Podstawy fizyki IV

Konsultacje

Notatki z konsultacji przed egzaminem [pdf]

Zadania z ćwiczeń

Ćwiczenia 1 (25.02.2020)
Dochodzenie do równowagi termicznej, rozszerzalność cieplna
Treść zadań [pdf]
Notatki i rozwiązania [pdf]
Plik Mathematica z wykresami do zadania 2 [nb]

Ćwiczenia 2 (3.03.2020)
Promieniowanie termiczne, prawo Stefana-Boltzmanna
Treść zadań [pdf]
Notatki i rozwiązania [pdf]
Plik z implementacją algorytmu Newtona w Pythonie (zad. 1 i 2) [py]
Plik Mathematica z wykresami do zadania 1 i 2 [nb]
Materiały uzupełniające:
J. M. Marra i F. P. Willkina "A better presentation of Planck’s radiation law" Am. J. Phys. 80 (2012) 399 [pdf]

Ćwiczenia 3 (10.03.2020)
Stała słoneczna, efekt cieplarniany, równowaga hydrostatyczna
Treść zadań [pdf]
Notatki i rozwiązania [pdf]
Materiały uzupełniające:
Zong-Yang Liang "Chapter 2. The global energy balance" Physical Climatology (Univ. Texas) [pdf]

Ćwiczenia 4 (17.03.2020)
Elementy teorii kinetycznej, równania stanu gazów rzeczywistych, punkt krytyczny
Treść zadań [pdf]
Notatki i rozwiązania [pdf]
Materiały uzupełniające:
H. S. Leff "Teaching the photon gas in introductory physics" Am. J. Phys. 70 (2002) 792 [pdf]
R. J. Tykodi, E. P. Hummel "On the Equation of State for Gases" Am. J. Phys. 41 (1973) 340 [pdf]

Ćwiczenia 5 (24.03.2020)
Współczynniki materiałowe, ekstensywność, funkcje stanu i procesu, I zasada termodynamiki
Treść zadań [pdf]
Notatki i rozwiązania [pdf]
Materiały uzupełniające:
W. J. Gensler, O. Redlich „Intensive and extensive properties” J. Chem. Educ. 47 (1970) 154 [pdf]
S. G. Canagaratna „Intensive and extensive: Underused concepts” J. Chem. Educ. 69 (1992) 957 [pdf]
S. H. Mannaerts "Extensive quantities in thermodynamics" Eur. J. Phys. 35 (2014) 035017 [pdf]
V. B. Tymchyshyn "Beginners guide to differential forms in thermodynamics" (2016) [pdf]
J. de Heer "Some comments on the ’’axiomatic’’ formulation of the first law of thermodynamics" Am. J. Phys. 45 (1977) 1225 [pdf]
H. Erlichson "Internal energy in the first law of thermodynamics" Am. J. Phys. 52 (1984) 623 [pdf]

Ćwiczenia 6 (31.03.2020)
Napięcie powierzchniowe, II zasada termodynamiki, tożsamości termodynamiczne, procesy nieodwracalne
Treść zadań [pdf]
Notatki i rozwiązania [pdf]
Materiały uzupełniające:
H. S. Leff „Removing the Mystery of Entropy and Thermodynamics. Part I” Phys. Teach. 50 (2012) 28 [pdf]
H. S. Leff „Removing the Mystery of Entropy and Thermodynamics. Part II” Phys. Teach. 50 (2012) 87 [pdf]
H. S. Leff „Removing the Mystery of Entropy and Thermodynamics. Part III” Phys. Teach. 50 (2012) 170 [pdf]
H. S. Leff „Removing the Mystery of Entropy and Thermodynamics. Part IV” Phys. Teach. 50 (2012) 215 [pdf]
H. S. Leff „Removing the Mystery of Entropy and Thermodynamics. Part V” Phys. Teach. 50 (2012) 274 [pdf]
H. A. Buchdahl „On the Principle of Carathéodory” Am. J. Phys. 17 (1949) 41 [pdf]
H. A. Buchdahl „Integrability Conditions and Carathéodory's Theorem” Am. J. Phys. 22 (1954) 182 [pdf]
C. Fernández-Pineda, S. Velasco „Application of thermodynamic extremum principles” Am. J. Phys. 69 (2001) 1160 [pdf]
B. Carroll „On the Use of Jacobians in Thermodynamics” J. Chem. Educ. 42 (1965) 218 [pdf]


