Moderne Thermodynamik · Von Einfachen Systemen Zu Nanostrukturen by Strunk, Christoph -- Read -- Imperial Library of Trantor

Index

Titel Impressum Vorwort Inhaltsverzeichnis Bezeichnungen Die Strategie des Buches Stoffauswahl für eine Einführungsvorlesung Teil I: Thermodynamik in der Makrowelt – Physikalische Systeme

1 Wie beschreibt man physikalische Systeme?

1.1 Einleitung 1.2 Grundbegriffe 1.3 Bilanzen und Erhaltungssätze 1.4 Einfache Systeme 1.5 Extensive und intensive Größen 1.6 Die GIBBS’sche Fundamentalform 1.7 Elektrisches Gleichgewicht

2 Thermische Systeme

2.1 Energie, Entropie und Temperatur 2.2 Empirische und absolute Temperaturen 2.3 Das System „heißer Körper“ 2.4 Der zweite Hauptsatz 2.5 Der dritte Hauptsatz 2.6 Transportphänomene und Entropieerzeugung 2.7 Die Messung der Temperatur 2.8 Die Messung der Wärmekapazität und der Entropie 2.9 Entropieerzeugung durch irreversiblen Temperaturausgleich 2.10 Wärmestrom und Wärmeleitung

3 Ideale Gase

3.1 Stoffmenge und chemisches Potenzial 3.2 Thermodynamische Beschreibung von Gasen 3.3 Die thermische Zustandsgleichung 3.4 Die kalorische Zustandsgleichung 3.5 Die MAXWELL-Verteilung 3.6 Erwärmung und Abkühlung – Wärmekapazitäten 3.7 Der Gleichverteilungssatz 3.8 Expansion und Kompression – Kompressibilitäten Isotherme und isentrope Kompressibilität

4 Maschinen

4.1 Die Kopplung verschiedener Energie-Transportprozesse 4.2 Das CARNOT’sche Prinzip 4.3 Unvollkommene Maschinen – Irreversibilität 4.4 Unzerlegbare Systeme 4.5 Wärme und Arbeit – der CARNOT’sche Kreisprozess 4.6 Thermische Maschinen 4.7 Der STIRLING-Motor 4.8 Der historische Weg zur Entropie

5 Thermodynamische Potenziale

5.1 Weitere MASSIEU-GIBBS-Funktionen

5.1.1 Die freie Energie 5.1.2 Die Enthalpie 5.1.3 Die freie Enthalpie 5.1.4 Die Energie im externen Magnetfeld 5.1.5 Die freie Energie im externen Magnetfeld

5.2 MAXWELL-Relationen 5.3 Die Messung der absoluten Temperatur 5.4 Homogenität der MASSIEU-GIBBS-Funktionen 5.5 Entropieartige MASSIEU-GIBBS-Funktionen 5.6 Drei Ebenen der Systembeschreibung

6 Mehr über ideale Gase

6.1 Die Entropie eines idealen Gases 6.2 Freie Energie und chemisches Potenzial 6.3 Die Teilchenkapazität 6.4 Das ideale Gas in Entropiedarstellung

7 Zusammengesetzte Systeme und Gleichgewichte

7.1 Was ist eigentlich ein System? 7.2 System-Zerlegung und System-Zusammensetzung 7.3 Gleichgewicht und Stabilität 7.4 Mischungsentropie 7.5 Ideale Lösungen 7.6 Der osmotische Druck 7.7 Chemische Reaktionen

7.7.1 Das Massenwirkungsgesetz 7.7.2 Reaktionswärmen 7.7.3 Die Absolutwerte des chemischen Potenzials

7.8 Der dritte Hauptsatz in der physikalischen Chemie

8 Transportphänomene

8.1 Transport durch bewegliche Teilchen 8.2 Mittlere freie Weglänge 8.3 Diffusion 8.4 Diffusion und Diffusionsgleichgewichte in äußeren Feldern

8.4.1 Thermodynamik im äußeren Kraftfeld 8.4.2 Die EINSTEIN-Relation 8.4.3 Die barometrische Höhenformel 8.4.4 Abschirmung elektrischer Felder

8.5 Impulstransport und Viskosität 8.6 Entropietransport und Wärmeleitfähigkeit 8.7 Effusion aus kleinen Öffnungen 8.8 Teilchendiffusion durch dünne Kapillaren 8.9 Thermoelektrizität 8.10 Kritik des Drift-Diffusionsmodells 8.11 Die Matrix der Transportkoeffizienten 8.12 Entropieproduktion durch Ströme

9 Reale Systeme

9.1 Phasen und Phasenübergänge 9.2 Verdampfen und Kondensieren 9.3 Phasengleichgewichte

9.3.1 Die Gleichung von Clausius und Clapeyron 9.3.2 Verdunsten und Sieden 9.3.3 Siedepunkterhöhung und Gefrierpunktserniedrigung 9.3.4 Der Tripelpunkt 9.3.5 Experimente zur chemischen Konstante 9.3.6 Der Dampfdruck über realen Mischungen

9.4 Instabilitäten in realen Mischungen 9.5 Das reale Gas

9.5.1 Die VAN DER WAALS’sche Zustandsgleichung 9.5.2 Die GAY-LUSSAC- und die JOULE-THOMSON-Expansion

9.6 Der Phasenübergang im VAN DER WAALS-Modell

9.6.1 Freie Energie und das chemische Potenzial 9.6.2 Der kritische Punkt

Teil II: Statistische Thermodynamik – Teilchen und Quasiteilchen

10 Statistische Thermodynamik am Beispiel von Spin-1/2-Systemen

10.1 Quantenzustände und chemische Spezies 10.2 Zufallsgrößen 10.3 Zustände und Zufallsgrößen des Spin-1/2-Systems 10.4 Chemisches Gleichgewicht im Spin-1/2-System 10.5 Der ideale Spin- 1/2-Paramagnet 10.6 Thermische Schwankungen 10.7 Ferromagnetismus in der Molekularfeld-Näherung

