МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Кемеровский государственный университет»
Физический факультет
Кафедра теоретической физики
УТВЕРЖДАЮ
декан физического факультета
_________________________
"_____"__________201___ г.
Рабочая программа дисциплины (модуля)
Термодинамика и статистическая физика
Направление подготовки
011200 ФИЗИКА
Профиль подготовки
«Физика конденсированного состояния вещества»
Квалификация (степень) выпускника бакалавр
Форма обучения очная
Кемерово
2010
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины «Термодинамика и статистическая физика» являются:
· формирование фундаментальных представлений о термодинамических и статистических закономерностях существования и изменения макроскопических систем;
· развитие навыков проведения необходимых расчетов физических характеристик макросистем и умения физически интерпретировать результаты этих расчетов; давать верную методологическую и философскую оценку физическим закономерностям, наблюдаемым в макросистемах;
· выявление и воспитание студентов, способных к научно-исследовательской работе, подготовка к продолжению образования в магистратурах направления 011200 Физика;
· подготовка профессиональных и конкурентоспособных специалистов в области физики конденсированного состояния, способных работать на инженерно-технических должностях в научно-исследовательских лабораториях НИИ, вузов, предприятий.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
«Термодинамика и статистическая физика» является завершающим разделом курса теоретической физики, как комплекса фундаментальных физических дисциплин и преследует цель подготовки специалистов-физиков широкого профиля, умеющих грамотно решать практические и теоретически важные задачи, в том числе возникающие на стыках различных наук (физика-химия, физика-биология, биология-химия-физика и т. д.)
Фундаментальные понятия и представления, введенные в курсе «Термодинамика и статистическая физика», будут использоваться во всех спецкурсах, в которых необходимо учитывать тепловое движение и свойства макроскопических систем.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины:
· способность использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области математики и естественных наук (ОК-1);
· способность использовать в познавательной и профессиональной деятельности навыки работы с информацией из различных источников (ОК-16);
· способностью использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных задач (ПК-1);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
· Знать:
- основы термодинамического подхода при решении научно-исследовательских и практических задач;
- основные понятия, определения и законы равновесной термодинамики, как метода исследования макроскопических систем;
- методологические основы описания макроскопических систем, процессов, с учетом их взаимосвязи и взаимодействия, как с феноменологической так и с теоретической точек зрения.
· Уметь:
- проводить анализ и классификацию термодинамических систем;
- формулировать цели исследования и принципы функционирования равновесных термодинамических систем;
- выполнять оценку характеристических функций и основных параметров при исследовании термодинамических систем;
- использовать методы равновесной термодинамики для изучения термодинамических свойств макроскопических систем, находящихся под воздействием внешних факторов (давление и температура).
4. Структура и содержание дисциплины (модуля) Термодинамика и статистическая физика
Общая трудоемкость дисциплины составляет __2___ зачетные единицы __72__ часа.
4.1. Объём дисциплины и виды учебной работы (в часах)
4.1.1. Объём и виды учебной работы (в часах) по дисциплине в целом
Вид учебной работы | Всего часов |
Общая трудоемкость базового модуля дисциплины | 72 |
Аудиторные занятия (всего) | 36 |
В том числе: | |
Лекции | 18 |
Семинары | 18 |
Самостоятельная работа | 36 |
В том числе: | |
Подготовка к практическим занятиям и контрольным работам | 8 |
Решение задач | 8 |
Подготовка к зачету | 20 |
Вид промежуточного контроля | Контрольная работа, тест |
Вид итогового контроля | зачет |
4.1.2. Разделы базового обязательного модуля дисциплины и трудоемкость по видам занятий (в часах)
№ п/п | Раздел Дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Общая трудоёмкость (часах) | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Форма промежуточной аттестации (по семестрам) | |||
Учебная работа | В. т.ч. активных форм | Самостоятельная работа | |||||||
всего | лекции | Практ. | |||||||
1 | Математическое введение. | 7 | 1 | 6 | 2 | 2 | 2 | 2 | ДЗ, контр. работа, зачет |
2 | Основные понятия и принципы статистической физики. | 7 | 2 | 7 | 2 | 1 | 1 | 4 | ДЗ, контр. работа, зачет |
3 | Законы статистического распределения | 7 | 3 | 8 | 2 | 2 | 2 | 4 | ДЗ, контр. работа, зачет |
4 | Распределения в классической статистике | 7 | 4,5 | 8 | 2 | 2 | 2 | 4 | ДЗ, контр. работа, зачет |
