных физических величин, а также их средних значений, с учетом их
дальнешего применения в последующих курсах (квантовая теория твердодго тела, физика
наноструктур).
4. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
После изучения дисциплины студент должен:
- знать основные постулаты термодинамики, основные законы (начала) термодинамики,
методы термодинамики, распределения классического и квантового идеального газов,
основы фазовых переходов;
- уметь определять и вычислять основные характеристические величины
термодинамических и статистических систем;
- иметь представления о приминениях термодинамики и статистической физики;
- владеть физическими и математическими методами расчета физических характеристик
термодинамических статистических систем.
-обладать способностью выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в
ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физикоматематический аппарат (ОПК-2)
5. Трудоемкости дисциплины и видов учебной работы по учебному плану
Виды учебной работы
Общая трудоемкость изучения дисциплины, в т.ч.:
1. Аудиторные занятия, в т. ч.:
1.1. Лекционные занятия
1.2. Семинарские занятия
1.3. Практические занятия
1.4. Лабораторные работы
2. Самостоятельная работа, в т. ч.:
2.1. Контактная самостоятельная работа
Всего
(ак. час)
216
90
54
36
90
-
2.2. Бесконтактная самостоятельная работа
Итоговый контроль
36
экзамен
6. Распределение весов по формам контроля
Вид учебной
работы / контроля
Контрольная работа
Тест
Курсовая работа
Лабораторные работы
Письменные домашние
задания
Вес формы
текущего
контроля в
результирующей
оценке текущего
контроля
Вес формы
промежуточного
контроля и
результирующей
оценки текущего
контроля в
итоговой оценке
промежуточного
контроля
М1
М1
М2
М3
0
0,6
0,6
0
0,4
0,4
М2
М3
0
0,6
0,6
0
0,4
0,4
Вес итоговых
оценок
промежуточных
контролей в
результирующей
оценке
промежуточного
контроля
Вес оценки
результирующей
оценки
промежуточных
контролей и
оценки итогового
контроля в
результирующей
оценке итогового
контроля
Эссе
Устный опрос
Другие формы (добавить)
Другие формы (добавить)
Вес результирующей оценки
текущего контроля в
итоговых оценках
промежуточных контролей
Вес итоговой оценки
1-го промежуточного
контроля в результирующей
оценке промежуточных
контролей
Вес итоговой оценки
2-го промежуточного
контроля в результирующей
оценке промежуточных
контролей
Вес итоговой оценки
3-го промежуточного
контроля в результирующей
оценке промежуточных
контролей
Вес результирующей оценки
промежуточных контролей
в результирующей оценке
итогового контроля
Вес оценки
экзамена/зачета
в результирующей оценке
итогового контроля
0
0,5
0,5
0,4
0,6
∑=0
∑=1
∑=1
∑ =01
∑=1
∑=1
∑=1
∑=1
7. Содержание дисциплины
Всего
(ак. часов)
Лекционные занятия
(ак. часов)
Семинарские занятия
(ак. часов)
Практические занятия
(ак. часов)
Лабораторные работы
(ак. часов)
7.1 Тематический план и трудоемкости аудиторных занятий
2
3
4
5
6
Разделы и темы дисциплины
1
МОДУЛЬ 1. ТЕРМОДИНАМИКА
Раздел 1. Введение
Системы состоящие из большого числа частиц.
Равновесное
состояние.
Средние
значения
физических величин. Процессы. Время релаксации.
Раздел 2. Основные понятия термодинамики
Тема 2.1. Термодинамические параметры
Тема 2.2. Основные
постулаты термодинамики
Тема 2.3. Работа и внутренняя энергия
Тема 2.4. Уравнения состояния
Раздел 3. Законы термодинамики
Тема 3.1. Первое начало термодинамики
Тема 3.2. Теплоемкость. Политропный процесс
Тема 3.3. Второе начало термодинамики
Тема 3.4. Цикл Карно. КПД цикла Карно
Тема 3.5. Энтропия. Третье начало
термодинамики (теорема Нернста)
Раздел 4. Методы термодинамики
Тема 4.1. Метод термодинамических
потенциалов
Раздел 5. Условия термодинамического равновесия
Тема 5.1. Условия равновесия и устойчивости
гомогенных систем
Тема 5.2. Условия равновесия фаз
Тема 5.3. Изотермы ван-дер Ваальса
Тема 5.4. Фазовые переходы первого рода.