Ćwiczenia 7 (7.04.2020)
Wklęsłość entropii, zasada minimum energii, zasada pracy maksymalnej, maszyny cieplne
Treść zadań [pdf]
Notatki i rozwiązania [pdf]
Materiały uzupełniające:
H. S. Leff „Reversible and irreversible heat engine and refrigerator cycles” Am. J. Phys. 86 (2018) 344 [pdf]
J. P. S. Bizarro „The thermodynamic efficiency of heat engines with friction” Am. J. Phys. 80 (2012) 298 [pdf]


Ćwiczenia 8 (21.04.2020)
Transformacja Legendre'a, potencjały termodynamiczne, warunki stabilności i reguła przekory Le Chateliera
Treść zadań [pdf]
Notatki i rozwiązania [pdf]
Plik z implementacją Konstrukcji Maxwella w Pythonie (zad. 6) [py] [png]
Materiały uzupełniające:
R. K. P. Zia, et al. „Making sense of the Legendre transform” Am. J. Phys. 77 (2009) 614 [pdf]
J. Lekner „Parametric solution of the van der Waals liquid–vapor coexistence curve” Am. J. Phys. 50 (1982) 161 [pdf]


Ćwiczenia 9 (28.04.2020)
III zasada termodynamiki, przemiany fazowe I i II rodzaju, para nasycona, równanie Clausiusa-Clapeyrona
Treść zadań [pdf]
Notatki i rozwiązania [pdf]
Materiały uzupełniające:
Film: Explaining the Critical Point [youtube]
Film: Explaining the Triple Point [youtube]
Film: Phase Diagrams. Triple Points, Critical Points and Supercritical Fluids[youtube]
M. Bailyn „Lambda versus first‐order transitions” Am. J. Phys. 56 (1988) 147 [pdf]
D. R. Lovett, J. Tilley „Illustrating phase transitions with soap films” Am. J. Phys. 59 (1991) 415 [pdf]


Ćwiczenia 10 (5.05.2020)
Mieszaniny, roztwory, zjawiska koligatywne, prawo działania mas, izobara van't Hoffa
Treść zadań [pdf]
Notatki i rozwiązania [pdf]
Plik Mathematica z wykresami do zadania 2 [nb]
Materiały uzupełniające:
R. P. Rastogi „Thermodynamics of Phase Equilibria and Phase Diagrams” J. Chem. Educ. 47 (1964) 443 [pdf]
C. D. Mickey „Chemical Equilibrium” J. Chem. Educ. 57 (1980) 801 [pdf]
G. Jancso, D. V. Fenby „Thermodynamics of Dilute Solutions” J. Chem. Educ. 60 (1983) 382 [pdf]
R. Privat, et al. „Teaching the Concept of Gibbs Energy Minimization through Its Application to Phase-Equilibrium Calculation” J. Chem. Educ. 93 (2016) 1569 [pdf]


Ćwiczenia 11 (12.05.2020)
Przewodnictwo cieplne, dyfuzja, rozkład prędkości Maxwella-Boltzmanna
Treść zadań [pdf]
Notatki i rozwiązania [pdf]
Plik Mathematica z wykresami do zadania 1 [nb]
Materiały uzupełniające:
R. C. Whitten, P. T. McCormick „Elementary introduction to the Green’s function” Am. J. Phys. 43 (1975) 541 [pdf]
A. Walstad „On deriving the Maxwellian velocity distribution" Am. J. Phys. 81 (2013) 555 [pdf]


Ćwiczenia 12 (20.05.2020)
Hipoteza ergodyczna, zespół mikrokanoniczny, granica termodynamiczna, zasada ekwipartycji energii
Treść zadań [pdf]
Notatki i rozwiązania [pdf]
Materiały uzupełniające:
A. V. Tobolsky „The Microcanonical Ensemble” Am. J. Phys. 32 (1964) 799 [pdf]
D. F. Styer „What good is the thermodynamic limit?” Am. J. Phys. 72 (2004) 25 [pdf]



