PMP007: Termodinamika (251443)

 9 
ECTS
60 P + 15 S + 30 A
20% primjene e-učenja
Odjel za fiziku (Sceduly)
Nositelji: Ante Bilušić
Suradnici: Tamara Rom
Ciljevi predmeta
Razumijevanje pojmova i zakona termodinamike te njihova primjena.
Uvjeti (kompetencije) za upis predmeta
Odslušani sadržaji iz matematičke analize, mehanike, te elektriciteta i
magnetizma.
Očekivani ishodi učenja
1. Objasniti osnovne pojmove znanosti o toplini te analizirati utjecaj promjene temperature na tijela.
2. Analizirati i primijeniti načine prijenosa topline i izračunati količinu prenesene topline za konkretne primjere.
3. Uvesti i objasniti specifičnu toplinu transformacije. Analizirati fazne prijelaze, opisati fazni dijagram, kritičnu i trojnu točku i izvesti Clausius Clapeyronovu jednadžbu.
4. Utvrditi vezu temperature i srednje kinetičke energije molekula u kinetičko-molekulskoj teoriji topline te izvesti i primijeniti izraze za srednji slobodni put i tlak idealnog plina.
5. Komentirati pojam ultraljubičaste katastrofe te analizirati Planckov zakon zračenja crnog tijela i iz njega ostale zakone zračenja.
6. Opisati osnovne koncepte termodinamike (termodinamički sustav, okolina, zatvoreni sustav, izolirani sustav, ekstenzivni i intenzivni termodinamički parametri, ravnotežni, povratni i nepovratni procesi).
7. Izvesti jednadžbu stanja idealnog plina te analizirati jednadžbu za realne plinove (Van der Waalsova jednadžba).
8. Formulirati i primijeniti zakone termodinamike (izračunati rad pri različitim promjenama stanja plina, analizirati rad toplinskih strojeva i hladnjaka, odrediti promjenu entropije za različite sustave).
9. Usporediti toplinske kapacitete te izvesti relaciju među njima. Procijeniti odnos toplinskih kapaciteta pri stalnom volumenu i stalnom tlaku. Opisati i primijeniti metodu smjese za određivanje nepoznatog toplinskog kapaciteta.
10. Raspraviti termodinamičke potencijale te iz njih izračunati volumen, temperaturu, tlak i entropiju plina.
11. Analizirati dva tijela u termičkom kontaktu i opisati uvjete pod kojima dolazi do stabilnog stanja sustava te sustav promjenljivog broja čestica i opisati značenje kemijskog potencijala.
Sadržaj predmeta
Predavanja uz pokazne vježbe:
• (4 sata) Opis mnogočestičnih sustava dinamičkom, termodinamičkom i statističkom
metodom
o Model idealnog plina
o Skicirati grafove izotermnog, izobarnog i izovolumnog procesa u p,V dijagramu
• (4 sata) Unutarnja energija
o Rad
o Toplina
o Prvi zakon termodinamike
• (5 sati) Toplinski kapacitet
o Važnost toplinskih kapaciteta u odnosu na eksperimentalnu provjeru teorije
o Mayerova relacija
o Važnost ovisnosti toplinskih kapaciteta o temperaturi za razvoj kvantne fizike
• (13 sati) Drugi zakon termodinamike
o Kelvinova i Clausiusova formulacija drugog zakona termodinamike
o Clausiusova relacija
o Definicija drugog zakon termodinamike preko porasta entropije zatvorenog sustava
o Najveća korisnost i najveća snaga kružnog procesa
o Boltzmannova definicija entropije
o Povratnost dinamički procesa i nepovratnost procesa u prirodi
o Gibbsova definicija entropije
o Shannova definicija informacijske entropije. Razlika između informacijske i termodinamičke entropije
o Jaynesove načelo najveće informacijske entropije
o Izvod Gibbsove razdiobe Jaynesovim načelom najveće informacijske entropije
• (6 sati) Treći zakon termodinamike
o Nemogućnost postizanja apsolutne nule
o Entalpija i Gibbsova slobodna energija. Maxwellove relacije.
o Van der Waalsova jednadžba stanja realnog plina. Maxwellova konstrukcija.
o Zakon odgovarajućih stanja.
• (5 sati) Fazni prijelazi
o Definicija faznih prijelaza.
o Fazni dijagram, krivulje koegzistencija, Clausis-Clapeyronova jednadžba, ključanje, ovisnost tlaka zasićene pare o temperaturi.
• (2 sata) Otopine
o Osmoza i vant Hoffovu jednadžba.
o Raultov i Henrijev zakon.
• (8 sati) Sustavi koji izmjenjuju čestice
o Kemijski potencijal i ravnotežno stanje sistema koji izmjenjuju čestice.
o Konstrukcija faznog dijagrama pomoću kemijskog potencijala.
o Gibbsova razdioba za sisteme koji izmjenjuju čestice.
o Primjena na kvantne sustave identičnih čestica. Fermi-Diracova i
Bose-Einstenovu razdioba.
