Statistische fysica theorie en experiment (2024/2025: periode 1)

Bekijk rooster Print deze pagina

Cursusdoel

Hoofddoel: Na het volgen van deze cursus ben je bekend met de elementaire principes van de thermodynamica en de statistische fysica. Je kunt deze principes toepassen om het gedrag van relatief eenvoudige (veelal ideale, niet-wisselwerkende) klassieke veel-deeltjes systemen in thermodynamisch evenwicht theoretisch te berekenen. Je bent ook in staat om deze theoretische kennis te integreren in de uitvoer van een experimenteel onderzoek en een numerieke simulatie, te gebruiken in kwantitatieve analyse en interpretatie van resultaten, en je onderzoek schriftelijk te rapporteren in de in de exacte wetenschappen gebruikelijke vorm. Voorbeeld onderzoeksonderwerpen: de relaties tussen thermodynamische grootheden als druk, temperatuur en volume in een gas, faseovergangen, Brownse beweging.

Theorie
Na het volgen van de cursus:
  1. ken je de Hoofdwetten van de thermodynamica en kun je deze toepassen op eenvoudige processen en systemen.
  2. kun je de begrippen energie, arbeid, warmte, entropie, enthalpie, en vrije energie aan elkaar relateren, en veranderingen hierin in verband brengen met warmte capaciteit en temperatuur.
  3. ken je het kinetisch model van een verdund gas, en ken je de afleidingen voor de druk, de interne energie, de Maxwell-Boltzmann snelheidsverdeling, de barometrische hoogteverdeling, en de vrije weglengte.
  4. kun je de begrippen macro- en microtoestand onderscheiden, en de multipliciteit uitrekenen van eenvoudige modellen zoals twee-niveau systemen, de harmonische oscillator, of een ideaal gas.
  5. ken je het begrip ensemble, en kun je uitgaande van het microkanoniek ensemble de Boltzmann verdeling en het kanoniek ensemble afleiden, en de kanonieke partitiesom (en hieruit de thermodynamische eigenschappen) uitrekenen voor eenvoudige modelsystemen.
  6. ken je de begrippen chemische potentiaal en het groot-kanoniek ensemble, bijvoorbeeld in de context van adsorptie systemen.
  7. ken je het begrip fasenovergang, bijvoorbeeld in de context van de Van der Waals theorie voor de gas-vloeistof overgang of de gemiddelde veld theorie voor het Ising model.
Practicum
  1. Praktische en technische labvaardigheid: De student voert veilig een experimenteel onderzoek uit en maakt een numerieke simulatie van random processen in een aanzienlijk groot systeem in Python.
  2. Academische onderzoeksvaardigheid: De student identificeert de belangrijkste fysische concepten afkomstig uit het theorieonderdeel Statistische Fysica en andere vormen van informatie en voltrekt, analyseert en interpreteert als een integere en professionele onderzoeker een experimenteel onderzoek. De student trekt conclusies op basis van het verzamelde en geanalyseerde bewijs en stelt op basis van de resultaten van het onderzoek verbeteringen voor die ingaan op de aspecten die de kwaliteit (informatiedichtheid) van de data het meest beperken. De student is in staat om een artikel van medestudenten middels peer review op waarde te schatten en van gefundeerd commentaar te voorzien.
  3. Kwantificatie en analyse: De student begrijpt de concepten die belangrijk zijn bij het modelleren van een fysische situatie en kan met behulp van het model en eventuele benaderingen daarvan de data kwantitatief interpreteren.
  4. Verslaglegging en documentatie: De student schrijft op wetenschappelijk verantwoorde wijze een artikel dat aan de gebruikelijke eisen aan vorm, inhoud en lay-out voldoet en de argumentaties en conclusies van het onderzoek overtuigend en overzichtelijk presenteert. Het artikel maakt gebruik van standaardvormen van communicatie om het onderzoek inzichtelijk te maken voor vakgenoten.
  5. Projectmanagement: De student plant en ontwerpt middels een werkplan zelfstandig een experimenteel onderzoek, zodanig dat aan het eind een volledige, voldoende grote en betrouwbare set data is verzameld.

