Hofstetter

Thermodynamik und Statistische Physik WS 23/24

Dozent: Prof. Dr. Walter Hofstetter

Allgemeine Information

  • Die Termine der Modulprüfungen für die Vorlesung "Thermodynamik und Statistische Physik" (diese sind schriftlich, d.h. Klausuren) finden Sie nun im Prüfungsplan für das WS 2023/24, der auf der Webpage des Prüfungsamts des Fachbereichs Physik verlinkt ist. Bitte beachten Sie, dass beide Modulprüfungen um 9:30 Uhr beginnen! Bitte beachten Sie, dass Sie sich für die Modulprüfungen fristgerecht anmelden müssen. Den jeweiligen Anmeldeschluss finden Sie ebenfalls im Prüfungsplan für das WS 2023/24.
  • Einsichtnahme in die korrigierte Klausur der 1. Modulprüfung: Freitag 23.02.2024 von 10:00 - 12:00 Uhr im Hörsaal 02.116
  • Einsichtnahme in die korrigierte Klausur der 2. Modulprüfung: Mittwoch 03.04.2024 von 10:00 - 12:00 Uhr im Hörsaal 02.116
  • Um einen Schein und die Zulassung zur Modulprüfung zu erhalten, werden mindestens 50% der regulären Gesamtpunkte der Übungsaufgaben benötigt, und man darf nicht mehr als 3 mal im Tutorium abwesend sein. Außerdem müssen im Laufe des Semesters mindestens zwei Übungsaufgaben an der Tafel vorgerechnet werden. Pro Übungsblatt gibt es 20 reguläre Punkte und evtl. zusätzliche Bonuspunkte. Es gibt insgesamt 13 Übungsblätter. Für den Schein benötigen Sie also mindestens 130 Punkte (erreichte Bonuspunkte werden hier mitgezählt).
  • Benachrichtigungen und Mitteilungen zur Vorlesung, sowie die Zugangsinformation zum Skript erhalten Sie über das Lernportal OLAT (olat-ce.server.uni-frankfurt.de). Loggen Sie sich bitte im OLAT ein und suchen Sie mit der Suchfunktion den Kurs "Thermodynamik und Statistische Physik WS 23/24". Gehen Sie dort auf "Einschreibung" und schreiben Sie sich (ab 1.10.2023) für die Gruppe "Vorlesung" ein. Bitte beachten Sie, dass die Anmeldung für die Tutorien erst später möglich ist (siehe nächste Zeile).
  • Für die Teilnahme am Übungsbetrieb ist eine Anmeldung für die Vorlesung und das Tutorium notwendig. Schreiben Sie sich bitte (ab Mi 18.10.2023) im OLAT-Portal im Kurs "Thermodynamik und Statistische Physik WS 23/24" für eine der Übungsgruppen von "Gruppe 01" bis "Gruppe 10" ein.
  • Das Skript der Vorlesung stellen wir online, auf der webpage unserer Vorlesung (also hier), zum download zur Verfügung. Ebenso, vor der Vorlesung, eine Lückenversion des Skripts. Siehe unten den Abschnitt "Vorlesungsskript". Hierfür wird allerdings ab der zweiten Vorlesungswoche eine Zugangsinformation benötigt, die wir Ihnen rechtzeitig zusenden werden, wenn Sie sich wie oben angegeben auf dem OLAT Lernportal im Kurs "Thermodynamik und Statistische Physik WS 23/24" für die Vorlesung angemeldet haben.
  • Die Abgabe der Übungsblätter erfolgt jeweils Dienstags zu Beginn der Vorlesung, bis spätestens 15 Minuten nach Beginn der Vorlesung (also bis 12:30 Uhr). Die Abgabe ist entweder zu Beginn der Vorlesung (in einen der dort bereitgestellten Kästen) möglich, oder alternativ elektronisch (als PDF-File) über die Lernplattform OLAT. Für Übungsblätter, die später als 15 Minuten nach Vorlesungsbeginn abgegeben werden, werden keine Punkte vergeben.
  • Falls Sie Ihr Übungsblatt elektronisch einreichen wollen, beachten Sie bitte die folgenden Instruktionen, wie Sie die PDF-Datei Ihres Übungsblattes benennen sollen und wie diese PDF-Datei auf OLAT hochgeladen werden soll: Bitte reichen Sie Ihr Übungsblatt als eine einzige pdf-Datei ein. Bitte wählen Sie als Dateinamen die Nummer des Übungsblattes und Ihren Namen, wie folgt: Übungsblatt_*nr*_*name*.pdf, wobei *nr* und *name* ersetzt werden müssen durch die Nummer des Übungsblattes bzw. Ihren Namen. Auf der OLAT-Webpage des Kurses "Thermodynamik und Statistische Physik WS 23/24" sehen Sie die Liste der Übungsblätter. Sie sollten nun auf dasjenige Übungsblatt klicken, dessen Lösung Sie hochladen möchten. Oben auf der neuen Seite finden Sie nun den Zeitraum für das Einreichen der Übungsblätter und darunter ein Symbol zum Hochladen Ihrer Lösung; bitte klicken Sie darauf und laden Sie Ihre Lösung hoch. Der Screenshot, der für das Einreichen hilfreich sein kann, finden Sie hier.
  • Die erste Vorlesung findet am 17.10.2023 statt.
  • Die Tutorien beginnen in der Woche des 23.10.2023.
  • Details zu den Modulprüfungen (Klausuren) werden in der Vorlesung mitgeteilt. Diese werden in den durch den Fachbereich Physik festgelegten Prüfungszeiträumen stattfinden.