11 Einfache Quantensysteme

11.1 Die BOLTZMANN-Verteilung 11.2 Das allgemeine Zwei-Niveau-System - Gläser 11.3 Polymere 11.4 Der harmonische Oszillator 11.5 Rotationsanregungen von Molekülen 11.6 Innere Freiheitsgrade von Atomen 11.7 Zerlegung idealer Gase in Teilsysteme 11.8 Zusammengesetzte Quantensysteme 11.9 Die Translationsfreiheitsgrade eines idealen Gases 11.10 Das „klassische“ ideale Gas 11.11 Der dritte Hauptsatz in der Quantenphysik 11.12 Kanonische oder Mikrokanonische Verteilung?

12 Ideale Gase bei tiefen Temperaturen

12.1 Fermionen und Bosonen 12.2 Die GIBBS’sche Verteilung 12.3 Elementare BOSE- und FERMI-Systeme 12.4 Transport von Energie, Entropie und Teilchen durch elementare FERMI- oder BOSE-Systeme 12.5 Der „klassische“ Grenzfall 12.6 Vergleich von BOSE- und FERMI-Gasen 12.7 Ensembles in der statistischen Physik

13 BOSE-Systeme

13.1 Photonen – thermische Strahlung

13.1.1 Zustandsdichte 13.1.2 Thermische Eigenschaften des Photonengases 13.1.3 Energie- und Entropietransfer durch thermische Strahlung

13.2 Phononen im DEBYE-Modell

13.2.1 DEBYE-Näherung der Zustandsdichte 13.2.2 Thermische Eigenschaften des Phononensystems

13.2.2.1 Phononenzahlen 13.2.2.2 Energie, Wärmekapazität und Entropie

13.2.3 Thermische Ausdehnung von Festkörpern - Phononendruck 13.2.4 Wärmeleitfähigkeit durch Phononen

13.3 Massive BOSE-Gase

13.3.1 Die BOSE-EINSTEIN Kondensation 13.3.2 Experimente zur BOSE-EINSTEIN-Kondensation

13.4 Quasiteilchen in suprafluidem 4He

13.4.1 Die Suprafluidität von 4He

13.4.2 Dispersionsrelation und Wärmekapazität 13.4.3 Der Fontänen-Effekt 13.4.4 Die Trägheit des Quasiteilchen-Systems

14 FERMI-Systeme

14.1 Das ideale FERMI-Gas – Elektronen in Metallen

14.1.1 Dispersionsrelationen – die Bandstruktur 14.1.2 Zustandsgleichungen 14.1.3 Der Grundzustand: FERMI-Entartung 14.1.4 Abschirmung im entarteten FERMI-Gas 14.1.5 Kontaktspannungen

14.2 Thermische Eigenschaften des FERMI-Gases

14.2.1 SOMMERFELD-Entwicklung 14.2.2 Thermische Zustandsgleichung 14.2.3 Kalorische Zustandsgleichung 14.2.4 Thermische Ausdehnung 14.2.5 PAULI-Suszeptibilität

14.3 FERMI-Flüssigkeiten

14.3.1 LANDAUs FERMI-Flüssigkeit 14.3.2 Flüssiges 3He 14.3.3 Verfestigung von 3He – POMERANCHUK-Kühlung 14.3.4 Lösungen von 3He in 4He 14.3.5 Der 3He-4He-Mischkryostat

14.4 Transport in FERMI-Systemen

14.4.1 Ströme im Nichtgleichgewicht 14.4.2 Ladungstransport – elektrische Leitfähigkeit 14.4.3 Ladungstransport – Thermokraft 14.4.4 Entropietransport – PELTIER-Koeffizient und Wärmeleitfähigkeit

14.5 Halbleiter

14.5.1 Quasiteilchen in intrinsischen Halbleitern 14.5.2 Dotierung und Leitfähigkeit 14.5.3 Thermoelektrizität in Halbleitern 14.5.4 Halbleiter-Grenzflächen

14.5.4.1 Der pn-Übergang 14.5.4.2 Metall/Halbleiter-Kontakte

14.6 Quasiteilchen in supraleitenden Metallen

14.6.1 Supraleitende Phänomene 14.6.2 Thermodynamische Eigenschaften 14.6.3 BCS-Theorie und BOGOLIUBOV-Quasiteilchen

15 Quasiteilchen in reduzierten Dimensionen

15.1 Zweidimensionale Elektronensysteme

15.1.1 Halbleiter-Heterostrukturen 15.1.2 Elektronische Struktur von Quantentrögen

15.2 Tunnelkontakte und Punktkontakte

15.2.1 Tunnelkontakte 15.2.2 Punktkontakte

15.3 Quasi-eindimensionale Leiter

15.3.1 Elektrischer Transport durch Quanten-Punktkontakte 15.3.2 Entropietransport durch Quanten-Punktkontakte 15.3.3 Phononen in reduzierten Dimensionen 15.3.4 Diffusive Quantendrähte

A Differenzialrechnung im B Wahrscheinlichkeiten und Wahrscheinlichkeitsdichten C Nützliche Integrale D LEGENDRE-Transformation E Das Zwei-Körper-System aus thermodynamischer Sicht F Magnetische Felder in Materie G Charakteristische Funktionen in der Statistik H Die BOLTZMANN-Gleichung Danksagung Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis

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