Термодинамика и статистическая физика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г.СЕМЕЙ
Документ СМК 3 уровня
УМКД
УМКД 042-18-38.64
УМКД
Редакция № 2
/01-2015
Программа дисциплины
от 25.06.2015 г.
«Термодинамика и статистическая
физика»
для преподавателя
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«Термодинамика и статистическая физика»
для специальности 5В060400 - «Физика»
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ
Семей
2015
УМКД 042-18-38.64/01-2015
Редакция № 2
от 25.06.2015 г.
стр. 2 из 12
ПРЕДИСЛОВИЕ
1. РАЗРАБОТАНО
Составитель _______
«__» ____ 2015г. Мукушев Б.А., д.п.н., и.о.профессора
2. ОБСУЖДЕНО
2.1. На заседании кафедры «Фи зики»
Протокол № 10 от 25.06.2015 года
Заведующий кафедрой ___________ Маусымбаев С.С.
2.2. На заседании
факультета
Протокол № от
учебно-методического
бюро
физико-математического
2015года
Председатель
Батырова К.А.
3. УТВЕРЖДЕНО
Одобрено и рекомендовано к изданию на заседании Учебно-методического совета
университета
Протокол №
от «
»______ 2015 года
Председатель УМС ____________
Искакова Г.К.
УМКД 042-18-38.64/01-2015
Редакция № 2
от 25.06.2015 г.
Содержание
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Область применения
Нормативные ссылки
Общие положения
Содержание учебной дисциплины (модуля)
Перечень тем для самостоятельной работы студентов
Карта обеспеченности учебно-методической литературой
Литература
стр. 3 из 12
УМКД 042-18-38.64/01-2015
Редакция № 2
от 25.06.2015 г.
стр. 4 из 12
1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Программа дисциплины для преподавателя, входящая в состав учебнометодического комплекса, по дисциплине «Статистическая физика и основы
физической кинетики», предназначена для студентов специальности «5В011000»
– «Физика».
2 НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ
Настоящая программа дисциплины для преподавателя устанавливает порядок
организации учебного процесса по дисциплине «Физика» в соответствии с
требованиями и рекомендациями следующих документов:
Государственный
общеобязательный
стандарт
образования
соответствующего уровня образования;
- Типовой учебный план специальности «5В011000» – «Физика»;
- СТУ 042-СГУ-4-2013 Стандарт университета «Общие требования к
разработке и оформлению учебно-методических комплексов дисциплин»;
- ДП 042-1.01-2013 Документированная процедура «Структура и содержание
учебно-методических комплексов дисциплин».
3 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
3.1 Краткое содержание дисциплины:
Основные
положения
статистической
физики.
Статистическая
термодинамика. Статистическое распределение системы в термостате. Свойства
идеальных и реальных газов. Равновесие фаз и фазовые переходы. Квантовая
статистика идеального газа. Элементы теории флуктуаций. Основы теорий
неравновесных процессов. Основы физической кинетики.
3.2 Цель изучения дисциплины:
подготовка специалистов, умеющих грамотно решать многочисленные
практически и теоретически важные задачи, в том числе возникающие на стыке
различных научных направлений;
- добиваться глубокого усвоения студентами, как общей структуры физической
науки, так и конкретных физических теорий;
- целостного представления о современной физической картине мира и единых
методах ее излучения;
- должна быть обеспечена его преемственность с курсом общей физики;
- Дать студентам глубокие и прочные знания основных термодинамических и
статистических закономерностей макроскопических систем, а также научить
применять эти знания к прикладным задачам. Обратить внимание на различие
УМКД 042-18-38.64/01-2015
Редакция № 2
от 25.06.2015 г.
стр. 5 из 12
методов, которые характерны для термодинамических и статистических подходов
при решении возникающих проблем.
3.3 Основная задача изучения дисциплины:
- необходимо акцентировать внимание студентов на наиболее общих принципах,
законах и понятия физики, имеющих единый теоретический базис;
- научить студентов применять эти принципы для анализа конкретных
физических процессов, и явлений;
- продемонстрировать связь изучаемых физических теорий с достижениями
современной наукой и техники.
3.4 Результаты обучения:
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
- основные понятия и фундаментальные законы термодинамики и статистической
физики;
владеть:
- методами постановки и решения задач, применяемых в термодинамике и
статистической физике;
усвоить:
- общую структуру термодинамики, статистической физики и физической
кинетики;
уметь:
- объяснять фундаментальные понятия статистической физики и физической
кинетики;
понимать:
- общие принципы, термодинамические и статистические закономерности
макроскопических систем;
иметь:
- представление о границах применимости физических теорий, о важнейших
этапах истории развития статистической физики и термодинамики;
приобрести:
- навыки работы с научной, учебно-методической и справочной литературой,
- навыки решения основных практических задач.
