Theoretische Physik 4B (Thermodynamik und Elemente der statistischen Mechanik)
Theoretical Physics 4B (Thermodynamics and Elements of Statistical Mechanics)

Modul PH0012 [ThPh 4B]

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 SS 2016 (aktuell)

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

verfügbare Modulversionen
SS 2016WS 2010/1

Basisdaten

PH0012 ist ein Semestermodul in Deutsch auf Bachelor-Niveau das im Sommersemester angeboten wird.

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

  • Module der Physik für Lehramtsstudierende

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 90 h 9 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH0012 ist Alejandro Ibarra.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

Temperatur und Wärme
1) Maxwell-Boltzmann-Verteilung, ideales Gasgesetz, Temperatur und Druck
2) Arbeit, Wärme, Entropie, thermodynamische Prozesse
Grundlagen der Thermodynamik und statistischen Mechanik
1) QM Vielteilchensysteme, Dichteoperatoren
2) Entropie, thermodynamisches Gleichgewicht, mikrokanonische Verteilung
3) Kanonische Verteilung, Zustandssummen
4) Thermodynamische Potentiale, Stabilität
5) Jarzynski-Crooks Fluktuations-Theorem
Ideale Gase
1) Wechselwirkungsfreie Quantengase, klassischer Limes
2) Entartete Fermi- und Bose-Gase
3) Bose-Einstein-Kondensation
4) Photonen, Thermodynamik der Strahlung, Phononen
Wechselwirkende Gase, Flüssigkeiten, Phasenübergänge
1) Virialentwicklung, van der Waals Gleichung, Phasen-Gleichgewicht
2) Paarkorrelationen, Strukturfaktor
3) Poisson-Boltzmann- und Debye-Hückel-Theorie
4) Gittergas und Ising-Modell
5) Molekularfeld-Näherung, Ginzburg-Landau-Theorie, kritische Exponenten
Nichtgleichgewichts-Thermodynamik
1) Brown’sche Bewegung, Fluktuations-Dissipations-Theorem
2) 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, MA1003, MA1004, MA1103, MA1104

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

ArtSWSTitelDozent(en)Termine
VU 6 Theoretische Physik 4B (Thermodynamik und Statistische Mechanik) Ibarra, A. Dienstag, 10:00–12:00
Donnerstag, 10:00–12:00
sowie Termine in Gruppen

Lern- und Lehrmethoden

Vorlesung:
Frontalunterricht
Zentralübung:
Frontalunterricht mit Rechenbeispielen
Übung:
Arbeitsunterricht (Übungsaufgaben rechnen), Diskussionen und weitergehende Erläuterungen zum Vorlesungsstoff

Medienformen

Tafelanschrieb bzw. Präsentation
Begleitende Informationen im Internet

Literatur

D.V. Schroeder: An Introduction to Thermal Physics (Addison Wesley 2000)
R. Balian: From Microphysics to Macrophysics (Springer 1991)
L.D. Landau / E.M. Lifschitz: Lehrbuch der Theoretischen Physik, Band V
S. K. Ma, Statistical Mechanics (World Scientific 1985)
R. K. Pathria, Statistical Mechanics, 2nd Edition (Butterworth Heinemann 1996)
T. Fließbach, Statistische Physik, Spektrum Wissenschaftlicher Verlag

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

Die Modulprüfung besteht aus einer mündlichen Prüfung. In diesem Prüfungsgespräch muss der / die Studierende nachweisen, dass er /sie die Grundlagen der statistischen Physik verstanden hat und daraus die makroskopisch beobachtbaren Gesetz der Thermodynamik ableiten kann.

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

Kondensierte Materie

Wenn Atome sich zusammen tun, wird es interessant: Grundlagenforschung an Festkörperelementen, Nanostrukturen und neuen Materialien mit überraschenden Eigenschaften treffen auf innovative Anwendungen.

Kern-, Teilchen-, Astrophysik

Ziel der Forschung ist das Verständnis unserer Welt auf subatomarem Niveau, von den Atomkernen im Zentrum der Atome bis hin zu den elementarsten Bausteinen unserer Welt.

Biophysik

Biologische Systeme, vom Protein bis hin zu lebenden Zellen und deren Verbänden, gehorchen physikalischen Prinzipien. Unser Forschungsbereich Biophysik ist deutschlandweit einer der größten Zusammenschlüsse in diesem Bereich.