Modul Nr. 10 Theoretische Physik III Kurzbezeichnung Theorie III

Modul Nr. 10 Theoretische Physik III
Theorie III
Kurzbezeichnung
Zusatz
Statistische Mechanik
Art der Veranstaltung
Vorlesung (4 SWS) und Übung (2 SWS) betreut in Kleingruppen
Leistungspunkte (LP)
9
Kurzbeschreibung
Einführung in die Physik von makroskopischen
Vielteilchensystemen, insbesondere die Theorie der Wärme
Voraussetzungen
Modul 7
Prüfungsanforderungen
Vorlesung und Übungsaufgaben
Leistungsnachweis
Übungsaufgaben und Klausur
Inhalte/ Ziele
In makroskopischen Systemen mit sehr vielen Teilchen bzw. Freiheitsgraden kommt es durch das
Zusammenspiel vieler gleichartiger Elemente zu neuen physikalischen Phänomenen und
Gesetzmäßigkeiten. Beispielsweise gibt es in makroskopischen Systemen eine eindeutig aus-gezeichnete
Zeitrichtung („Zeitpfeil“); neue physikalische Größen treten auf, z.B. Temperatur und Wärme; man
beobachtet neue „universelle“ Gesetze, z.B. die Diffusionsgleichung und grundlegend neuartige
Phänomene, z.B. Phasenübergänge.
In der Veranstaltung wird vermittelt, wie dieses mikroskopisch begründet und phänomenologisch
beschrieben werden kann. Die Studierenden werden mit den zentralen Begriffen „thermodynamisches
Gleichgewicht“ und „Entropie“ vertraut und lernen Konzepte kennen, die sehr breit und weit über die
Physik hinaus angewendet werden können: z.B. in Chemie, Biologie, Ingenieurwissenschaften bis hin zu
Wirtschafts- und Sozialwissenschaften.
Kernpunkte der Veranstaltung sind:
Thermodynamik:
Grundkonzepte: thermodynamisches Gleichgewicht, System und Umgebung (Wärmebäder), Zustand,
Zustandsgrößen
Hauptsätze der Thermodynamik
Entropie, thermodynamische Potentiale
Zustandsgleichungen, Gleichgewichts- und Stabilitätsbedingungen, thermodynamische Koeffizienten
Anwendungen (z.B. Chemische Reaktionen, Wärmekraftmaschinen, Thermodynamik von
Phasenübergängen)
Grundlagen der statistischen Physik
Mikroskopische Definitionen der Entropie, Wärme und Temperatur Gesamtheiten, Zustandssummen, freie
Energien
thermodynamischer Limes, Fluktuationen
Beziehung zur Thermodynamik und Informationstheorie
Quantenstatistik
Statistische Quantenmechanik
Ideale Quantengase, Bose-Einstein- und Fermi-Dirac-Verteilung
Stark entartete Fermi- und Bosegase, Bose-Einstein-Kondensation
Ausblick in weiterführende Themen
z.B. Prozesse fern vom thermodynamischen Gleichgewicht
Phasenübergänge
Computersimulationsmethoden
Lehre und Selbststudium
Begleitend zu der Vorlesung muss eine Nacharbeitung / Überarbeitung anhand von Physik- (Standard)
Lehrbüchern erfolgen. Zu den Übungen müssen Aufgaben zu Hause gelöst und in den Übungen
vorgerechnet werden, die Übungsaufgaben werden jeweils eine Woche vorher ausgegeben.
Anforderungen und Einzelleistungen (Prüfungen)
Die Studierenden nehmen regelmäßig an den Veranstaltungen von Modul 10 teil. In den Übungen wird ihre
Teilnahme, d.h. regelmäßige Anwesenheit und ihre aktive Mitarbeit kontrolliert. Das Modul wird mit einer
Klausur abgeschlossen, die sich auf die Vorlesung und die Übungsaufgaben bezieht. Wenn die Klausur
bestanden ist, werden für das Modul 9 LP gutgeschrieben. Die Klausur wird benotet und geht in die
Abschlussnote für den B.Sc. ein.
Angebotsturnus
Jährlich, jeweils im Wintersemester
Lehrende
Die Lehrenden sind die Professor(inn)en der Theoretischen Physik im Wechsel. Die Übungen werden von
Tutoren, i.d. Regel Assistenten, Doktoranden oder erfahrene Studierende, betreut.
Literatur
Die Veranstaltung folgt keinem bestimmten Lehrbuch. Zu Beginn der Veranstaltung wird unterstützende
Literatur bekannt gegeben.
Folgende beispielhafte Standardwerke sind zu empfehlen:
Din et al.: Grundlagen der Statistischen Mechanik (de Gruyter)
F. Reif: Fundamentals of Statistical and Thermal Physics (McGraw-Hill)
H.B. Callen: Thermodynamics and Introduction to Thermal Statistics (John Willey)
F.J. Jellito: Thermodynamik und Statistik (Aula)
L.D. Landau/E.M. Lifshitz: Statistische Physik (Vieweg)
F. Schwabl: Statistische Mechanik (Springer)