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Cinética de Fluidos y Plasmas
Esta asignatura pertenece a la materia Termodinámica y Física Estadística.
Es asimismo útil para aprovechar plenamente muchos aspectos de las asignaturas que forman el bloque Estructura de la Materia.
Se pretende proporcionar a los alumnos una visión global de los sistemas fuera de equilibrio así como unas herramientas teóricas básicas para tratarlos. Nos limitaremos a un tratamiento clásico aunque se indicará brevemente cuando se deben considerar efectos cuánticos o relativistas y cuales son las pautas a seguir para realizar estas ampliaciones. Partiendo de un objeto central de la física estadística, la función de distribución en el espacio de fases, se escribe una ecuación de evolución que tiene como solución particular la distribución de Maxwell-Boltzmann en el equilibrio. Bajo ciertas aproximaciones y aplicando las leyes de conservación (momento, energía..) veremos como se llegan a ecuaciones de evolución macroscópicas: hidrodinámica de Navier-Stokes, leyes de Fick y de Fourier. Se calcularán los coeficientes de transporte (conductividad térmica, viscosidad …) en un modelo sencillo.
Repasaremos brevemente algunos resultados de hidrodinámica, con el propósito de aclarar conceptos que nos serán de utilidad para el bloque de física de plasmas.
En una segunda parte de la asignatura se dará una introducción a las principales propiedades de las plasmas. Los plasmas son un estado muy excitado de la materia, típicamente obtenido cuando se le aporta una energía suficiente para ionizar sus átomos. Unas de sus principales características es que el efecto de las fuerzas de largo alcance supera al de las colisiones para alcanzar el equilibrio (régimen colectivo / régimen colisional). Se estima que los plasmas forman más del 99% de la materia en el universo. Asimismo, su papel es ubicuo en las áreas más activas del desarrollo tecnológico.
Finalmente, se dedicará la última parte de la asignatura a examinar aplicaciones tanto conceptuales a otras ramas de la física (astrofísica, materia condensada) como tecnológicas (fusión termonuclear, preparación de materiales de alta tecnología y técnicas de análisis no intrusivas…)
Se recomienda haber cursado Física Estadística y Electromagnetismo
Se espera que durante el desarrollo de esta asignatura el estudiante adquiera las competencias transversales de capacidad de análisis y síntesis (CT1), capacidad de organización y planificación (CT2), comunicación oral y escrita (CT3), resolución de problemas (CT6), razonamiento crítico (CT8), aprendizaje autónomo (CT9), fomentando su creatividad (CT10) e iniciativa (CT11). Las competencias específicas incluirán no solo el conocimiento y comprensión de los fenómenos y de las teorías físicas más importantes (CE1) y la capacidad de estimar órdenes de magnitud para interpretar fenómenos diversos (CE2), sino también, mediante la aplicación de conocimientos matemáticos básicos adquiridos en los cursos anteriores, la capacidad de modelado de fenómenos complejos, trasladando un problema físico al lenguaje matemático (CE5). Finalmente, la exposición de un trabajo permitirá comprobar la capacidad de transmitir conocimientos de forma clara tanto en ámbitos docentes como no docentes (CE7).
Estas competencias están asociadas a los siguientes resultados de aprendizaje:
- Adquirir técnicas para tratar los sistemas fuera de equilibrio
- Obtener los coeficientes de transporte a partir de modelos microscópicos sencillos
- Adquirir nociones básicas de física de plasmas, de los efectos colectivos y colisionales
- Comprender las interrelaciones que existen entre varias asignaturas
Bloque 1: Sistemas fuera de equilibrio
- Teoría cinética
(Espacio de fases y función de distribución. Ecuación de Liouville.
Ecuación de Boltzmann. Teorema H.)
- Límite hidrodinámico
(Escalas de tiempo, distancia, energía. Relaciones de conservación.
Ecuaciones de Euler y de Navier-Stokes)
- Coeficientes de transporte
(Respuesta lineal. Aproximación del tiempo de relajación.
Coeficientes de transporte (viscosidad, conductividad térmica / eléctrica, difusión).
Relaciones de Onsager.)
Bloque 2: Algunos resultados de hidrodinámica
Números de Reynolds y de Mach. Teorema de Bernouilli.
El concepto de vorticidad. Ondas de choque
Bloque 3: Plasmas
- Introducción a la física de plasmas
(Ejemplos de plasmas. Longitud de Debye. Ecuación de Saha.
Régimen colectivo vs. colisional)
- Magnetohidrodinámica
- Propagación de ondas
(Plasmas fríos o calientes, magnetizados o no. Amortiguamiento
de Landau. Inestabilidades)
Bloque 4: Algunas aplicaciones
- Fusión termonuclear (ITER), plasma quark-gluón
- Fluidos y plasmas astrofísicos
(medio interestelar, física del sol y magnetosfera terrestre, pulsares, AGNs ...)
- Conductividad y resistividad de materiales
- Aplicaciones industriales y alta tecnología
(descargas eléctricas, tratamientos de superficie, análisis no invasivo de materiales ...)
