D:\Inetpub\shared\yedion\syllabus\03\2019\0321\0321411001_desc.txt סילבוס מקוצר
- תרמודינמיקה: חוקי יסוד, אנטרופיה, טרנספורם לז'נדר, פוטנציאלים תרמודינמים, קשרי מאקסוול ותכונות האקסטרמום.
- יסודות מכניקה סטטיסטית קלאסית: תכונות מרחב הפאזות, פונקצית צפיפות, אנטרופית שאנון, עקרונות מקסימום של אנטרופיה, צבירים.
- יסודות מכניקה סטטיסטית וקוונטית: הרחבת עקרונות קלאסיים למכניקה קוונטית, מטריצת צפיפות. גז אידיאלי (קלאסי, בוזה-איינשטיין, פרמי-דיראק). פוטונים ופונונים.
- מערכות עם אינטרקציות: מודלים פתירים במדוייק, שיטות וריאציה והפרעות, פיתוח בטורים. מעברי פאזה מסדר ראשון ושני, דיאגרמת הפאזות, בניית מאקסוול, טיפולים מקורבים, תורת השדה הממוצע. תורת לנדאו, כיול, אינדקסים קריטים, אוניברסליות. חבורת רנורמליזציה.
Course description Thermodynamics and Statistical Mechanics (Core graduate Course)
Detailed program
Week 1: Thermodynamics: Basics, Postulates 0-2, temperature, Entropy. Ideal gas, Tonks gas.
- Variables (intensive, extensive), functions, concepts.
- Reversible & irreversible processes. Postulate 0.
- Postulate 1. Postulate 2. Carnot cycle, efficiency,
- Thermodynamic temperature. Kelvin scale.
- Ideal gas.Entropy. Tonks gas.
Week 2: Van der Waals. Thermodynamic potentials. Minimax principles.
- Water phase diagram. Transitions and critical point.
- Van Der Waals (VDW) gas + law of corresponding states.
- Legendre transforms. Thermodynamics potentials (energy U, enthalpy H, Helmholtz free energy F, Gibbs free energy G, grand potential J), Maxwell relations.
- Max S, min U, minima of F and G
- Stability conditions, Global minimum.
- La Chatelier principle, local minimum.
Week 3: Phase diagrams. Maxwell cosntruction. Gibbs rule. Lattice models.
- VDW gas view via Helmholtz free energy. Maxwell construction.
- VDW gas view via Gibbs free energy. Maxwell construction.
- Latent heat.
- Solid-solid melt diagram (liquidus, solidus, eutectic).
- Liquid mixtures. Definition of: Lattice binary melt vs.
- Lattice gas vs. Ising
- Gibbs phase rule.
- Black body radiation, from classical EM.
- 3rd postulate
Week 4: Postulate 3. Liouville theorem. Shannon entropy.
- 3rd postulate (coninued) C_V->0 for T=0. Meaning of "only one ground state" (examples, FD, BE, Debye phonons)
- 1D harmonic oscillator, and Bohr-Somerfeld quantization:
- demonstration that \Gamma=\int dp dq/h.
- Analytical mechanics, Lagrangian & eqns of motion,
- Canonical variables,Hamiltonian & eqns of motion.
- Poisson brackets, Poincare theorem. All this - just quotations; no proof.
- Phase space; flow in phase space is incompressible.
- Liouville's theorem (just quotation) and Liouville's equation, in form of Poisson brackets, and in form of "mass conservation" law.
- Introduction to Shannon entropy.
Week 5: Entropy maximization in classical stat. mech. ensembles
- Extremum of entropy. Microcanonical. Gibbs paradox.
- Canonical ensemble. Example: Ideal gas, de Broglie wavelenth
- Tonks gas. Ideal polymer (continuum). Ideal lattice polymer.
- p-T ensemble (only definition).
- Grand partition function (only definition). Example: ideal polymer
Week 6: Equipartition and virial theorems. Applications
- Ideal polymer in grand-canonical ensemble compared to canonical ensemble.
- Time dependence of entropy. Coarse-grained entropy.
- Equipartition and virial theorems. Application to quadratic forms.
- Dulong-Petit law.
- From virial theorem to equation of state using the pair correlation function
Week 7: Quantum stat. mech. Density matrix. Entropy. Lattice models
- Concepts in quantum mechanics: bra-ket, orthonormal set, operator.