Kurzbeschreibung

  • Thermodynamische Grundgrößen und Gesetze
  • Thermodynamische Potentiale
  • Phasenübergänge
  • Klassische statistische Mechanik
  • Mikro- und makrokanonisches Ensemble
  • Quantenstatistik
  • Fermionen und Bosonen
  • Vielteilchentheorie
  • Transporttheorie
  • Boltzmann- und von Neumann-Gleichung

Vorlesung

 Termine Raum
Di 12:00-14:00 Phys _0.111
Do 12:00-14:00 Phys _0.111

Übungsgruppenkoordinator

Dr. Youjiang Xu
Email: yxu@itp.uni-frankfurt.de
Raum: 01.111
Sprechstunde: Di. 14:00-16:00

Tutorien

 Gruppe Zeit Raum Sprache
1 Mi. 9:00-11:00 Phys 02.120 Englisch
2 Di. 8:00-10:00 Phys 02.116 Deutsch
3 Di. 10:00-12:00 Phys 02.116 Deutsch
4 Di. 10:00-12:00 Phys 02.120 Englisch
5 Di. 15:00-17:00 Phys 02.120 Deutsch
6 Do. 8:00-10:00 Phys 02.114 Deutsch
7 Do. 9:00-11:00 Phys 02.120 Englisch
8 Do. 10:00-12:00 Phys __.102 Deutsch
9 Fr. 8:00-10:00 Phys 01.114 Deutsch
10 Fr. 10:00-12:00 Phys 02.114 Deutsch

