Theoretische Physik IV:
Thermodynamik und Statistische Physik

• Hier gibt es die Zusammenfassungen der Vorlesung zum Download.
• Hierzu aber gleich eine Warnung: Dies ersetzt weder die aktive Teilnahme an den Präsenzveranstlatungen noch die eigenständige Auseinandersetzung mit dem Stoff unter Zuhilfenahme zusätzlicher Literatur!

	Kapitel	Summary
	Vorspann Titel - Inhaltsverzeichnis
1.	Motivation Warum statistische Physik?
2.	Grundlagen der Thermodynamik Grundbegriffe - Hauptsätze der Thermodynamik - Thermodynamische Potentiale - Gleichgewichtsbedingungen
3.	Wahrscheinlichkeits- und Informationstheorie Ereignisse und Wahrscheinlichkeiten - Interpretation von Wahrscheinlichkeiten - Zufallsvariablen und Verteilungen - Information - Shannon'sches Informationsmaß - Jaynes'sches Prinzip - Unkenntnismaximierung unter Nebenbedingungen
4.	Übergang zur Statistischen Physik Vorbemerkungen - Klassiche Mechanik - Klassische Statistische Mechanik - Quantenmechanik - Quantenstatistik
5.	Anknüpfung an die Thermodynamik Identifikation thermodynamischer Größen - Druck und Volumen - Hauptsätze der Thermodynamik
6.	Ideale Quantengase Vielteilchen-Quantenmechanik - Zustandssumme idealer Quantengase - Ideale Fermigase - Ideale Bosegase - Photonengas

Wir organisieren insgesamt 7 Übungsgruppen an den folgenden Terminen:

Gruppe	Termin	Raum	Betreuer/in	Email
A	Fr. 8:00-9:40	S103/312	Christoph Rützel	chris.ruetzel@gmx.de
B	Do. 13:30-15:10	S103/102	Cedric Wenz	cwenz@theorie.ikp.physik.tu-da...
C	Do. 13:30-15:10	S103/102	Lisa Wagner	lwagner@theorie.ikp.physik.tu-da...
D	Fr. 13:30-15:10	S103/110	Maurice Brezavsek	maurice.brezavsek@stud.tu-da...
E	Fr. 13:30-15:10	S103/125	Michelle Müller	michelle.mueller1997@gmx.net
F	Fr. 13:30-15:10	S101/A3	Timon Feldbusch	ti.fe2001@web.de
G	Do. 15:20-17:00	S207/167	Luis Neubauer	luis.neubauer@stud.tu-da...

• Hier finden Sie die Aufgabenblätter zu den Übungen. Die Musterlösungen werden in der jeweils folgenden Woche bereitgestellt.
• Auf insgesamt 4 Übungsblättern werden die Hausübungen als "zur Abgabe" gekennzeichnet. Diese Übungsaufgaben können Sie bei Ihrem Betreuer per Email abgeben und korrigieren lassen. Die Abgabe muss spätestens bis zu Ihrem Übungstermin in der Folgewoche passiert sein.
• Schicken Sie dem jeweiligen Betreuer per Email (Adressen siehe oben) eine PDF-Datei mit Dateinamen nach dem Schema "Nachname_Vorname_Ügruppe_Üblatt.pdf", wobei Ügruppe ∈ {A,B,...,G} und Üblatt ∈ {1,2,...}. Der Inhalt sollte natürlich gut lesbar sein!
• Wenn Sie in der Summe über alle Abgabeübungen mindestens 50% der Punkte erreichen, erhalten Sie einen Notenbonus von 1/3 Notenstufe auf die Klausurnote, sofern die Klausur auch ohne Bonus bestanden wurde.

Datum	Titel	Aufgaben	Lösung
19.10.	1. Übung Totales Differential - Kalorische Zustandsgleichung - Legendre-Transformation
26.10.	2. Übung Legendre-Transformation und thermodynamische Potentiale - Ideale Gase - Freie Energie - Massieu Funktion - Freie Enthalpie (zur Abgabe am 2.11./3.11.)
2.11.	3. Übung Kreisprozess I - Wahrscheinlichkeiten - Druckfehler - Kreisprozess II
9.11.	4. Übung Shannon'sches Informationsmaß - Extrema mit Nebenbedingungen - Roulette - Rekonstruktion einer Verteilung aus ihren Momenten
16.11.	5. Übung Momente und Kumulanten - Unkenntnismaß und Jaynes'sches Prinzip - System aus zwei Fermionen (zur Abgabe am 23.11./24.11.)
23.11.	6. Übung Einstein-Modell eines Festkörpers im klassischen Grenzfall - Klassiches großkanonisches Ensemble - Quadratische Energieschwankung des idealen Gases
30.11.	7. Übung Phasenraumvolumen eines Punktteilchens - Spuren - Maxwell-Boltzmann'sche Geschwindigkeitsverteilung
7.12.	8. Übung Dichteoperator - Vorurteilsfreier statistischer Operator - Gleichverteilungssatz - DNA-Doppelhelix
14.12.	9. Übung Quantenmechanische Oszillatoren - Mikrokanonischer Statistischer Operator - Magnetische Momente im Gitter (zur Abgabe am 11.1./12.1.)
11.1.	10. Übung Vielteilchen-Hilbertraum - Ideales Gase - Permutations-Operator - Graphit
18.1.	11. Übung Fermionen - Relativistische Fermionen - Ideales Gas (un)unterscheidbarer Teilchen (zur Abgabe am 25.1./26.1.)
25.1.	12. Übung Molekularer Wasserstoff - Ideales Bosegas
1.2.	13. Übung Photonengas

• Für diese Vorlesung existiert eine Video-Version aus dem Wintersemester 2020/21. Diese Videos werden an dieser Stelle (mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung) zur Verfügung gestellt werden.

