Thermodynamics and Statistical Mechanics 2

203-1-2261

Course information

Credit points
3.50
Lecture hours
3.00
TA hours
1.00
Lab hours
0.00
University's course list

Summary

Thermodynamic potentials: Gibbs free energy; per molecule and per unit volume thermodynamic potentials.
First order phase transitions: experimental observations; thermodynamic phases; free energy per unit volume; conditions for phase separation; local and global stability of a thermodynamic phase; graphical representation.
Molecular interactions: hard-core repulsion; Van der Waals attraction; induced dipole; electronic and dipole polarizability; estimations of Van der Waals attraction for simple molecules; Lennard-Jones potential.
Incorporation of molecular interactions into free energy: phase coexistence; common tangent construction; phase diagrams; spinodal and binodal lines; critical temperature; Clausius-Clapeyron equation.
Van der Waals gas: free energy; pressure; spinodal; critical point; estimations of critical temperature; approximation of binodal far from the critical point.
Van der Waals gas near the critical point: free energy; binodal line; first and second-order phase transition; critical opalescence; nucleation and growth; surface energy; critical nucleous.
Ferromagnet-paramagnet second-order phase transition; Landau theory of phase transitions.
Kinetic theory of gases: characteristic velocities; kinetic derivation of pressure of ideal gas; Maxwell distribution of velocities.
Diffusion and random walks on a lattice model: mean-square displacement; diffusion coefficient; the diffusion equation for random walks; diffusion as transport phenomenon; derivation of Fick's laws from microscopic considerations; self- diffusion and collective diffusion coefficients.
Diffusion in gas: random walks; distribution of free paths; mean free path; mean square displacement of a molecule; self-diffusion coefficient; diffusion in concentration gradient; derivation of Fick's laws; equivalence of self-diffusion and collective diffusion coefficients for gases.
Other linear transport phenomena in gases: heat conductivity; Fourier law; thermalization;

Syllabus

  • Thermodynamic potentials: Gibbs free energy; per molecule and per unit volume thermodynamic potentials.
  • First order phase transitions: experimental observations; thermodynamic phases; free energy per unit volume; conditions for phase separation; local and global stability of a thermodynamic phase; graphical representation.

  • Molecular interactions: hard-core repulsion; Van der Waals attraction; induced dipole; electronic and dipole polarizability; estimations of Van der Waals attraction for simple molecules; Lennard-Jones potential.

  • Phase coexistence; common tangent construction; phase diagrams; spinodal and binodal lines; critical temperature; Clausius-Clapeyron equation.

  • Van der Waals gas: free energy; pressure; spinodal; critical point; estimations of critical temperature; approximation of binodal far from the critical point.

  • Van der Waals gas near the critical point: free energy; binodal line; first and second-order phase transition; critical opalescence; nucleation and growth; surface energy; critical nucleus.

  • Ferromagnet-paramagnet second-order phase transition; Landau theory of phase transitions.

  • Kinetic theory of gases: characteristic velocities; kinetic derivation of pressure of ideal gas; Maxwell distribution of velocities. Distribution of free paths; mean free path;

  • Diffusion and random walks on a lattice model: mean-square displacement; diffusion coefficient; the diffusion equation for random walks; diffusion as transport phenomenon; derivation of Fick's laws from microscopic considerations; self- diffusion and collective diffusion coefficients.

  • Other linear transport phenomena in gases: heat conductivity; Fourier law; thermalization; thermal conductivity coefficient; momentum transport; viscosity; mobility of molecules in the external field; Einstein relation; detailed balance.

  • The Boltzmann equation, its derivation and stationary state. The H-theorem and its implications on the second law of thermodynamics. Derivation of the Euler equations out of the Boltzmann equation

  • Advanced topics: Kubo formulas for linear transport coefficients and fluctuation-dissipation relations. From Langevin equation to Fokker-Planck equation. Thermalization in quantum systems

  • פוטנציאלים תרמודינמיים , פוטנציאל גיבס פר מולקולה
  • מעברי פאזה מסדר ראשון , פמנולוגיה , פאזות תרמודינמיות , אנרגייה חופשית ליחידת נפח . תנאים להפרדת פאזות . תנאים לשיווי משקל לוקאלי וגלובאלי . הצגה גרפית .

  • אינטרקציות מולקולריות : דחייה ומשיכת ונדר - וולס . דיפול מושרה , פולרזביליות .