Vorlesungsskript

VLDatumThemaLückenskript (pdf)Skript (pdf)Ergänzendes Material
1-2 17.10
19.10		 Grundlagen der Statistik, Mikro- und Makrozustände lecture1_pre lecture2_pre lecture1 lecture2
3-4 24.10
26.10		 Mikrokanonisches Ensemble, Entropie, Wärme und Arbeit lecture3_pre lecture4_pre lecture3 lecture4a lecture4b  
5-6 31.10
2.11		 Gleichgewicht und Temperatur, reversible und irreversible Prozesse, 2. Hauptsatz lecture5_pre lecture6_pre lecture5 lecture6  
7-8 7.11
9.11		 3. Hauptsatz, kanonisches und großkanonisches Ensemble, Dichtematrix lecture7_pre lecture8a_pre lecture8b_pre lecture7 lecture8a lecture8b  
9-10 14.11
16.11		 Phasenraumdichte lecture9_pre lecture10_pre lecture9 lecture10 Negative absolute temperature for motional degrees of freedom
11-12 21.11
23.11		 Informationstheorie, Shannon- und von Neumann-Entropie, Boltzmann-Gibbs Verteilung lecture11_pre lecture12a_pre lecture12b_pre lecture11 lecture12  
13-14 28.11
30.11		 Thermodynamische Potentiale, Maxwell-Relationen, Responsegrößen lecture13_pre lecture14_pre lecture13 lecture14 Quantenphasenübergang vom Mott-Isolator zur Supraflüssigkeit
15-16 05.12
07.12		 Thermodynamische Stabilität, Extremalität thermodynamischer Potentiale, thermodynamische Prozesse lecture15_pre lecture16_pre lecture15 lecture16  
17-18 12.12
14.12		 Kreisprozesse, Phasenübergänge lecture17_pre lecture18_pre lecture17 lecture18  
19-20 19.12
21.12		 Maxwell-Konstruktion, Gibbs'sche Phasenregel, Gleichverteilungssatz lecture19a_pre lecture19b_pre lecture20_pre lecture19a lecture19b lecture20 Bose–Einstein condensates hit record low temperature
21-22 09.01
11.01		 Maxwell-Geschwindigkeits-verteilung, Virialentwicklung lecture21_pre lecture22_pre lecture21 lecture22 thermalization in small quantum systems
quantum thermalization through entanglement
23-24 16.01
18.01		 Identische Teilchen, Fock-Raum, Bose-Einstein- und Fermi-Dirac-Statistik lecture23_pre lecture24_pre lecture23 lecture24  
25-26 23.01
25.01		 Klassischer Limes, ideales Bose-Gas, Bose-Einstein-Kondensation lecture25_pre lecture26_pre lecture25 lecture26  
27-28 30.01
01.02		 BEC (Forts.), Photonongas, Planck'sches Strahlungsgesetz, Fermi-See lecture27_pre lecture28_pre lecture27 lecture28  
29-30 06.02
08.02		 Nichtgleichgewicht, Mastergleichung lecture29_pre lecture30_pre lecture29 lecture30 quantum Newton's cradle

Übungsblätter

VLAbgabedatumThemapdf
1 24.10 Erwartungswert und Varianz, Poissonverteilung, Extremwert-Statistik Übung 1
2 31.10 Entkoppelte quantenmechanische Oszillatoren, Entkoppelte klassische Oszillatoren, Klassisches ideales Gittergas Übung 2
3 7.11 Negative Temperaturen, Druckausgleich idealer Gase, Mischungsentropie idealer Gase Übung 3
4 14.11 Ideales Gas mit Vibrationsfreiheitsgraden, Chemische Reaktion, Wärme, geleistete Arbeit und Entropie eines idealen Gases Übung 4
5 21.11 Mikrokanonisches und kanonisches Ensemble, Dichtematrix für ein 2-Niveau-System, Jacobi-Determinanten Übung 5
6 28.11 Satz von Liouville, Shannon-Entropie, Huffman-Kodierung(/-Baum) und Datenkomprimierung, Langevins Theorie des Paramagnetismus, Statistische Entropie und Verschränkung Übung 6
7 5.12 Lagrange-Multiplikatoren, Thermodynamische Potentiale des Photonengases, Thermodynamische Potentiale des entarteten Fermi-Gases, Maxwell-Relationen Übung 7
8 12.12 Osmotischer Druck, Kompressibilität, Relationen zwischen Volumen und Teilchenzahl bei intensiven Größen, Einige zusätzliche thermodynamische Relationen, Jacobi-Determinante Übung 8
9 19.12 van-der-Waals Gas, Magnetische Response-Größen, Wirkungsgrad des Humphrey-Kreisprozesses, Messung des Verhältnisses unterschiedlicher spezifischer Wärmen Übung 9
10 09.01 Einstein-Modell eines Festkörpers, Barometrische Höhenformel, Redlich–Kwong Gas, Kernspin-Wärmekapazität eines Metalls Übung 10
11 16.01 Kritischer Punkt des Redlich-Kwong-Gases, Eindimensionales Ising-Modell, System in makroskopischer Bewegung Übung 11
12 23.01 Debye-Modell für die Wärmekapazität eines Festkörpers, Virialkoeffizienten Übung 12
13 30.01 Zustandssumme für verschiedene Statistiken, Bunching und Antibunching, Nicht wechselwirkende Bosonen Übung 13

Literatur

Autor Titel Verlag
F. Schwabl     Statistische Mechanik     Springer, 2006
K. Huang   Introduction to Statistical Physics   Chapman and Hall/CRC Press, 2009
F. Reif   Fundamentals of Statistical and Thermal Physics   Waveland Press, 2009
L.D. Landau
E.M. Lifshitz		   Course of Theoretical Physics
Volume V: Statistical Physics		   Pergamon Press, 1980