5 | Распределения в квантовой статистике | 7 | 7,8 | 7 | 1 | 2 | 2 | 4 | ДЗ, контр. работа, зачет |
6 | Основы термодинамики | 7 | 9,10 | 7 | 2 | 1 | 1 | 4 | ДЗ, контр. работа, зачет |
7 | Идеальные газы | 7 | 11,12 | 7 | 1 | 2 | 2 | 4 | ДЗ, контр. работа, зачет |
8 | Термодинамика твердых тел | 7 | 13 | 5 | 2 | 1 | 1 | 2 | ДЗ, контр. работа, зачет |
9 | Неидеальные газы | 7 | 14 | 4 | 1 | 1 | 1 | 2 | ДЗ, контр. работа, зачет |
10 | Системы с переменным числом частиц | 7 | 15,16 | 7 | 1 | 2 | 2 | 4 | ДЗ, контр. работа, зачет |
11 | Квантовые статистики | 7 | 17,18 | 6 | 2 | 2 | 2 | 2 | ДЗ, контр. работа, зачет |
ИТОГО | 72 | 18 | 18 | 18 | 36 |
4.2 Содержание дисциплины
Содержание разделов базового обязательного модуля дисциплины
№ | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела дисциплины | Результат обучения, формируемые компетенции |
1 | Математическое введение. | Приемы преобразования термодинамических величин. Якобианы преобразований. Элементы теории вероятности. Функция распределения. Средние значения. Флуктуации. | ОК-1, ОК-16, ПК-1 |
2 | Основные понятия и принципы статистической физики. | Краткий очерк развития термодинамики и МКТ. Исходные положения, основные понятия объект, предмет и методы ТД и СФ. Микроскопическое состояние. Статистический ансамбль. Фазовое пространство. Микроскопическое описание состояния квантовой системы. Состояние статистического равновесия. | ОК-1, ОК-16, ПК-1 |
3 | Законы статистического распределения | Механический подход и статистические законы. Функция распределения. Теорема Лиувилля. Зависимость функции распределения от энергии системы. Микроканоническое и каноническое распределение. Определение квантового аналога фазового объема. Число квантовых состояний. Статистический вес и энтропия. | ОК-1, ОК-16, ПК-1 |
4 | Распределения в классической статистике | Термодинамическое (статистическое) равновесие системы. Внешние и внутренние параметры. Каноническое распределение Гиббса. Распределение Максвелла-Больцмана. | ОК-1, ОК-16, ПК-1 |
5 | Распределения в квантовой статистике | Квантовые состояния некоторых простых систем. Чистые и смешанные состояния. Матрица плотности. Статистическое распределение для квантовых систем. | ОК-1, ОК-16, ПК-1 |
6 | Основы термодинамики | Основные понятия и законы термодинамики. Методы термодинамики. Начала термодинамики. Термодинамические потенциалы, уравнения и неравенства. Условия устойчивости и равновесия, фазовые переходы. | ОК-1, ОК-16, ПК-1 |
7 | Идеальные газы | Многоатомный идеальный газ. Смесь идеальных газов. Классическая теория теплоемкости идеальных газов. Квантовая теория теплоемкости идеальных газов. Термодинамические свойства идеального многоатомного газа. | ОК-1, ОК-16, ПК-1 |
8 | Термодинамика твердых тел | Теплоемкость твердого тела. Теории Эйнштейна и Дебая. Уравнение состояния твердого тела. | ОК-1, ОК-16, ПК-1 |
9 | Неидеальные газы | Взаимодействие между молекулами в системе. Уравнение состояния слабо неидеального газа. Плазма. | ОК-1, ОК-16, ПК-1 |
10 | Системы с переменным числом частиц | Большое каноническое распределение. Химический потенциал. Фазовые равновесия. Фазовые переходы. | ОК-1, ОК-16, ПК-1 |
11 | Квантовые статистики | Распределение Ферми-Дирака. Распределение Бозе-Эйнштейна. Сопоставление статистик Максвелла-Больцмана, Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака | ОК-1, ОК-16, ПК-1 |
4.2.1. Лекционный курс
Тема 1. Математическое введение
Приемы преобразования термодинамических величин. Якобианы преобразований. Элементы теории вероятности. Функция распределения. Средние значения. Флуктуации.
Тема 2. Основные понятия и принципы статистической физики
Краткий очерк развития термодинамики и МКТ. Исходные положения, основные понятия объект, предмет и методы ТД и СФ. Микроскопическое состояние. Статистический ансамбль. Фазовое пространство. Микроскопическое описание состояния квантовой системы. Состояние статистического равновесия.
Тема 3. законы статистического распределения
Механический подход и статистические законы. Функция распределения. Теорема Лиувилля. Зависимость функции распределения от энергии системы. Микроканоническое и каноническое распределение. Определение квантового аналога фазового объема. Число квантовых состояний. Статистический вес и энтропия.
Тема 4. Распределения в классической статистике
Термодинамическое (статистическое) равновесие системы. Внешние и внутренние параметры. Каноническое распределение Гиббса. Распределение Максвелла-Больцмана.
Тема 5. Распределения в квантовой статистике
Квантовые состояния некоторых простых систем. Чистые и смешанные состояния. Матрица плотности. Статистическое распределение для квантовых систем.
Тема 6. Основы термодинамики
Основные понятия и законы термодинамики. Методы термодинамики. Начала термодинамики. Термодинамические потенциалы, уравнения и неравенства. Условия устойчивости и равновесия, фазовые переходы.
