Программа курса “Физическая химия БАК”
Раздел 1 Основные положения феноменологической и статистической термодинамики, введение в теорию межмолекулярных взаимодействий
Введение
Задачи физической химии, роль в современной науке, основные подходы: феноменологическая термодинамика, статистическая термодинамика, квантово-механическое описание.
Основные положения феноменологической термодинамики
Фундаментальные уравнения, характеристические функции, принцип равновесия Гиббса, условия равновесия и критерии устойчивости. Правило фаз.
Основные положения статистической термодинамики
Микросостояние. Статистические ансамбли и вероятность микросостояний. Статсуммы как характеристические термодинамические функции. Структура статсуммы. Внутренние степени свободы и конфигурационный интеграл. Термическое и калорическое уравнения состояния – связь с составляющими статсуммы.
Межмолекулярные взаимодействия
Притяжение и отталкивание. Парный потенциал и сила. Дисперсионные взаимодействия. Модельные потенциалы, потенциал Леннард-Джонса. Полярные молекуля, диполь-дипольное взаимодействие. Средняя энергия взаимодействия диполей. Поляризуемость. Индукционные взаимодействия. Квадруполи и моменты более высокого порядка. Многоатомные молекулы, атом-атомная схема, силовые поля. Специфические взаимодействия. Водородная связь.
Раздел 2
Газы, Жидкости, Твердые тела.
Флюидные и кристаллические системы, различие в структуре и макроскопических свойствах. Вязкоупругость. Фазовые диаграммы однокомпонентных систем. Бинодаль, спинодаль, критическое состояние. Уравнение Клаузиуса-Клапейрона. Уравнение Антуана. Условия равновесия, правила Максвелла и общей касательной.
Идеальный газ
Идеальный газ с точки зрения феноменологической термодинамики: зависимость термодинамических функций идеального газа от параметров состояния. Идеальный газ с точки зрения статистической термодинамики: конфигурационный интеграл и калорическое уравнение состояния идеального газа, связь со строением молекул, теплоемкость и ее составляющие. Физический смысл стандартной части химического потенциала. Выражение для свободной энергии идеального газа.
Молекулярная структура макроскопической системы
Структура реального газа, жидкости и кристаллического тела. Корреляции. Условная вероятность и локальная плотность. Радиальная функция распределения, методы ее нахождения. Структура флюида твердых сфер, роль сил отталкивания. Связь радиальной функции распределения с конфигурационной энергией и давлением (теорема о вириале). Флуктуации плотности и теорема об изотермической сжимаемости.
Термическое уравнение состояния флюидной системы
Вклад межмолекулярных взаимодействий в термодинамические функции. Термическое уравнение состояния и фугитивность. Реальный газ: вириальное уравнение состояния. Расчет второго вириального коэффициента для системы твердых сфер. Свободный и исключенный объем.
Уравнение состояния ван дер Ваальса. Критические параметры, принцип соответственных состяний. Современные эмпирические кубические уравнения состояния, области их применения, ограничения. Теоретически обоснованные уравнения состояния для модельных систем: уравнение состояния Карнахана-Старлинга флюида твердых сфер. Описание ассоциации твердых сфер – уравнение состояния гибких цепочек SAFT.
Твердые тела
Типы кристаллов и методы их описания. Вычисление энергии кристаллической решетки молекулярного и ионного кристаллов. Теории теплоемкости одноатомных кристаллов. Гармоническое приближение, нормальные частоты колебаний. Статсумма квантового гармонического осциллятора. Статсумма кристалла. Теория теплоемкости Эйнштейна. Теория теплоемкости Дебая. Фононы.