3.5 Пререквизиты курса:
 курс общей физики
 математический анализ
 теория обыкновенных дифференциальных уравнений
 методы математичкой физики
 квантовая и классическая механика
УМКД 042-18-38.64/01-2015
стр. 6 из 12
Редакция № 2
от 25.06.2015 г.
3.6 Постреквизиты курса:
 теория атомного ядра и элементарных частиц
 электронная теория вещества
3.7 Выписка из рабочего учебного плана:
Таблица 1
Курс Семест
р
Креди
ты
ЛК
СПЗ
СРСП СРС Всего
(час) (час) (час)
Форма
итогового
коньроля
4
3
30
15
22,5
Экзамен
7
67,5
135
4 СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ)
Наименование тем и их содержание
Таблица 2
Количество часов
1
2
МОДУЛЬ I. Основные положения статистической физики. Статистическая
термодинамика
Лекционные занятия
2
Два метода в физике. Теорема Лиувилля. Статистический
ансамбль, функция распределения.
- Феноменологическая термодинамика и статистическая
физика. Макроскопическая система, ее микросостояния и
макросостояния. Квантовый и классический способы
описания микросостояний. Теорема Лиувилля. Фазовое
пространство. Понятия о флуктуациях.
2
Микроканонические
распределения.
Энтропия.
Термодинамические параметры.
- Микроканонические распределения. Закон возрастания
энтропии. Статистический характер необратимых процессов.
Температура, ее определение через энтропию. Абсолютный
нуль. Обратимые и необратимые процессы.
УМКД 042-18-38.64/01-2015
Редакция № 2
от 25.06.2015 г.
стр. 7 из 12
Термодинамические параметры. Законы термодинамики.
- Давление. Внутренняя энергия. Термическое и калорическое
уравнения состояния. Теплота и работа. Первый закон
термодинамики. Второй закон термодинамики. Основное
термодинамическое тождество.
III закон термодинамики. Термодинамические функции.
- Теорема Нернста. Термодинамические функции: внутренняя
энергия, свободная энергия, энтальпия, термодинамический
потенциал Гиббса. Химический потенциал.
Распределение Гиббса.
- Каноническое распределение Гиббса. Статистическая сумма
(интеграл) и ее связь со свободной энергией. Вычисление
термодинамических параметров на основе распределения
Гиббса.
Основные применения распределения Гиббса.
Теорема о равномерном распределении кинетической
энергии по степениям свободы. Классическая теория
теплоемкостей (идеальных) кристаллов. Распределение
Максвелла по скоростям.
Большое каноническое распределение.
Большое
каноническое
распределение.
Основные
термодинамические соотношения дая системы с переменным
числом частиц. Флуктуация числа частиц системы.
Практические занятия
2
Термодинамические параметры. Законы термодинамики.
2
Термодинамические функции.
2
Каноническое распределение Гиббса.
3
2
2
2
2
МОДУЛЬ II. Равновесие фаз. Квантовая статистика. Элементы теории флуктуации
и физической кинетики
Лекционные занятия
Применение распределения Гиббса для идеального газа.
Реальные газы.
Распределение Больцмана для молекул иделаьного газа.
Применение канонического распределения Гиббса для
идеального газа. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса.
2
УМКД 042-18-38.64/01-2015
Редакция № 2
от 25.06.2015 г.
стр. 8 из 12
Равновесие двух фаз.
Условия равновесия двух фаз вещества и его устойчивость.
Фазовые переходы первого рода. Кривая равновесия фаз.
Уравнение Клапейрона-Клаузиуса.
Равновесие трех фаз. Фазовые переходы второго рода.
- Температурная зависимость давления насыщенного пара.
Равновесие трех фаз вещества, тройная точка. Понятия о
фазовых
переходах
второго
рода.
Поведение
термодинамических величин и их производных при фазовых
переходах.
Распределение в квантовой статистике.
- Распределения Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна. Условия
перехода к классической статистике, критерий вырождения.
Ферми-газ. Бозе-газ. Равновесие излучение.
- Свободные электроны в металлах как вырожденный фермигаз. Внутренняя энегрия и теплоемкость электронного газа в
металлах. Явление бозе-конденсации. Законы излучения
абсолютно черного тела.
Элементы теории флуктуации.
- Формула Эйнштейна для вероятности флуктуации.
Распределение
Гаусса
и
флуктуации
основных
термодинамических величин Броуновское движение.
Элементы физической кинетики.
- Уравнение Фоккера-Планка. Кинетическое уравнение
Больцмана.
Явление переноса.
- Уравнение переноса.
Практические занятия
2
Равновесие фаз и фазовые переходы
2
Распределения Ферми-Дирака и Бозе – Эйнштейна.
