Statistische fysica

Statistical Physics

6 EC

Semester 2, periode 5

5092STFY6Y

Eigenaar Bachelor Natuur- en Sterrenkunde (joint degree)
Coördinator Peter Schall
Onderdeel van Pre-master Physics and Astronomy (joint degree), jaar 1Dubbele bachelor Wis- en Natuurkunde, jaar 2Bachelor Natuur- en Sterrenkunde (joint degree), jaar 2

Studiewijzer 2024/2025

Globale inhoud

De volgende concepten worden behandeld: ensembletheorie, Boltzmann statistiek, toestandssom, vrije energie, Bose-Einstein en Fermi-Dirac statistiek, wisselwerkende deeltjes. Toepassingen: thermische excitatie van atomen, paramagnetisme, Maxwellverdeling, gedegenereerde Fermigassen, Sommerfeldontwikkeling, straling van een zwart lichaam, kosmische achtergrondstraling, Debijetheorie, Bose-Einstein faseovergang, clusterontwikkeling, Curie-Weiss model voor een ferromagneet.

Studiemateriaal

Literatuur

  • D.V. Schroeder, 'Introduction to thermal physics', Addison Wesley Longman, 1999, tweede helft.

Leerdoelen

  • Begrijpen van onderwerpen zoals vrije energie, faseovergangen, mengsels, ensembles, statistiek en quantum statistiek, quantum vaste stoffen, quantum gassen.
  • Beheersen van vaardigheden om problemen hierover op te lossen.

Onderwijsvormen

  • Hoorcollege
  • Werkcollege

Hoorcollege en werkcollege.

Verdeling leeractiviteiten

Activiteit

Aantal uur

2 Deeltoetsen

6

Hoorcollege

28

Werkcollege

28

Zelfstudie

106

Aanwezigheid

Aanwezigheidseisen opleiding (OER-B):

  • Van elke student wordt actieve deelname verwacht aan het onderwijsonderdeel waarvoor hij staat ingeschreven. Een student die de eerste twee werkcolleges van een lesblok geen gebruik maakt van de werkcolleges, zal administratief uit de werkcollegegroep verwijderd worden. Een verzoek opnieuw ingeschreven te worden bij de werkcolleges kan ingediend worden bij de opleidingscoördinator.
  • Als een student door overmacht niet aanwezig kan zijn bij een verplicht onderdeel van het onderdeel, dient hij dit zo snel mogelijk schriftelijk te melden bij de betreffende docent. De docent kan, eventueel na overleg met de studieadviseur, besluiten om de student een vervangende opdracht op te leggen.
  • Het is niet toegestaan om verplichte onderdelen van een onderdeel te missen als er geen sprake is van overmacht.
  • Bij kwalitatief of kwantitatief onvoldoende deelname, kan de examinator de student uitsluiten van verdere deelname aan het onderdeel of een gedeelte daarvan. Voorwaarden voor voldoende deelname worden van te voren vastgelegd in de studiewijzer.
  • Ter uitbreiding van de bovenstaande regels geldt voor de vakken in het eerste semester van het eerste jaar dat een student bij minimaal 80% van de werkcolleges aanwezig dient te zijn. Bovendien moet worden deelgenomen aan eventuele tussentoetsen en verplicht gesteld huiswerk. Als niet aan deze verplichting is voldaan, wordt de student uitgesloten voor de herkansing van het bijbehorende vak. Studenten in het Dubbele Bachelor programma Wis- en Natuurkunde zijn vrijgesteld van deze plicht. In geval van persoonlijke omstandigheden, zoals in OER-A Artikel A-6.4 omschreven, wordt in overleg met de studieadviseur een afwijkend studieplan gemaakt.

Toetsing

Onderdeel en weging Details

Eindcijfer

0.5 (50%)

Deeltoets 1

0.5 (50%)

Deeltoets 2

Fraude en plagiaat

Dit vak hanteert de algemene 'Fraude- en plagiaatregeling' van de UvA. Hier wordt nauwkeurig op gecontroleerd. Bij verdenking van fraude of plagiaat wordt de examencommissie van de opleiding ingeschakeld. Zie de Fraude- en plagiaatregeling van de UvA: http://student.uva.nl

Weekplanning

Weeknummer   Onderwerpen Studiestof  

1

HC 1

Tue 01.04.25

9-11h

 

Thermodynamic efficiency and cycles

 

Schroeder,

4.1-4.2

 

 

WC 1

 

Wed. 02.04.25

 

 

Examples: Power plant, Carnot cycle, heat pump

 

4.3, 4.6, 4.14, 4.16

 