El temario de los Bloques 1 a 3 y una introducción a los temas del Bloque 4 se presentarán en las clases expositivas. Se usarán presentaciones por ordenador para las exponer las ideas directrices y se detallarán algunos cálculos en la pizarra. Los ficheros de las presentaciones por ordenador se pondrán a disposición del alumnado en el Campus Virtual.
Las tutorías grupales estarán dedicadas a la aclaración de dudas sobre el temario y a la resolución de ejercicios sencillos.
Las prácticas de aula estarán dedicadas (i) a la resolución de problemas (ii) a la exposición de trabajos que profundizarán en unos de los temas propuestos en el Campus Virtual. Además, se realizarán a lo largo del año en las PAs dos micro-pruebas (~45) de los conocimientos adquiridos en las clases expositivas.
Se pide presentar una versión redactada en limpio de las actividades realizadas en las sesiones de ejercicios y problemas.
El volumen de trabajo que se estima necesario para alcanzar los objetivos marcados se recoge en las siguientes tablas:
MODALIDADES | Horas | % | Totales | |
Presencial | Clases expositivas | 39 | 26 | 40% |
Práctica de aula / Seminarios / Talleres | 13 | 8.6 | ||
Tutorías grupales | 4 | 2.7 | ||
Sesiones de evaluación | 4 | 2.7 | ||
No presencial | Trabajo en grupo | 15 | 10 | 60% |
Trabajo Individual | 75 | 50 | ||
Total | 150 |
Temas | Horas totales | Clases Expositivas | Prácticas de aula /Seminarios/ Talleres | Tutorías grupales | Sesiones de Evaluación | Total | Trabajo grupo | Trabajo autónomo | Total |
Bloque 1: Sistemas fuera de equilibrio | 50 | 16 | 2 | 2 | - | 20 | 5 | 25 | 30 |
Bloque 2: Algunos resultados de hidrodinámica | 20 | 8 | 1 | 1 | - | 10 | 2 | 8 | 10 |
Bloque 3: Introducción a la física de plasmas | 33 | 10 | 2 | 1 | - | 13 | 3 | 17 | 20 |
Bloque 4: Aplicaciones | 43 | 5 | 8 | 0 | - | 13 | 5 | 25 | 30 |
Examen | 4 | - | - | - | 4 | 4 | - | - | - |
Total | 150 | 39 | 13 | 4 | 4 | 60 | 15 | 75 | 90 |
Convocatorias ordinarias:
La evaluación se realizará principalmente mediante la realización de un trabajo (40% de la nota). Los estudiantes escogerán un tema entre los propuestos. Redactarán una memoria de unas 20-25 páginas. Opcionalmente expondrán los puntos salientes en una exposición oral de 15-20 minutos en las horas dedicadas a prácticas de aula. Se pide obtener una nota mínima de 5 en el trabajo para aprobar la asignatura.
Un 50% de la nota final corresponderá a la evaluación de los conocimientos adquiridos en dos micro-exámenes de una duración ~45 minutos con preguntas teóricas básicas en las horas de prácticas de aula. Se necesitará obtener una nota mínima de 4 en el promedio de estas micropruebas para aprobar la asignatura.
Se valorará la participación regular en las actividades presenciales, en particular a la resolución de ejercicios realizados en sesiones de tutoría grupal y entrega de una versión en limpio de las mismas, con un 10% de la nota.
Convocatorias extraordinarias:
Como en las convocatorias ordinarias, se pide la realización de una memoria sobre un tema entre los propuestos (40% de la nota). Los alumnos que no hayan realizado o superado las micropruebas tendran que presentarse a una prueba escrita en las fechas oficiales de examen (50% de la nota). Se pide obtener una nota mínima de 5 en el trabajo y una nota mínima de 4 en la prueba escrita para aprobar la asignatura.Se conserva la nota de participación a actividades obtenida a lo largo del año (10%)
Bibliografía básica:
- F. Reif: “Fundamentals of statistical and thermal physics”, McGraw Hill (1965)
→Capítulos 12,13,14
- L.E. Reichl: “A modern course in statistical physics”, Wiley (1998) 2ª edición
→ Capítulos 6,10,11
- K. Huang, “Statistical mechanics”, Wiley (1987) 2ª edición → Capítulos 3,4,5
- F.F. Chen: “Introduction to plasma physics and controlled fusion”, Plenum Press (1984)
- D. A. Gurnett, A. Bhattacharjee: “Introduction to plasma physics: with space and
laboratory applications”, Cambridge University Press (2005)
Bibliografía complementaria:
- R. Balescu: “Statistical dynamics. Matter out of equilibrium”, Imperial College Press (1997)
- E.M. Lifshitz, L.P. Pitaevskii: "Physical kinetics", Pergamon Press (1981)
(=Vol. 10 de D. Landau, E.M. Lifshitz "Course of theoretical physics")
- R.L. Liboff: “Kinetic Theory”, Springer (2003) 3a edición
- D.J. Acheson, “Elementary Fluid Dynamics”, Clarendon Press (1990)
- R.J. Goldston, P.H. Rutherford, “Introduction to plasma physics”, Taylor&Francis (1995)
- S. Ichimaru: “Basic principles of plasma physics: A statistical approach”, Benjamin (1973)
Los apuntes de clase así como material docente adicional estarán puestos a disposición de los alumnos en el campus virtual http://www.campusvirtual.uniovi.es/