Zie voor de complete lijst van leerdoelen:
https://nspracticum.science.uu.nl/Leerdoelen/leerdoelen_NS204B_practicum.pdf

Vakinhoudelijk

In deze cursus zullen principes en toepassingen van de thermodynamica en de statistische fysica behandeld worden. Aan de orde komen begrippen als warmte, warmte capaciteit, temperatuur en temperatuurschalen, energie, arbeid, Carnot cyclus, de Boltzmann verdeling, kinetische gas theorie, de Maxwell-Boltzmann snelheidsverdeling, druk, vrije weglengte, diffusie, entropie, adiabatische processen, de Hoofdwetten der Thermodynamica, de vrije energie,
equipartitie, de partitiesom, het kanonieke ensemble, de chemische potentiaal, faseovergangen, Ising model, de Van der Waals toestandsvergelijking, en Brownse beweging. We zullen het raamwerk beschrijven waarmee de eigenschappen van macroscopische hoeveelheden materie (bijv. de druk van een liter gas, de magnetisatie van een blok ijzer, de smelt temperatuur van ijs, of de (ont)menging van twee stoffen) in principe verkregen kunnen worden uit de microscopische details (bijv. de moleculaire snelheden of de atomaire wisselwerkingen). Hierbij zullen statistische methoden (gemiddelde, standaard deviatie, fluctuaties, kansverdelingen) een centrale rol spelen. De focus zal zijn op klassieke veel-deeltjes systemen in thermodynamisch evenwicht, in eerste instantie met name niet-wisselwerkende systemen (ideaal gas, spins in magneetveld), maar later ook systemen met wisselwerkingen en dus faseovergangen (vloeistof condensatie en spontane magnetisatie). Het college
behandelt zowel formele aspecten als directe toepassingen, waar mogelijk geïllustreerd door voorbeelden uit het hedendaagse onderzoek.

Vorm:
De cursus heeft een theoriecomponent (4.5 EC) en een practicumcomponent (3 EC). Het theoriegedeelte bestaat uit hoorcolleges en verplichte werkcolleges.

Cursusbeschrijving practicumdeel:

Bij het practicum wordt vier weken gewerkt aan een numerieke simulatie, en vervolgens vier weken aan een experiment (de volgorde hangt af van in welke stroom je bent ingedeeld). De simulatie wordt geschreven in Python en afgesloten met een kort artikel. Dit artikel wordt via peer feedback van commentaar voorzien. Het experiment wordt na uitvoer en analyse van resultaten ook gerapporteerd in een artikel. Er is materiaal beschikbaar om te leren om te gaan met het in de bètawetenschappen veel gebruikte tekstopmaakprogramma LaTeX.

Werkvormen

Hoorcollege

Practicum
Toelichting

Studenten werken in koppels aan de onderzoeksopdrachten. Aanwezigheid gedurende practicumuren is vereist.

Werkcollege
Toelichting

Werkcollege: 2x per week. Aanwezigheid is verplicht.

Toetsing

Eindresultaat

Verplicht | Weging 100% | ECTS 7,5

Het eindcijfer wordt samengesteld uit een gewogen gemiddelde van de niet-afgeronde cijfers voor het theorie-gedeelte (3/5) en het practicum gedeelte (2/5), mits beide cijfers afzonderlijk een afgeronde voldoende zijn. Indien een van de twee afzonderlijke deelcijfers afgerond onvoldoende is, is het vak dus niet behaald. Herkansing is alleen mogelijk als aan de inspanningsverplichtingen is voldaan.

Ingangseisen en voorkennis

Ingangseisen

Er is geen informatie over verplichte ingangseisen bekend.

Voorkennis

Voorkennis wordt verondersteld van Taylorexpansies, elementaire sommaties en reeksen, integreren, differentiëren, en manipuleren van elementaire functies, binomiaalcoëfficiënten, wetten van Newton, en kennis van de begrippen energie en impuls. Basiskennis van Python, elementaire dataverwerking en experimenteervaardigheid (zoals in de cursus DATA aan de orde gekomen) wordt bekend verondersteld.

Voertalen

  • Engels

Cursusmomenten

Gerelateerde studies

Tentamens

Er is geen tentamenrooster beschikbaar voor deze cursus

Verplicht materiaal

  • BOEK
    Concepts in Thermal Physics door S.J. Blundell en K.M. Blundell (Oxford University Press, 9780199562107, paperback editie).

Aanbevolen materiaal

  • BUNDEL
    aanvullende met extra stof en opgaven
  • SOFTWARE
    Python (geïnstalleerd op eigen laptop, bijvoorbeeld Anaconda-distributie)

Coördinator

dr. L.C. Filion l.c.filion@uu.nl

Docenten

dr. N.J. van der Heijden n.j.vanderheijden@uu.nl
dr. P.J.S. van Capel p.j.s.vancapel@uu.nl
dr. L.C. Filion l.c.filion@uu.nl
dr. G. de Vries G.deVries@uu.nl

Inschrijving

Deze cursus is open voor bijvakkers. Controleer wel of er aanvullende ingangseisen gelden.

Inschrijving
Van maandag 3 juni 2024 tot en met vrijdag 21 juni 2024

Na-inschrijving
Van maandag 19 augustus 2024 tot en met dinsdag 20 augustus 2024

Inschrijving niet geopend
Permanente link naar de cursuspagina
Laat in de Cursus-Catalogus zien