  • דו - קיום של פאזות , בניית מקסוול , דיאגרמות פאזה . קווי בינודל וספינודאל . משוואת קלאוזיוס - קלפירון .

  • גז ונדר - וולס , אנרגייה חופשית , לחץ , ספינודל , נקודה קריטית והערכות טמפרטורה קריטית . מציאת קו הבינודאל קרוב ורחוק מהנקודה הקריטית .

  • גז ונדר - וולס : מעברי פאזה מסדר ראשון ושני , פלוקטואציות של צפיפות ליד הנקודה הקריטית , נוקלאציה , מתח פנים וגודל טיפה מימינאלי .

  • מעברי פאזה מגנטיים , מודל איסינג . תאוריית לנדאו למעברי פאזה .

  • התורה הקינטית של הגאזים , מהירויות אופייניות, פיתוח משוואת הגזים האידיאליים . התפלגות המהירויות של מקסוול . מהלך חופשי ממוצע ופילוגו

  • דיפוזיה ומהלך שיכור על סריג . וריאנס ההעתק , מקדם דיפוזיה . פיתוח חוקי פיק משיקולים מיקרוסקופיים . דיפוזייה עצמית ודופוזייה קולקטיבית .

  • טרנספורט של חום ומומנטום , צמיגות , ומקדם הולכת חום .

  • פיתוח ומשמעות של משוואת בולצמן . טאורמת H של בולצמן ומשמעותה עבור החוק השני של התרמודינמיקה . פיתוח משוואות אוילר של הידרודינמיקה מתוך משוואת בולצמן .

  • נושאים מתקדמים: משוואות קובו למקדמי טרנספורט , ומשפטי פלוקטואציה - דיסיפציה . ממשוואות לנג'ווין למשוואת פוקר - פלאנק . טרמלזציה במערכות קוונטיות .

Bibliography

Callen - Thermodynamics
Dorfman and Beijeren - The Kinetic Theory of Gases (1977)
Fermi - Thermodynamics
Huang - Statistical Mechanics
Kardar - Statistical Physics of Particles
Kittel and Kroemer - Thermal Physics
Reichl - A Modern Course in Statistical Physics
Reif - Fundamentals of Statistical and Thermal Physics
Stanley - Introduction to Phase Transitions and Critical Phenomena

תרמודינמיקה ומכניקה סטטיסטית 2

203-1-2261

נתוני קורס

נקודות זכות
3.50
שעות הרצאה
3.00
שעות תרגול
1.00
שעות מעבדה
0.00
לקובץ הקורסים

תקציר

מופעים ומעברי מופע - מופעים, דו קיום של מופעים, חום כמוס, משוואת מצב, המודל של וואן-דר-וואלס, פרומגנטיות, נקודות קריטיות, פרמטר סדר, תורת לנדאו של מעברי מופע, מעברי מופע מסדר ראשון ושני, בקיעת בועות. תורה קינטית - התפלגות מהירויות של מקסוול, משוואת המצב של גאז אידיאלי, מהלך חופשי, תהליכי הולכה, פעפוע, הולכה תרמית וחשמלית, משוואת הדיפוזיה, משוואת ההולכה של בולצמן, משוואת לנג'וואן, תנועה בראונית. גאזים קוונטיים - גאזים קוונטיים מנוונים, גאז פרמי, אנרגיית פרמי, יישומים, גאז בוזה, העיבוי של בוזה-איינשטיין. נושאים מתקדמים - חורים שחורים, אנטרופיה של חורים שחורים, חסמי אנטרופיה; משוואת סטוכאסטיות למערכות של כספים, משוואת Black Scholes, אופציות, דיפוזיית לוג-נורמאל; מערכות ביולוגיות, תרמודינמיקה של מערכות ביולוגיות, תנועה והנעה.

סילבוס

  • Thermodynamic potentials: Gibbs free energy; per molecule and per unit volume thermodynamic potentials.
  • First order phase transitions: experimental observations; thermodynamic phases; free energy per unit volume; conditions for phase separation; local and global stability of a thermodynamic phase; graphical representation.

  • Molecular interactions: hard-core repulsion; Van der Waals attraction; induced dipole; electronic and dipole polarizability; estimations of Van der Waals attraction for simple molecules; Lennard-Jones potential.