Ćwiczenia 13 (26.05.2020)
Zespół kanoniczny, paradoks Gibbsa, termiczna długość fali de Brogile'a, gęstość stanów
Treść zadań [pdf]
Notatki i rozwiązania [pdf]
Materiały uzupełniające:
V. Gurarie „The equivalence between the canonical and microcanonical ensembles when applied to large systems” Am. J. Phys. 75 (2007) 747 [pdf]
H. S. Leff „The Boltzmann reservoir: A model constant-temperature environment” Am. J. Phys. 68 (2000) 521 [pdf]


Ćwiczenia 14 - ostatnie! (2.06.2020)
Wielki zespół kanoniczny, kwantowe gazy doskonałe, granica klasyczna, poziom Fermiego
Treść zadań [pdf]
Notatki i rozwiązania [pdf]
Materiały uzupełniające:
H. S. Leff „Fluctuations in particle number for a photon gas” Am. J. Phys. 83 (2015) 362 [pdf]
F. Hynne „Quantum statistics of an ideal molecular gas” Am. J. Phys. 49 (1981) 125 [pdf]

Zadania domowe

W związku z epidemią koronawirusa COVID-19 zadania domowe stają się obowiązkowe i jedno z nich będzie zbierane we wtorki do godziny 20:00 poprzez wysłanie skanu lub zdjęcia (polecam aplikację NoteBloc). Rozwiązania przesłane później nie będą sprawdzane. Numer zbieranego zadania będzie wysyłany mailem o godz. 15:00 dnia w którym będziecie je mieli wysłać. Zadania powinny być podpisane i zawierać komentarz. Zadania będą oceniane w skali od 0 do 1 punkta. Obowiązuje zasada zero słów to zero punktów.

Seria 1 (8.03.2020) [pdf] (termin oddania: 17.03.2020)
Seria 2 (13.03.2020) [pdf] (termin oddania: 24.03.2020)
Seria 3 (23.03.2020) [pdf] (termin oddania: 31.03.2020)
Seria 4 (31.03.2020) [pdf] (termin oddania: 7.04.2020)
Seria 5 (13.04.2020) [pdf] (termin oddania: 21.04.2020)
Seria 6 (21.04.2020) [pdf] (termin oddania: 28.04.2020)
Seria 7 (28.04.2020) [pdf] (termin oddania: 5.05.2020)
Seria 8 (5.05.2020) [pdf] (termin oddania: 12.05.2020)
Seria 9 (12.05.2020) [pdf] (termin oddania: 19.05.2020)
Seria 10 (20.05.2020) [pdf] (termin oddania: 26.05.2020)
Seria 11 (5.06.2020) [pdf] (dodatkowa)

Suplementy

Skrypty z fizyki statystycznej i termodynamiki:
Skrypt z termodynamiki i fizyki statystycznej prof. Napiórkowskiego [pdf]
Skrypt z fizyki statystycznej prof. Tonga z Uniwersytetu Cambridge [pdf]
Skrypt z fizyki statystycznej prof. Schwarza z Uniwersytetu Heidelberskiego [pdf]
Skrypt z termodynamiki prof. Powersa z Uniwersytetu Notre Dame w Indianie [pdf]

Podręczniki i zbiory zadań dostępne on-line:
R. Hołyst, A. Poniewierski, A. Ciach, Termodynamika dla chemików, fizyków i inżynierów, wyd. UKSW, 2005 [pdf]
S. J. Blundell, ‎K. M. Blundell, Concepts in Thermal Physics, Oxford, 2010 [pdf]
Yung-Kuo Lim, Problems and Solutions on Thermodynamics and Statistical Mechanics, World Scientific, 1990 [pdf]
H.B. Callen, Thermodynamics and introduction to thermostatics, John Wiley, 1985

GENERAL PRINCIPLES OF CLASSICAL THERMODYNAMICS
01. The Problem and the Postulates [pdf]
02. The Conditions of Equilibrium [pdf]
03. Some Formal Relationships, and Sample Systems [pdf]
04. Reversible Processes and the Maximum Work Theorem [pdf]
05. Alternative Formulations and Legendre Transformations [pdf]
06. The Extremum Principle in the Legendre Transformed Representations [pdf]
07. Maxwell Relations [pdf]
08. Stability of Thermodynamic Systems [pdf]
09. First-Order Phase Transitions [pdf]
10. Critical Phenomena [pdf]
11. The Nernst Postulate [pdf]
12. Summary of Principles for General Systems [pdf]
13. Properties of Materials [pdf]
14. Irreversible Thermodynamics [pdf]

