Lærebok:
Daniel V. Schroeder: "An Introduction to Thermal Physics". Der finnes to utgaver: "International edition" fra 2004 og "New international edition" fra 2014. De to utgavene er identiske (samme tekst på samme sider) bortsett fra at 2014-utgaven har fjernet kapittelnummerering og detaljert innholdsfortegnelse. Derfor oppgir jeg pensumlisten litt mer detaljert her:
Part I: Fundamentals
Chapter 1: Energy in Thermal Physics
- 1.1 Thermal Equilibrium, 1
- 1.2 The Ideal Gas, 6
- 1.3 Equipartition of Energy, 14
- 1.4 Heat and Work, 17
- 1.5 Compression Work, 20
- 1.6 Heat Capacities, Latent Heat; Enthalpy, 28
- 1.7 Rates of Processes, Heat Conduction, Viscosity; Diffusion, 37
Chapter 2: The Second Law
- 2.1 Two-State Systems, 49
- 2.2 The Einstein Model of a Solid, 53
- 2.3 Interacting Systems, 56
- 2.4 Large Systems, 60
- 2.5 The Ideal Gas, 68
- 2.6 Entropy, 74
Chapter 3: Interactions and Implications
- 3.1 Temperature, 85
- 3.2 Entropy and Heat, 92
- 3.3 Paramagnetism, 98
- 3.4 Mechanical Equilibrium and Pressure, 108
- 3.5 Diffusive Equilibrium and Chemical Potential, 115
- 3.6 Summary and a Look Ahead, 120
Part II: Thermodynamics
Chapter 4: Engines and Refrigerators
- 4.1 Heat Engines, The Carnot Cycle, 122
- 4.2 Refrigerators, 127
Chapter 5: Free Energy and Chemical Thermodynamics
- 5.1 Free Energy as Available Work, 149
- 5.2 Free Energy as a Force toward Equilibrium, 161
- 5.3 Phase Transformations of Pure Substances, 166
- Diamonds and Graphite; The Clausius-Clapeyron Relation, The van der Waals Model, 166
- 5.6 Chemical Equilibrium, 208
Part III: Statistical Mechanics
Chapter 6: Boltzmann Statistics
- 6.1 The Boltzmann Factor, The Partition Function, 220
- 6.2 Average Values, 229
- 6.3 The Equipartition Theorem, 238
- 6.4 The Maxwell Speed Distribution, 242
- 6.5 Partition Functions and Free Energy, 247
- 6.6 Partition Functions for Composite Systems, 249
- 6.7 Ideal Gas Revisited, 251
Chapter 7: Quantum Statistics
- 7.1 The Gibbs Factor, 257
- 7.2 Bosons and Fermions, 262
- 7.3 Degenerate Fermi Gases, 271
- 7.4 Blackbody Radiation, 288
I tillegg regnes regneoppgaver og obliger som pensum i den forstand at vi forventer at du kan løse tilsvarende oppgaver på eksamen.
R.Baierlein: "Thermal Physics" kan også anbefales som supplement til læreboken angitt ovenfor.
Oversikt over pensum:
I kapittel 1 i læreboken gjennomgås grunnleggende klassisk termodynamikk. Ideell gass, første hovedsetning, adiabatiske og isoterme prosesser, varmekapasitet.
Kapittel 2 fortsetter med andre hovedsetning basert på et statistisk utgangspunkt. Tre systemer diskuteres: Ideell gass, Einstein-krystall og paramagnetisme. Begrepet entropi innføres fra statistiske betraktninger.
Disse temaene føres så videre i kapittel 3 hvor makroskopiske størrelser som temperatur, trykk, kjemisk potensial, varme og entropi knyttes til det mikroskopiske statistiske utgangspunktet.
Kapittel 4 gir en kort innføring i varmekraftmaskiner, kjøleskap og varmepumper med vekt på den ideelle Carnot-prosessen.
I kapittel 5 innføres de termodynamiske potensialene, med anvendelser på enkle kjemiske reaksjoner og faseoverganger. Videre etableres massevirkningsloven, og anvendes på kjemiske reaksjoner, dissosiasjon av vann (pH), ionisasjon av hydrogen.
Kapittel 6 er viet klassisk statistisk mekanikk (Boltzmann-statistikk) og relasjonen mellom mikroskopiske kvantemekaniske egenskaper og makroskopiske termodynamiske størrelser.
Til slutt gir kapittel 7 en innføring i kvantestatistikk. Bosoner og Fermioner, degenerert Fermi-gass (eksempler: halvledere og hvite dvergstjerner), sort stråling, energi og entropi for fotongass, Stefans lov.
Læringsmål:
Etter kurset skal studentene kunne:
Gjøre rede for og anvende termodynamikkens lover, samt grunnleggende termodynamiske størrelser og de matematiske sammenhengene mellom disse
Gjøre rede for den statistiske tolkningen av termodynamikken og sammenhengen mellom mikroskopiske og makroskopiske egenskaper
Anvende kombinatoriske metoder til å analysere matematisk enkle systemer, inkludert beregning av termodynamiske egenskaper
Gjennomføre beregninger for enkle prosesser og analysere praktiske anvendelser som varmekraftmaskiner
Sette opp uttrykk for de termodynamiske potensialene og deres termodynamiske identiteter, og bruke disse til å utlede andre relasjoner
Gjøre rede for den grunnleggende fysikken bak faseoverganger for rene stoffer og bak kjemiske likevekter
Sette opp den kanoniske partisjonsfunksjonen for enkle klassiske systemer med forskjellige frihetsgrader, og anvende denne til utledning av termodynamiske egenskaper
Anvende kvantestatistiske fordelingsfunksjoner og sammenhengen mellom partikkeltall og kjemisk potensiale til å analysere utvalgte systemer som degenerert Fermigass og stråling fra sort legeme.