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 Master-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, sowohl in anschaulicher wie auch in mathematischer Weise
  2. die Grundlagen der statistischen Mechanik sowie ihre Folgerungen für die makroskopischen Effekte in der Thermodynamik zu verstehen,
  3. ideale (Quanten-)Gase zu beschreiben und deren Bedeutung bei speziellen Anwendungsfällen zu verstehen,
  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

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

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lerninhalte präsentiert.

In der Übung werden anhand von Problembeispielen und (Rechen-)Aufgaben die Lerninhalte vertieft und eingeübt. Zudem wird in wissenschaftlichen Diskussionen das eigene physikalische Verständnis gefördert, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig erklären und anwenden können.

Medienformen

Tafelanschrieb, Präsentationen, Animationen

frei verfügbare Vorlesungsmitschrift

Übungsaufgaben

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

Es findet eine mündliche Prüfung von etwa 60 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft. Insbesondere ist es in diesem fortgeschrittenen Studienabschnitt des Lehramtsstudiums wichtig nachzuweisen, dass die/der Studierende Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Teilbereichen der Thermodynamik erfasst hat und diese anschaulich erklären kann. Dies kann mit einem (sich entwickelnden) Prüfungsgespräch am effizientesten überprüft werden.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

  • Wie lautet der 1. Hauptsatz der Thermodynamik?
  • Wie berechnet sich die Entropie in der statistischen Physik und was bedeutet diese Größe anschaulich?
  • Welcher Statistik unterliegt ein Elektronengas?

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.