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Theoretische Physik 4A (Statistische Mechanik und Thermodynamik)
Theoretical Physics 4A (Statistical Mechanics and Thermodynamics)

Modul PH0008 [ThPh 4A]

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom WS 2018/9 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

verfügbare Modulversionen
WS 2018/9WS 2016/7WS 2015/6WS 2010/1

Basisdaten

PH0008 ist ein Semestermodul in Deutsch auf Bachelor-Niveau das im Wintersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Pflichtmodule im Bachelorstudiengang Physik (5. Fachsemester, alle Vertiefungen)

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
270 h 120 h 9 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH0008 ist Frank Pollmann.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

1) Statistische Begründung der Termodynamik

Mikrokanonische Gesamtheit, Gleichwahrscheinlichkeitsannahme, Dichteoperator, Zustandssumme und Entropie, Wärme und Arbeit, Temperatur, Maxwell-Boltzmann-Verteilung, Gleichverteilungssatz, Hauptsätze der Thermodynamik, reversible und irreversible Prozesse, kanonische und grosskanonische Gesamtheiten.

2) Phänomenologische Thermodynamik

Grundlagen, Wärmekraftmaschinen und Kreisprozesse, Thermodynamische Potentiale und Stabilität, Maxwell-Relationen, Kühlung von Gasen durch Expansion, Phasen und Phasenübergänge von Einstoffsystemen, Clausius-Clapeyron Gleichung, Osmose, van-der-Waals-Gleichung, Mehrkomponentige Systeme.

3) Statistische Physik spezieller Systeme im Gleichgewicht

Wechselwirkungsfreie Quantengase: Grundlagen, klassischer Limes, Molekülgas, ideales Fermigas, Entartung, ideales Bose-Gas, Bose-Einstein-Kondensation, Photonen, Thermodynamik der Strahlung, Phononen, Magnetische Phänomene, Ising-Modell, Virialentwicklung, van der Waals Gleichung.

4) Nichtgleichgewichts-Thermodynamik/

Elementare Begriffe der kinetischen Theorie, Boltzmann-Gleichung, Brown’sche Bewegung, Fluktuations-Dissipations-Theorem, Teilchen-und Wärme-Diffusion, Einstein-Relation

Lernergebnisse

Nach der erfolgreichen Teilnahme an diesem Modul ist der/die Studierende in der Lage,
1.) die grundlegenden Begriffe zu Temperatur und Wärme zu kennen und deren Zusammenhänge zu beherrschen,
2.) die Grundlagen der statistischen Mechanik sowie ihre Folgerungen für die Thermodynamik zu verstehen,
3.) ideale (Quanten-)Gase zu beschreiben,
4.) wesentliche Eigenschaften und Beschreibungsmöglichkeiten von wechselwirkenden Gasen und Flüssigkeiten sowie das Verhalten an Phasenübergängen zu kennen und
5.) einen Einblick in Prozesse der Nichtgleichgewichts-Thermodynamik wiedergeben zu können.

Voraussetzungen

PH0005, PH0006, PH0007, MA9201, MA9202, MA9203, MA9204

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

Lern- und Lehrmethoden

In der Vorlesung „Theoretische Physik“ werden die Inhalte im Vortrag und durch anschauliche Beispiele sowie durch Diskussion mit den Studierenden vermittelt. Dabei werden die Studierenden auch zur eigenständigen inhaltlichen Auseinandersetzung mit den behandelten Themen sowie zum Studium der zugehörigen Literatur motiviert.

Jeweils passend zu den Vorlesungsinhalten bietet das „Offene Tutorium“ die Gelegenheit zum Selbst- und Gruppenrechnen im Großgruppenformat. Betreut durch mehrere Tutoren werden gemeinsam jene Aspekte des Stoffes wiederholt, die zum Lösen von konkreten Aufgaben gebraucht werden; Lösungsideen, -wege und -strategien werden vorgestellt und gemeinsam erprobt. In Gruppengesprächen können spezifische Prüfungssituationen bei mündlichen Prüfungen geübt werden.

In den Übungen lernen die Studierenden in Kleingruppen nicht nur den Lösungsweg nachzuvollziehen, sondern Aufgaben auch selbstständig zu lösen. Hierzu werden Aufgabenblätter angeboten, die die Studierenden zur selbstständigen Kontrolle sowie zur Vertiefung der gelernten Methoden und Konzepte bearbeiten sollen. In den Übungen werden die unter der Woche gerechneten Aufgaben von den Studierenden und einer/m wissenschaftlichen Mitarbeiter(in) an der Tafel vorgerechnet und besprochen. Die Übung bietet auch die Gelegenheit zur Diskussion und weitergehende Erläuterungen zum Vorlesungsstoff und bereitet konkret auf die Prüfungen vor.

Die verschiedenen Lernformate sind eng verzahnt und befinden sich im ständigen Austausch.

Die Lehrveranstaltungen des Moduls werden nur im Wintersemester angeboten. Studierende, die im Anschluss an das Sommersemester die Wiederholungsprüfung ablegen möchten, können zur Wiederholung zumindest von Teilen des Stoffes die Lehrveranstaltungen des ähnlichen Moduls PH0012 Theoretische Physik 4B (Thermodynamik und Elemente der Statistik) besuchen.

Medienformen

Tafelanschrieb bzw. Präsentation
Begleitende Informationen im Internet

Literatur

  • M. Kardar, Statistical Physics of Particles, Cambridge University Press
  • F. Reif, Fundamentals of statistical and thermal physics, Mc Graw-Hill
  • T. Fließbach, Statistische Physik, Spektrum, Akad. Verlag
  • W. Nolting, Band 6: Statistische Physik
  • F. Schwabl, Statistische Mechanik
  • Landau, Lifshitz, Pitajewski, Band 5: Statistische Physik, Teil 1

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

Es findet eine mündliche Prüfung von etwa 40 Minuten Dauer statt. Darin wird exemplarisch das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

  • Bestimmung des chemischen Potentials eines idealen Gases im kanonischen Ensemble
  • Darstellung von Eigenschaften des Ising-Modells

Die Studierenden haben die Möglichkeit, durch erfolgreiche Teilnahme an den Übungen einen Bonus zu erwerben. Erfolgreiche Teilnahme bedeutet die aktive Teilnahme in den Übungen und mindestens 50% der Hausaufgabenpunkte. Liegt der Bonus im Vorfeld der mündlichen Prüfung vor, wird die Note einer bestandenen Modulprüfung um eine Zwischennotenstufe "0,3" aufgewertet (4,3 wird nicht auf 4,0 aufgewertet).

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten. Eine Wiederholungsmöglichkeit wird im Folgesemester angeboten.

Aktuell zugeordnete Prüfungstermine

Derzeit sind in TUMonline die folgenden Prüfungstermine angelegt. Bitte beachten Sie neben den oben stehenden allgemeinen Hinweisen auch stets aktuelle Ankündigungen während der Lehrveranstaltungen.

Titel
ZeitOrtInfoAnmeldung
Prüfung zu Theoretische Physik 4A (Statistische Mechanik und Thermodynamik)
Fr, 15.3.2019 Dummy-Termin. Die individuellen Termine werden nach Abschluss der Anmeldung durch das Dekanat festgelegt. Die Prüfungen werden ca. Ende März / Anfang April stattfinden. Prüfer sind die Dozenten des Theoriekollegiums der Fakultät. Weitere Infos zur Theo.Phys. 4A: http://www.ph.tum.de/academics/faq/bsc/th4/ bis 15.1.2019
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