  • Phase coexistence; common tangent construction; phase diagrams; spinodal and binodal lines; critical temperature; Clausius-Clapeyron equation.

  • Van der Waals gas: free energy; pressure; spinodal; critical point; estimations of critical temperature; approximation of binodal far from the critical point.

  • Van der Waals gas near the critical point: free energy; binodal line; first and second-order phase transition; critical opalescence; nucleation and growth; surface energy; critical nucleus.

  • Ferromagnet-paramagnet second-order phase transition; Landau theory of phase transitions.

  • Kinetic theory of gases: characteristic velocities; kinetic derivation of pressure of ideal gas; Maxwell distribution of velocities. Distribution of free paths; mean free path;

  • Diffusion and random walks on a lattice model: mean-square displacement; diffusion coefficient; the diffusion equation for random walks; diffusion as transport phenomenon; derivation of Fick's laws from microscopic considerations; self- diffusion and collective diffusion coefficients.

  • Other linear transport phenomena in gases: heat conductivity; Fourier law; thermalization; thermal conductivity coefficient; momentum transport; viscosity; mobility of molecules in the external field; Einstein relation; detailed balance.

  • The Boltzmann equation, its derivation and stationary state. The H-theorem and its implications on the second law of thermodynamics. Derivation of the Euler equations out of the Boltzmann equation

  • Advanced topics: Kubo formulas for linear transport coefficients and fluctuation-dissipation relations. From Langevin equation to Fokker-Planck equation. Thermalization in quantum systems

  • פוטנציאלים תרמודינמיים , פוטנציאל גיבס פר מולקולה
  • מעברי פאזה מסדר ראשון , פמנולוגיה , פאזות תרמודינמיות , אנרגייה חופשית ליחידת נפח . תנאים להפרדת פאזות . תנאים לשיווי משקל לוקאלי וגלובאלי . הצגה גרפית .

  • אינטרקציות מולקולריות : דחייה ומשיכת ונדר - וולס . דיפול מושרה , פולרזביליות .

  • דו - קיום של פאזות , בניית מקסוול , דיאגרמות פאזה . קווי בינודל וספינודאל . משוואת קלאוזיוס - קלפירון .

  • גז ונדר - וולס , אנרגייה חופשית , לחץ , ספינודל , נקודה קריטית והערכות טמפרטורה קריטית . מציאת קו הבינודאל קרוב ורחוק מהנקודה הקריטית .

  • גז ונדר - וולס : מעברי פאזה מסדר ראשון ושני , פלוקטואציות של צפיפות ליד הנקודה הקריטית , נוקלאציה , מתח פנים וגודל טיפה מימינאלי .

  • מעברי פאזה מגנטיים , מודל איסינג . תאוריית לנדאו למעברי פאזה .

  • התורה הקינטית של הגאזים , מהירויות אופייניות, פיתוח משוואת הגזים האידיאליים . התפלגות המהירויות של מקסוול . מהלך חופשי ממוצע ופילוגו

  • דיפוזיה ומהלך שיכור על סריג . וריאנס ההעתק , מקדם דיפוזיה . פיתוח חוקי פיק משיקולים מיקרוסקופיים . דיפוזייה עצמית ודופוזייה קולקטיבית .

  • טרנספורט של חום ומומנטום , צמיגות , ומקדם הולכת חום .

  • פיתוח ומשמעות של משוואת בולצמן . טאורמת H של בולצמן ומשמעותה עבור החוק השני של התרמודינמיקה . פיתוח משוואות אוילר של הידרודינמיקה מתוך משוואת בולצמן .

  • נושאים מתקדמים: משוואות קובו למקדמי טרנספורט , ומשפטי פלוקטואציה - דיסיפציה . ממשוואות לנג'ווין למשוואת פוקר - פלאנק . טרמלזציה במערכות קוונטיות .

ביבליוגרפיה

Callen - Thermodynamics
Dorfman and Beijeren - The Kinetic Theory of Gases (1977)
Fermi - Thermodynamics
Huang - Statistical Mechanics
Kardar - Statistical Physics of Particles
Kittel and Kroemer - Thermal Physics
Reichl - A Modern Course in Statistical Physics
Reif - Fundamentals of Statistical and Thermal Physics
Stanley - Introduction to Phase Transitions and Critical Phenomena
Last changed on April 25, 2022 by Bar Lev, Yevgeny (ybarlev)