2
Теория флуктуации
2
Физическая кинетика.
2
2
2
2
2
2
2
5 ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
5.1. Свойства идеальных и реальных газов
УМКД 042-18-38.64/01-2015
стр. 9 из 12
Редакция № 2
от 25.06.2015 г.
5.2. Элементы физической кинетики
6 КАРТА
ОБЕСПЕЧЕННОСТИ
ЛИТЕРАТУРОЙ
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЙ
Таблица 3
Наименование учебников, учебнометодических пособий
Количествоэкземпляров
Ансельм А.И. Основы статистической
/8
физики и термодинамики. М., 1973.
Васильев А.М. Введение в
/10
статистичечкую физику. М., Высшая
школа, 1980.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.
/6
Статистическая физика. М., Наука,1976.
Радушкевич Л.В. Курс статистичекой
/8
физики. М., Просвещение, 1966.
Румер Ю.Б., Рывкин М.С.
/11
Термодинамика, статистическая физика и
кинетика. М., Наука, 1977.
Серова Ф.Г., Янкина А.А. Сборник задач
/10
по термодинамике. М., Просвещение,
1976.
Серова Ф.Г., Янкина А.А. Сборник задач
/11
по теоретической физике. М.,
Просвещение, 1979.
Дополнительная литература
Компанец А.С. Курс теоретической
/20
физики. М., Просвещение, 1972, т.2
Базаров И.Т. Термодинамика. М., Высшая
/10
школа, 1983.
Леонтович М.А. Введение в
/6
термодинамику статистическую физику.
М., Наука, 1976.
Кубо Р. Статистическая механика. иМ.,
/6
Мир, 1967.
Левич В.Г., Вдоин Ю.А., Мямлин В.А.
/10
Курс теоретической физики. Т.2., М.,
Количество
студентов
26/4
26/4
26/4
26/4
26/4
26/4
26/4
26/4
26/4
26/4
26/4
26/4
Процент
обеспеченно
сти
УМКД 042-18-38.64/01-2015
стр. 10 из 12
Редакция № 2
от 25.06.2015 г.
Наука, 1971.
Фейнман Р., Лейтон Р., Сэнда М
Фейнмановские лекции по физике, Т.4.,
Мир, 1977.
Шиллинг Г., Статистическая физика в
примерах. М., Мир, 1976.
Құдышев А.Н. Статистикалық физика.
Павлодар, 2010.
Истеков К.К., Косов В.Н., Стрыгин Д.П.
Статистическая физика. Основы
физической кинетики. А., ТОО
«Триумф»Т», 2007.
Всего:
/15
26/4
/2
26/4
30/0
26/4
0/20
26/4
30/133
26/4
100/100
7. ЛИТЕРАТУРА:
Основная литература:
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика в 9 книгах.- М:, Наука,
1993-2006г.
2. Мултановский В.В., Василевский А.С. Курс теоретической физики в 4-х
книгах. – М.:Просвещение, 1988,1990,1991
3. Кабулов А.Б. Некоторые вопросы квантовой теории многих тел. Курс
лекций. Алматы, 2002 г.
Дополнительная литература:
1. Компанеец А.С. Курс теоретической физики. М., Просвещение, 1972, т.2
2. Базаров И.Т. Термодинамика. М., Высшая школа, 1983.
3. Леонтович М.А. Введение в термодинамику статистическую физику. М., Наука,
1976.
4. Кубо Р. Статистическая механика, М., Мир, 1967.
5. Левич В.Г., Вдовин Ю.А., Мямлин В.А. Курс теоретической физики. Т.2 М.,
Наука, 1971.
6. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэнда М. Фейнмановские лекции по физике, Т.4., М.,
Мир, 1977.
7. Ансельм А.И. Основы статистической физики и термодинамики. М., 1973.
8. Васильев А.М. Введение в статистическую физику. М., Высшая школа, 1980.
9. Радушкевич Л.В. Курс статистической физики. М., Просвещение, 1966.
10. Румер Ю.Б., Рывкин М.С. Термодинамика, статистическая физика и кинетика.
М., Наука, 1977.
11. Серова Ф.Г., Янкина А.А. Сборник задач по термодинамике. М.,
Просвещение, 1976.
УМКД 042-18-38.64/01-2015
Редакция № 2
от 25.06.2015 г.
стр. 11 из 12
12. Серова Ф.Г., Янкина А.А. Сборник задач по теоретической физике. М.,
Просвещение, 1979.
13. Шиллинг Г., Статистическая физика в примерах. М., Мир, 1976.
14. Истеков К.К., Косов В.Н., Стрыгин Д.П. Статистическая физика. Основы
физической кинетики. А., ТОО «Триумф»Т», 2007.
15. Құдышев А.Н. Статистикалық физика. Павлодар, 2010.