• (4 sata) Kemijske reakcije
o Egzotermne i endotermne reakcije.
o Zakon o djelovanju masa.
o pH faktor
• (4 sata) Površinski efekti
o Površinski tlak.
zakrivljenim površinama
• (5 sati) Prijenosne pojave
o Srednji slobodni put
o Koeficijenti difuzije, toplinske vodljivosti i viskoznosti idealnog plina
o Poisseuilleova formula
Vježbe:
1. (2 sata) Statistika – uvod
2. (2 sata) Kinetička teorija idealnih plinova
3. (2 sata) Maxwellova razdioba
4. (3 sata) Rad i toplina. Prvi zakon termodinamike I.dio
5. (3 sata) Rad i toplina. Prvi zakon termodinamike II.dio
6. (3 sata) Entropija I.dio
7. (3 sata) Entropija II.dio
8. (3 sata) Van der Waalsova jednadžba stanja
9. (3 sata) Fazni prijelazi
10. (2 sata) Joule-Thomsonov efekt
11. (2 sata) Kapilarni tlak
12. (2 sata) Difuzija, vodljivost i viskoznost
Seminarske teme:
• Termička relaksacija plinova pri difuziji
• Klasična mehanika, kvantna mehanika i temperature
• Mjerenje makroskopskih veličina
• Idealni plin u vanjskom polju i Boltzmannova raspodjela
• Toplinski kapacitet idealnog plina i toplinski kapacitet čvrstog tijela
• Adijabatski i politropski proces
• Drugi zakon termodinamike i ekvivalencija dvaju formulacija
• Stirlingov motor
• Princip rada motora s unutarnjim izgaranjem
• Princip rada hladnjaka
• Statistička interpretacija entropije
• Informacijska entropija i Shannonov teorem
• Sackur-Tetrodeova jednadžba
• Termodinamički potencijali
• Stabilnost termodinamičkih sustava
• Van der Waalsova jednadžba
• Fazni prijelazi i Clausius-Clapeyronova jednadžba
• Fazni dijagram; pojam kritične i trojne točke
• Osmotski tlak
• Raoultov zakon
• Kvantnomehanički sistemi
• Površinske pojave
• Priroda metastabilnih stanja
• Entropija kao strijela vremena
• Entropija svemira
• Slobodna tema (unutar sadržaja kolegija)
Vrste izvođenja nastave
- Predavanja
- Seminari
- Vježbe
- Radionice
Obveze studenata
Izrada seminarskog rada. Pohađanje nastave.
Praćenje rada studenata (ECTS)
- Pohađanje nastave (3.5)
- Seminarski rad (0.5)
- Usmeni ispit (2.5)
- Pismeni ispit (2.5)
Ocjenjivanje i vrjednovanje rada studenata
Dvaput tijekom semestra studenti polažu pisani kolokvij iz dvije polovice gradiva (prva polovica: do uključenog poglavlja vježbi „Entropija“, druga polovica: od poglavlja vježbi „Entropija“ do kraja). Studenti koji na kolokvijima ukupno ostvare više od 50% mogućih bodova su oslobođeni polaganja pisanog ispita i mogu pristupiti usmenom ispitu. Nadalje, studenti koji iz prvog pisanog kolokvija ostvare 50% bodova ili više, mogu usmeni dio ispita polagati u dva dijela (prvi dio, koji uključuje gradivo do poglavlja „Fazni prijelazi“, moraju polagati neposredno nakon ispravljenog prvog pisanog kolokvija). Konačna ocjena formira se na temelju pisanog ispita/kolokvija (40% ocjene), održanog seminara (15% ocjene) i odgovora na usmenom ispitu (45% ocjene).
Obvezna literatura
P. Županović: Termodinamika s elementima statističke fizike, Element, Zagreb, 2016.
Izborna literatura
[1] H. D. Young, R. A. Freedman, Sears and Zemansky's university physics: with modern physics, 13th ed., Addison Wesley, 2012.
[2] P. Kulišić, Mehanika i toplina, Školska knjiga, Zagreb 2005
Načini praćenja kvalitete
1. Nastavnici, koji imaju predmete koreliranih ishoda učenja, surađuju i zajednički vode brigu o kvaliteti nastave.
2. Statistika ispitnih rezultata i vrednovanje uspješnosti u skladu s navedenim ishodima učenja.
3. Studentsko evaluiranje putem anonimne ankete koja se provodi prema pravilniku Sveučilišta u Splitu.
Izvedba
Sveučilišni prijediplomski studij
 •  Fizika (obvezni 4. sem.)
 •  Matematika i fizika (obvezni 4. sem.)
 
Napomene:
Vrste nastave (tip): (P) Predavanja; (S) Seminari; (A) Auditorne vježbe; (PK) Vježbe u praktikumu; (L) Laboratorijske vježbe; (M) Metodičke vježbe; (TJ) Vježbe tjelesnog odgoja; (T) Terenske vježbe.
Prije početka nastave moguće su rošade izvođača nastave u svrhu optimizacije opterećenja. Prikazana je testna verzija automatskog generiranja informacija.