- Projection operator for a pure state. Quantum average using projection operator. Mixed state. Density operator/matrix.
- Von Neuman-Liouville equation.
- Entropy and density matrix for microcanonical and canonical ensembles.
- Density matrix of single particle in a box.
- Electron spin - quantum treatment, density matrix, partition function, magnetization
- Lattice models: Ising (ferro and anti-ferro), Heisenberg (quantum and classical), XY model.
- Solution of 1D Ising w/free boundaries
Week 8: 1D, 2D, Bethe lattice phase transitions. Mean field.
- Spontaneous symmetry breaking
- Why there is no phase transition if 1D? (free energy argument)
- Transfer matrix for 1D Ising.
- Why 1D argument of no-transition fails in 2D?
- Critical point of 2D Ising: dual lattice, high/low temperature expansions.
- Mean-field (Weiss/Bragg-Williams).
- Brief mention of Bethe-Peiels approximation.
- Description of results of Onsager.
- Recitations: Correlation in Ising w/periodic boundaries
- Potts model
Week 9: Quantum ideal gas. High-T for bosons and fermions.
- Quantum ideal gas, quantum corrections at high-T
- (effective repulsion/attraction) in fermions/bosons
Week 10: Virial exapansion. Application to van der Vaals.
- Virial expansion
- Van der Waals gas from virial expansion
Week 11: Debey-Huckel. Approximate methods. Monte Carlo.
- Debye-Huckel theory
- Approximate methods: Gibbs inequality, Peierls inequality.
- Monte Carlo method
Week 12: Second order phase transitions: Landau theory. Critical exponents.
- Phase transition types, historical remarks,liquid-magnetic analogy
- Landau function, critical exponents \alpha, \beta.
- Exponents \gamma, \delta. Divergence of fluctuations.
- Continuous Landau functional, treatment of fluctuations, Correlation function, exponents \nu and \eta.
- Widom and Rushbrooke relations.
Week 13: Kadanoff scaling. Real space renormalization. Fixed points (IF TIME PERMITS)
- Landau function: (1) failure due to large fluctuations; (2) 1st order transition
- Kadanoff scaling function of free energy.
- Pameter space; example 2D Ising.
- Real space renormalizxation. Fixed points (stable, unstable, mixed)
- Identifying 1/y_1=\nu, \alpha=2-d\nu. Concept of k-space RG, and epsilon-expansion.
|
D:\Inetpub\shared\yedion\syllabus\03\2019\0321\0321411002_desc.txt סילבוס מקוצר
תרמודינמיקה: חוקי יסוד, אנטרופיה, טרנספורם לז'נדר, פוטנציאלים תרמודינמים, קשרי מאקסוול ותכונות האקסטרמום. יסודות מכניקה סטטיסטית קלאסית: תכונות מרחב הפאזות, פונקצית צפיפות, אנטרופית שאנון, עקרונות מכסימום של אנטרופיה, צבירים. משוואת בולצמן ומשפט ה-H. יסודות של מכניקה סטטיסטית וקוונטית: הרחבת עקרונות קלאסיים למכניקה קוונטית, מטריצת צפיפות. גז אידיאלי (קלאסי, בוזה-איינשטיין, פרמי-דיראק). פוטונים ופונונים. מערכות עם אינטרקציות: מודלים פתירים במדויק, שיטות וואריציה והפרעות, פתוח בטורים. מעברי פאזה מסדר ראשון ושני, דיאגרמות של פאזות, מבנה מאקסוול, טיפולים מקורבים, תורת השדה הממוצע. תורת לנדאו, כיול, אינדקסים קריטים, אוניברסליות. חבורת רנורמליזציה.
Course description Thermodynamics: Postulates, entropy, Legendre transforms, thermodynamic potentials, Maxwell relations, minimax principles. Basics of classical statistical mechanics: properties phase space, density function, Shannon entropy, maximum entropy principles, ensembles. Boltzmann equation and H-theorem. Basics of of quantum statistical mechanics: extension of classical principles to quantum mechanics, density matrix. Ideal gas (classical, Bose-Einstein, Fermi-Dirac). Phonons and photons. Interacting systems: exactly solvable models, variational methods, perturbative methods, series expansions. Phase transitions of first and second order, phase diagrams, Maxwell construction, approximate treatments, mean field theory. Landau theory, scaling, critical indices, universality. Renormalization group.
|