Тема 7. Идеальные газы
Многоатомный идеальный газ. Смесь идеальных газов. Классическая теория теплоемкости идеальных газов. Квантовая теория теплоемкости идеальных газов. Термодинамические свойства идеального многоатомного газа.
Тема 8. Термодинамика твердых тел
Теплоемкость твердого тела. Теории Эйнштейна и Дебая. Уравнение состояния твердого тела.
Тема 9. НЕИДЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ
Взаимодействие между молекулами в системе. Уравнение состояния слабо неидеального газа. Плазма.
Тема 10. СИСТЕМЫ С ПЕРЕМЕННЫМ ЧИСЛОМ ЧАСТИЦ
Большое каноническое распределение. Химический потенциал. Фазовые равновесия. Фазовые переходы.
Тема 11. КВАНТОВЫЕ СТАТИСТИКИ
Распределение Ферми-Дирака. Распределение Бозе-Эйнштейна. Сопоставление статистик Максвелла-Больцмана, Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака
4.2.2. Практические (семинарские) занятия
№ п/п | Номер темы | Кол-во часов | Тема занятия |
1. | 1 | 2 | Приемы преобразования термодинамических величин. Элементы теории вероятности. Функция распределения. Средние значения. |
2. | 2 | 2 | Фазовое пространство. |
3. | 3 | 2 | Теорема Лиувилля. |
4. | 4 | 2 | Распределение Максвелла-Больцмана. |
5. | 5 | 2 | Статистическое распределение для квантовых систем. |
6. | 6 | 2 | Основные понятия и законы термодинамики. |
7. | 7,8 | 2 | Термодинамические свойства идеального газа. Теплоемкость твердых тел. |
8. | 10 | 2 | Фазовые переходы. |
9. | 11 | 2 | Квантовые статистики |
5. Образовательные технологии
· Проблемное обучение
· Решение задач исследовательского характера на практических занятиях
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Для обеспечения текущего контроля усвоения курса «Термодинамика и статистическая физика» используется рейтинговая система, фиксирующая активность и успешность участия студента в процессе обучения в семестре. Итоговый контроль проводится в виде письменного теста после завершения лекционных и практических занятий (последняя неделя семестра). Оценки, полученные студентом в семестре на практических занятиях (NП), в результате выполнения контрольных работ (NК) и итогового теста (NИ) определяют итоговую оценку. Полученная в результате сумма баллов N= NП + NК + NИ соотносится со сто процентным выполнением требований курса (N=NМАКС=100%). При N≥60 студент получает зачет автоматически. Студенты, набравшие менее 60 баллов, проходят дополнительное тестирование.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
7.1. Основная литература:
1. Румер, , статистическая физика и кинетика: учеб. пособие/ , .– М.: Наука, 2001. – 608 с.
2. Ландау, физика: учеб. пособие. Ч.1./ , .–М.:Наука, 1976. – 584 с.
3. Квасников и статистическая физика. Т.1. Теория равновесных систем: Термодинамика. – М. Едиториал УРСС, 2002. – 240 с.
4. Ансельм статистической физики и термодинамики. М.: Наука, 1973. – 424 с.
5. , , Китова по решению задач в курсе «Термодинамика и статистическая физика»: Учебно-методическое пособие // Кемерово: Кузбассвузиздат, 20с
7.2. Дополнительная литература:
1. Базаров, : учебник/ . – М.: Высш. шк., 1983. – 344 с.
2. Ландсберг, П. Задачи по термодинамике и статистической физике / П. Ландсберг. – М.: Мир, 1974. – 640 с.
3. Сборник задач по теоретической физике/ , , . – М.: Высш. шк., 1984. – 319 с.
4. Филатова, задач с решениями по термодинамике и статистической физике: учеб. пособие/ , . – Новосибирск: НГУ, 1981. – 88 с.
5. Оришич, по термодинамике и статистической физике: учебное пособие / , . – Новосибирск.: НГУ, 2000. – 38 с.
6. Серова, задач по теоретической физике: квантовая механика, статистическая физика: учеб. пособие/ , .– М.: Просвещение, 1979, 192 с.
7. Серова задач по термодинамике: учеб. пособие/ , . - М.: Просвещение, 1976, 160 с.
8. Шиллинг, Г. Статистическая физика в примерах / Г. Шиллинг. – М.: Мир, 1976. – 430 с.
7.3. Программное обеспечение и Интернет-ресурсы
1. Электронный вариант практикума , , Китова по решению задач в курсе «Термодинамика и статистическая физика»: Учебно-методическое пособие // Кемерово: Кузбассвузиздат, 20с.
2. Курс авторских мультимедийных лекций
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля):
· Мультимедийное оборудование лекционной аудитории;
· Авторские лекционные материалы
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки ___________________________________-_______ .
Автор (ы) ____________________________
Рецензент (ы) _________________________
Рабочая программа дисциплины
обсуждена на заседании кафедры
Протокол № | от « | » | 201 | г. |
Зав. кафедрой ________________________ Поплавной А. С.
(подпись)
Одобрено методической комиссией факультета
Протокол № | от « | » | 201 | г. |
Председатель ________________________ Золотарев М. Л.
(подпись)