STATISTICAL MECHANICS
15. Statistical Mechanics in the Entropy Representation: The Microanonical Formalism [pdf]
16. The Canonical Formalism: Statistical Mechanics in Helmholtz Representation [pdf]
17. Entropy and Disorder: Generalized Canonical Formulations [pdf]
18. Quantum Fluids [pdf]
19. Fluctuations [pdf]
20. Variational Properties, Perturbation Expansions, and Mean Field Theory [pdf]

FOUNDATIONS
21. Postlude: Symmetry and the Conceptual Foundations of Thermostatistics [pdf]
Appendix [pdf]

Literatura

Zbiory zadań:

Zadania z podęczników do fizyki termicznej i termodynamiki (patrz poniżej)
J. Walker, Podstawy fizyki. Zbiór zadań, PWN, 2008
A. Hennel, W. Szuszkiewicz, Zadania i problemy z fizyki, PWN, 1993
I. E. Irodow, I. W. Sawieljew, I. O. Zamsza, Zbiór zadań z fizyki, PWN, 1976
L. G. Grieczeko, W. I. Sugakow, O. F. Tomasiewicz, A. Fiedorcienko, Zadania z fizyki teoretycznej, PWN, 1975
A. N. Kucenko, J. W. Rublew, Zbiór zadań z fizyki dla wyższych uczelni technicznych, PWN, 1977
J. Kalisz, M. Massalska, J. M. Massalski, Zbiór zadań z fizyki z rozwiązaniami, PWN, 1968
G. A. Bendrikow, B. B. Buchowcew, W. W. Kerżencew, G. J. Miakiszew, Zadania z fizyki, PWN, 1973
W. S. Wolkensztejn, Zbiór zadań z fizyki, PWN, 1974
Yung-Kuo Lim, Problems and Solutions on Thermodynamics and Statistical Mechanics, World Scientific, 1990
P. T. Landsberg, Problems in Thermodynamics and Statistical Physics, Dover, 1971
R. Kubo, Thermodynamics: An Advanced Course with Problems and Solutions, North-Holland, 1968
P. W. Atkins, C. A. Trapp, M. P. Cady, C. Giunta, Chemia fizyczna. Zbiór zadań z rozwiązaniami, PWN, 2001
E. E. Kisielewa, G. S. Karietnikow, I. W. Kudriaszow, Zbiór zadań z chemii fizycznej, PWN, 1971
H. E. Avery, D. J. Shaw, Ćwiczenia rachunkowe z chemii fizycznej, PWN, 1971

Podręczniki:

H.B. Callen, Thermodynamics and introduction to thermostatics, John Wiley, 1985
M.W. Zemansky Heat and Thermodynamics, McGraw-Hill, 1968
D.V. Schroeder An Introduction to Thermal Physics, Addison Wesley, 2000
D. Goodstein Thermal Physics, Cambridge, 2015
S. J. Blundell, ‎K. M. Blundell, Concepts in Thermal Physics, Oxford, 2010
J. Werle, Termodynamika fenomenologiczna, PWN, 1957
K. Gumiński, Termodynamika, PWN, 1972
K. Zalewski, Wykłady z termodynamiki fenomenologicznej i statystycznej, PWN, 1978
K. Rajmer, Ciepło → zimno, czyli termodynamika fenomenologiczna, t. 1 i 2, Sorus, 2013
A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski, Wstęp do Fizyki, tom 2, cz. II, PWN, 1991
R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands, Feynmana wykłady z fizyki tom I, cz. 2, PWN, 2009
D.Halliday, R.Resnick, J.Walker, Podstawy fizyki, tom 2, PWN, 2003
K. Huang, Podstawy fizyki statystycznej, PWN, 2006
H. A. Buchdahl, The Concepts of Classical Thermodynamics, Cambridge, 1966
A. B. Pippard, Elements of Classical Thermodynamics, Cambridge, 1964
E. Fermi, Thermodynamics, Dover, 1936
M. Kamińska, A. Witowski, J. Ginter Wstęp do termodynamiki fenomenologicznej, WUW, 2005
R. Hołyst, A. Poniewierski, A. Ciach, Termodynamika dla chemików, fizyków i inżynierów, wyd. UKSW, 2005
P. W. Atkins, Chemia fizyczna, PWN, 2016
K. Pigoń, Z. Ruziewicz Chemia fizyczna, tom 1, PWN, 2009