Universität Regensburg - Fakultät Physik - Studium --- Vorlesungsinhalte

Physik IV - Wärmelehre (4 st.)

Stand Juli 2003; → zurück zur Übersicht


I) Einleitung

  1. Entropie und Temperatur
  2. Gleichgewichte
  3. Die Messung der Temperatur
  4. Das ideale Gasgesetz

II) Thermodynamik nach Gibbs

  1. Die Energie und die Gibbs'sche Fundamentalform
  2. Interpretation der Gibbs'schen Fundamentalform:
    Das Prinzip der Wärmekraftmaschine (Carnot'scher Wirkungsgrad)
  3. Irreversibilität
  4. Wärmekapazitäten
  5. Energie und Wärmekapazität idealer Gase
    1. Mechanisches Modell eines idealen Gases
    2. Gleichverteilungssatz
  6. Messung der Wärmekapazität und der Entropie
  7. Entropieerzeugung durch irreversiblen Temperaturausgleich
  8. Wärmestrom und Wärmeleitung
  9. Der historische Weg zur Entropie
  10. Die Entropie eines idealen Gases

III) Thermodynamische Potentiale

  1. Legendre-Transformationen
  2. Maxwellrelationen
  3. Beispiele aus der Mechanik und der Elektrodynamik*
  4. Konsequenzen der Homogenität
    1. Homogenitätsrelation
    2. Die Gibbs-Duhem Relation und das chemische Potenzial
  5. Die Entropie als thermodynamisches Potential*
  6. Die statistische Interpretation der Entropie

IV) Zusammengesetzte System

  1. Gleichgewicht und Stabilität (Extremalprinzipien)
  2. Ideale Mischungen
    1. Mischungsentropie
    2. Der osmotische Druck
    3. Das chemische Potenzial als Antrieb von Diffusionsprozessen:
      die Brown'sche Molekularbewegung
  3. Chemische Reaktionen - das Massenwirkungsgesetz*
  4. Elektrochemie*

V) Reale Systeme und Phasenübergänge

  1. Phasengleichgewichte und die Gleichung von Clausius und Clapeyron
  2. Instabilitäten in realen Mischungen*
  3. Das reale Gas
    1. Die Van der Waals'sche Zustandsgleichung
    2. Gay-Lussac-und Joule-Thompson Expansion
    3. Der Phasenübergang im Van der Waals-Modell
    4. Der kritische Punkt*

VI) Thermodynamische Maschinen

  1. Carnot-Prozeß mit idealen Gasen
  2. Die Sterlingmaschine
  3. Die Dampfmaschine
  4. Otto- und Dieselmotor
  5. Wärmepumpen
  6. Die Verflüssigung von Gasen

VII) Statistische Thermodynamik am Beispiel von Spin ½ - Systemen

  1. Zufallsgrößen und statistische Unabhängigkeit
  2. Das Boltzmann’sche Prinzip
  3. Die Energie als Zufallsgröße
  4. Die Zustandssumme eines Spin ½ - Systems
  5. Thermodynamische Eigenschaften des Spin ½ - Systems
    1. Wärmekapazität
    2. Magnetische Suszeptibilität
    3. Magnetokalorischer Effekt
  6. Magnetische Kühlung
  7. Der dritte Hauptsatz
  8. Negative Temperaturen*

VIII) Fermi- und Bosesysteme

  1. Energie und Teilchenzahl als Zufallsgrößen
  2. Die Zustandssumme
  3. "Elementare" Fermi- und Bosesysteme

IX) Ideale Fermigase: Das Sommerfeldmodell der Metalle

  1. Dispersionsrelation und Zustandsdichte
  2. Der Quantenpunktkontakt*
  3. Sommerfeldentwicklung
  4. Thermodynamische Eigenschaften
    1. Wärmekapazität
    2. Kompressibilität
    3. Thermische Ausdehnung
    4. Spinsuszeptibilität
  5. Glühemission*
  6. Lösungen von 3He in 4He: Erzeugung sehr tiefer Temperaturen*
  7. Weisse Zwerge und Neutronensterne*

X) Ideale Bosegase: Phononen und Photonen

  1. Massive Bosonen: Bose-Einstein-Kondensation
  2. Superfluides 4He*
  3. Masselose Bosonen: Phononen und Photonen
  4. Schwarzkörperstrahlung
  5. Photonenstatistik und das Experiment von Hanbury-Brown und Twiss*
  6. Phononen im Debyemodell



Mit einem Stern (*) gekennzeichnete Abschnitte sind optional

Voraussetzungen:
Analysis mehrerer Veränderlicher: partielle Ableitungen, totales Differenzial, Integrabilitätsbedingungen, Extrema mit Nebenbedingungen, Fouriertransformation von Differenzialgleichungen

Quantenmechanik des Teilchens im Kasten und des harmonischen Oszillators

Literatur:

D.V. Schroeder: An Introduction to Thermal Physics
M.W. Zemansky, R.H. Dittmann: Heat and Thermodynamics
C. Kittel, H. Kroemer: Physik der Wärme
W. Demtröder: Experimentalphysik 1 (Mechanik und Wärme)
H.B. Callen: Thermodynamics