Критическая точка
Тема 5.5. Понятие о фазовых переходах второго
рода
Раздел 6. Некоторые применения термодонамики
Тема 6.1. Эффект Джоуля – Томсона
Тема 6.2. Термодинамическая система во
внешних электрических и магнитных полях
46
2
26
-
2
9
20
-
5
-
-
-
-
1
1
-
1
1
-
-
-
3
4
1
2
-
2
2
-
16
7
-
2
4
4
3
1
1
2
1
3
2
3
2
9
1
3
2
2
-
1
1
2
3
11
4
6
1
5
1
1
-
2
3
1
1
1
2
4
2
2
1
1
-
4
4
1
2
1
1
1
1
-
-
Тема 6.3. Закон действующих масс. Принцип ЛеШателье
Тема 6.4. Ионизационное равновесие. Слабые
растворы. Осмотическое давление
МОДУЛЬ 2. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
Раздел 7. Основные принципы статистической
физики
Тема 7.1. Статитические закономерности
большой совокупности частиц
Тема 7.2. Изображение состояния классической
системы в фазовом пространстве
Тема 7.3. Статистическая функция
распределения
Тема 7.4. Энтропия. Закон возрастания
энтропии
Раздел 8. Статистическая теория равновесного
состояния
Тема 8.1. Микроканоническое и каноническое
распределение (распределение Гиббса)
Тема 8.2. Распределение Гиббса для систем с
переменным числом частиц
Раздел 9. Идеальный газ
Тема 9.1. Термодинамические потенциалы
идеального газа
Тема 9.2. Функции распределения идеального
газа
Тема 9.3. Распределение Больцмана в
классической статистике. Распределение
Максвелла
Тема 9.4. Статистическая термодинамика
классического и квантового идеального газов
Тема 9.5. Черное излучение
Раздел 10. Реальный газ
Тема 10.1. Учет взаимодействия молекул
Тема 10.2. Вывод уравнения состояния реального
газа (уравнение ван-дер-Ваальса)
Раздел 11. Твердое тело
Тема 11.1. Классическая теория теплоемкости
твердого тела. Закон Дюлонга и Пти
Тема 11.2. Квантовая теория теплоемкости
твердого тела (теории Эйнштейна и Дебая)
Раздел 12. Флуктуации
Тема 12.1. Малые флуктуации. Распределение
Гаусса
Тема 10.2. Флуктуации основных
термодинамических величин
ИТОГО
1
1
-
1
1
-
44
9
28
6
-
16
-
-
3
-
1
1
-
-
-
2
1
-
1
-
3
2
-
1
-
3
2
7
4
1
-
3
-
3
2
-
1
-
4
2
-
2
-
16
9
7
1
1
-
2
1
1
4
2
2
7
4
3
2
1
1
4
3
1
1
1
-
3
2
1
3
3
-
1
1
-
2
2
-
5
3
2
2
1
1
3
2
1
90
54
-
36
-
7.2 Содержание разделов и тем дисциплины
МОДУЛЬ 1. ТЕРМОДИНАМИКА
Раздел 1. Введение
Системы состоящие из большого числа частиц. Равновесное состояние. Средние
значения физических величин. Процессы. Время релаксации.
Раздел 2. Основные понятия термодинамики
Тема 2.1. Термодинамические параметры
Тема 2.2. Основные
постулаты термодинамики
Тема 2.3. Работа и внутренняя энергия
Тема 2.4. Уравнения состояния
Раздел 3. Законы термодинамики
Тема 3.1. Первое начало термодинамики
Тема 3.2. Теплоемкость. Политропный процесс
Тема 3.3. Второе начало термодинамики
Тема 3.4. Цикл Карно. КПД цикла Карно
Тема 3.5. Энтропия. Третье начало термодинамики (теорема Нернста)
Раздел 4. Методы термодинамики
Тема 4.1. Метод термодинамических потенциалов
Раздел 5. Условия термодинамического равновесия
Тема 5.1. Условия равновесия и устойчивости
гомогенных систем
Тема 5.2. Условия равновесия фаз
Тема 5.3. Изотермы ван-дер Ваальса
Тема 5.4. Фазовые переходы первого рода. Критическая точка
Тема 5.5. Понятие о фазовых переходах второго рода
Раздел 6. Некоторые применения термодонамики
Тема 6.1. Эффект Джоуля – Томсона
Тема 6.2. Термодинамическая система во внешних электрических и магнитных
полях
Тема 6.3. Закон действующих масс. Принцип Ле-Шателье
Тема 6.4. Ионизационное равновесие. Слабые растворы. Осмотическое давление
МОДУЛЬ 2. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
Раздел 7. Основные принципы статистической физики
Тема 7.1. Статитические закономерности большой совокупности частиц
Тема 7.2. Изображение состояния классической системы в фазовом пространстве
Тема 7.3. Статистическая функция распределения
Тема 7.4. Энтропия. Закон возрастания энтропии
Раздел 8. Статистическая теория равновесного состояния
Тема 8.1. Микроканоническое и каноническое распределение (распределение Гиббса)