 

HC 2

Thur 03.04.25

11-13h

 

Steam engine, real Refrigerators,

Thermodyn. Potentials

 

Schroeder,

4.3-5.1

 

 

Homework 1

 

WC 2

Fri 04.04.25

 

Examples: Real heat engines and refrigerators

 

4.21, 4.30, 5.1

 

 

2

HC 3

Tue 08.04.25

9-11h

 

Thermodynamic potentials, extensive & intensive variables, phase transformations

Schroeder,

5.2

 

 

WC 3

 

Wed. 09.04.25

 

 

Maxwell relations,

Simple phase diagrams

 

(5.11), 5.12, 5.14a-c, 5.27

 

 

HC 4

Thur 10.04.25

11-13h

 

Clausius Clapeyron

Van der Waals model,

Phase transformation of mixtures

Schroeder

5.3-5.4

 

 

WC 4

Fri 11.04.25

 

 

Clausius Clapeyron applied, VdW model, Real mixing energy

 

5.32, 5.35,

5.48+5.51, 5.58

 

 

 

3

HC 5

Tue 15.04.25

9-11h

 

Phase changes of Miscible and eutectic mixtures

 

Schroeder

5.4

 

Deadline HW1

 

 

WC 5

Wed. 16.04.25

 

 

Examples: entropy of mixing, entropic systems

 

5.62, 5.67, 5.46

 

 

 

HC 6

Thur 17.04.25

11-13h

 

Boltzmann factor, Canonical and Microcanonical ensemble, Partition function and averages

Schroeder

6.1-6.2

 

 

4

HC 7

  Tue 22.04.25

9-11h

 

Equipartition theorem, Maxwell distribution, Free energy.

 

Schroeder

6.3-6.5

 

 

WC 6

Wed 23.04.25

 

 

Applying Boltzmann statistics to idealized and real atoms

Equipartition in practice, Velocity distributions of atmospheric particles

6.2, 6.5, 6.8, 6.14 6.20, 6.31, 6.33, 6.39, 6.43

 

Homework 2

HC 8

Thur 24.04.25

11-13h

 

Composite systems, (In)distingui-shable particles, Ideal gas

 

Schroeder

6.6-6.7

 

 

Deeltoets 1

Thur, 24.4.25

18-21h

 

 

About chapters 4, 5 and 6.1-6.5

 

 

 

 

Midterm test

WC 7

Fri 25.04.25

 

 

Statistics of gasses

 

 

6.44, 6.47, 6.48, 6.52

 

 

5

 

Education-free week

 

 

 

6

HC 9

Tue 06.05.25

9-11h

 

 

Grand canonical ensemble, Gibbs factor, Quantum statistics for Bosons and Fermions: Bose-Einstein and Fermi-Dirac distribution

Schroeder

7.1-7.2

 

 

 

 

WC 8

 

Wed 07.05.25

 

 

Langmuir adsorption, applications of quantum statistics for Bosons and Fermions.

7.1, 7.5, 7.15, 7.16

 

 

 

HC 10

Thur 08.05.25

11-13h

 

Fermi gas and degeneracy pressure, Density of states, Black body radiation and the Planck distribution 

Schroeder

7.3-7.5

 

Deadline HW2

WC 9

Fri

09.05.25

 

Conduction in metal, Atoms in thermal radiation field, photon gas, applications in astronomy

7.19, 7.23, 7.25, 7.28

 

 

7

HC 11

Tue 13.05.25

9-11h

 

Interacting systems: the Ising model and critical phenomena

 

Schroeder

8.2

 

Homework 3

 

WC 10

Wed. 14.05.25

 

 

 

Lattice gas and critical exponents

 

8.17, 8.22, 8.23, 8.24

 

 

HC 12

Thur 15.05.25

11-13h

 

(continued) The Ising model and critical phenomena, Mean field approximation

 

 

WC 11

 

Fri. 16.05.25

 

Interacting systems

 

TBA

 

 

8

HC 13

Tue 20.05.25

9-11h

 

Applications of statistical mechanics in ongoing research

 

 

Deadline HW3

 

WC 12

Wed. 21.05.25

 

 

Exam Questions & Practice session

 

 

 

 

Deeltoets 2

Fri. 23.05.25

14-17h

 

 

Everything: Chapters 4-9

 

 

 

Final exam

Aanvullende informatie

Dit college sluit aan op het vak Thermische fysica.

Aanbevolen voorkennis: Klassieke mechanica, Quantumfysica 1 en 2, Thermische fysica.

Contactinformatie

Coördinator

  • Peter Schall