Abschnitt / Videolink

1. Motivation  [80 MB, 25 Min]

2. Grundlagen der Thermodynamik

2.1. Grundbegriffe  [100 MB, 31 Min]

2.2. Hauptsätze der Thermodynamik  [190 MB, 58 Min]

2.3. Thermodynamische Potentiale  [230 MB, 70 Min]

2.4. Gleichgewichtsbedingungen  [90 MB, 25 Min]

3. Wahrscheinlichkeits- und Informationstheorie

3.1. Ereignisse und Wahrscheinlichkeiten  [180 MB, 52 Min]

3.2. Interpretation von Wahrscheinlichkeiten  [100 MB, 29 Min]

3.3. Zufallsvariablen und Verteilungen  [170 MB, 52 Min]

3.4. Information  [140 MB, 41 Min]

3.5. Shannon'sches Informationsmaß  [260 MB, 79 Min]

3.6. Jaynes'sches Prinzip  [160 MB, 48 Min]

3.7. Unkenntnismaximierung mit Nebenbedingungen  [300 MB, 85 Min]

4. Übergang zur Statistischen Physik

4.1. Vorbemerkungen  [44 MB, 15 Min]

4.2. Klassische Mechanik - Teil A  [130 MB, 38 Min]

4.2. Klassische Mechanik - Teil B  [300 MB, 88 Min]

4.3. Klassische Statistische Mechanik  [275 MB, 79 Min]

4.4. Quantenmechanik - Teil A  [185 MB, 55 Min]

4.4. Quantenmechanik - Teil B  [190 MB, 55 Min]

4.5. Quantenstatistik  [350 MB, 107 Min]

5. Anknüpfung an die Thermodynamik

5.1. Identifikation thermodynamischer Größen  [330 MB, 97 Min]

5.2. Druck und Volumen  [80 MB, 25 Min]

5.3. Hauptsätze der Thermodynamik  [120 MB, 37 Min]

6. Ideale Quantengase

6.1. Vielteilchen-Quantenmechanik - Teil A  [260 MB, 77 Min]

6.1. Vielteilchen-Quantenmechanik - Teil B  [185 MB, 56 Min]

6.1. Vielteilchen-Quantenmechanik - Teil C  [290 MB, 85 Min]

6.2. Zustandssumme idealer Quantengase  [300 MB, 87 Min]

6.3. Ideale Fermigase - Teil A  [350 MB, 96 Min]

6.3. Ideale Fermigase - Teil B  [320 MB, 92 Min]

6.4. Ideale Bosegase  [270 MB, 67 Min]

6.5. Photonengas  [210 MB, 59 Min]

Hier finden Sie ergänzende Materialen zur Vorlesung, insbesondere Zusammenfassungen zu relevanten Themen aus der Quantenmechanik-Vorlesungen, als Erinnerungshilfe.

	Kapitel	Summary
zu 4.	Formalismus der QM Zusammenfassung aus der Vorlesung Quantenmechanik zur Dirac-Notation und den formalen Grundlagen

Hier das in der Vorlesung diskutierte Mathematica-Notebook zum Idealen Fermigas für eigene Experimente.

	Kapitel	Notebook
zu 6.3	Ideales Fermigas Zusammenhänge: Temperatur, chemisches Potential, Fugazität - Fermi-Dirac-Verteilung

• Die erste Klausur findet am Montag, den 19. Februar 2024 von 14:00 bis 16:00 Uhr statt.
• Die zweite Klausur findet am Montag, den 18. März 2024 von 9:00 bis 11:00 Uhr statt.

Es gibt eine ganze Reihe sehr guter Lehrbücher zur Thermodynamik und Statistik. Sie haben daher die Möglichkeit, ein Ihrem Geschmack am ehesten entsprechendes Buch auszuwählen. Ich werde mich bei der Vorbereitung der Vorlesung hauptsächlich auf folgende Bücher stützen:

• W. Nolting - Grundkurs theoretische Physik, Band 6
  Springer (2007) - E-Book
• W. Nolting - Grundkurs theoretische Physik, Band 4 (zu Kapitel 2)
  Springer (2010) - E-Book
• A. Hobson - Concepts in Statistical Mechanics (zu Kapitel 3)
  Gordon & Breach (1971)

Es gibt noch eine große Zahl anderer Werke, die ich für sehr gelungen halte und mit denen Sie problemlos durch die Vorlesung kommen können:

• T. Fließbach - Statistische Physik : Lehrbuch zur Theoretischen Physik IV
  Spektrum (2010) - E-Book
• F. Schwabl - Statistische Mechanik
  Springer (2006) - E-Book
• R. Balian - From Microphysics to Macrophysics: Methods and Applications of Statistical Physics
  Springer (2007) - E-Book

Für alle Interessierten hier die Links auf die Originalveröffentlichungen von Shannon und Jaynes. Insbesondere das erste Paper, in dem der informationstheoretisch Zugang zur statististischen Physik ausgearbeitet wird, ist sehr gut lesbar:

• Jaynes, E. T.; "Information Theory and Statistical Mechanics";
  Physical Review Series II 106 (1957) 620–630

  PDF Download  DOI Original

• Jaynes, E. T.; "Information Theory and Statistical Mechanics II"
  Physical Review Series II 108 (1957) 171–190

  PDF Download  DOI Original

• Shannon, C. E.; "A Mathematical Theory of Communication"
  Bell System Technical Journal 27 (1948) 379–423

  PDF Download  DOI Original