Тема 8.2. Распределение Гиббса для систем с переменным числом частиц
Раздел 9. Идеальный газ
Тема 9.1. Термодинамические потенциалы идеального газа
Тема 9.2. Функции распределения идеального газа
Тема 9.3. Распределение Больцмана в классической статистике. Распределение
Максвелла
Тема 9.4. Статистическая термодинамика классического и квантового идеального
газов
Тема 9.5. Черное излучение
Раздел 10. Реальный газ
Тема 10.1. Учет взаимодействия молекул
Тема 10.2. Вывод уравнения состояния реального газа (уравнение ван-дер-Ваальса)
Раздел 11. Твердое тело
Тема 11.1. Классическая теория теплоемкости твердого тела. Закон Дюлонга и
Пти
Тема 11.2. Квантовая теория теплоемкости твердого тела (теории Эйнштейна и
Дебая)
Раздел 12. Флуктуации
Тема 12.1. Малые флуктуации. Распределение Гаусса
Тема 10.2. Флуктуации основных термодинамических величин
7.3 Экзаменационные вопросы
1. Системы состоящие из большого числа частиц. Равновесное состояние. Средние
значения физических величин. Процессы. Время релаксации.
2. Термодинамические параметры. Основные постулаты термодинамики
3. Работа и внутренняя энергия. Уравнения состояния
4. Первое начало термодинамики. Теплоемкость. Политропный процесс
5. Второе начало термодинамики. Цикл Карно. КПД цикла Карно
6. Энтропия. Третье начало термодинамики (теорема Нернста)
7. Метод термодинамических потенциалов
8. Условия равновесия и устойчивости гомогенных систем
9. Условия равновесия фаз. Изотермы ван-дер Ваальса
10. Фазовые переходы первого рода. Критическая точка. Понятие о фазовых переходах
второго рода
11. Эффект Джоуля – Томсона. Термодинамическая система во внешних электрических и
магнитных полях
12. Закон действующих масс. Принцип Ле-Шателье
13. Ионизационное равновесие. Слабые растворы. Осмотическое давление
14. Статитические закономерности большой совокупности частиц ([2] глава I)
15. Изображение состояния классической системы в фазовом пространстве ([2] глава I)
16. Статистическая функция распределения ([2] глава I)
17. Энтропия. Закон возрастания энтропии ([2] глава I)
18. Микроканоническое и каноническое распределение (распределение Гиббса) ([2] глава
III §28)
19. Распределение Гиббса для систем с переменным числом частиц ([2] глава III §125)
20. Термодинамические потенциалы идеального газа. Функции распределения
идеального газа. Распределение Больцмана в классической статистике.
Распределение Максвелла ([2] глава IV §§37,38)
21. Распределение Ферми. Распределение Бозе. Вырожденный электронный газ ([2] глава
V §§53-54,57)
22. Ферми- и бозе-газы элементарных частиц. Вырожденный бозе-газ ([2] глава V
§§56,62)
23. Черное излучение ([2] глава V §§63)
24. Учет взаимодействия молекул. Вывод уравнения состояния реального газа (уравнение
ван-дер-Ваальса) ([2] глава VII §§74-76)
25. Классическая теория теплоемкости твердого тела. Закон Дюлонга и Пти ([2] глава VI
§65)
26. Квантовая теория теплоемкости твердого тела (теории Эйнштейна и Дебая) ([2] глава
VI §66)
27. Малые флуктуации. Распределение Гаусса ([2] глава XII §110,111)
28. Флуктуации основных термодинамических величин ([2] глава XII §112,113)
8. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
8.1. Рекомендуемая литература
a) Базовые учебники
1. Базаров И.П., ТЕРМОДИНАМИКА, М., “Высшая школа”, 1991
2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Статистическая фиика (том V), М., “Наука”, 1976
б) Основная литература
1. Кубо Р., Термодинамика
2. Кубо Р., Статистическая механика
3. Киттель Ч., Статистическая термодинамика, М., 1977.
в) Дополнительная литература
4. Коткин Г.Л., Лекции по статистической физике, НГУ, Новосибирск, 1990.
8.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
Специализированные компьютерные программы не предусмотрены.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Специализированные лаборатории и классы или приборы не требуются.
Учебная программа:
одобрена Кафедрой общей физики и квантовых наноструктур
Зав. кафедрой:
Саркисян А.А.