Lektsii_Fizika_chast_II
.pdfганизация системы не потребует подвода добавочной энергии, но тогда всё равно часть энергии из системы придётся выводить в окружающую среду, иначе самоорганизация не произойдёт. Так, например, ожижение газа и затвердевание расплава не требуют затрат энергии. Но для протекания данных процессов, переводящих газ и жидкость в более упорядоченные состояния (в жидкое и в твёрдое, соответственно), необходимо часть энергии из этих систем вывести.
Какие бы примеры самоорганизации мы не рассматривали, всегда необходимыми условиями её возникновения являются наличие большого коллектива, в котором возможны флуктуации, склонные к разрастанию в состоянии неустойчивости, и открытость самой системы – этого коллектива.
В принципе самоорганизация возможна и в замкнутых системах. Однако, самоорганизация и уменьшение энтропии в одной части замкнутой системы неминуемо сопровождается возрастанием энтропии и нарастанием хаоса в другой её части.
Рассмотренная схема является составной частью развитой лауреатом нобелевской премии И. Пригожиным теории нелинейной термодинамики неравновесных процессов. Междисциплинарное направление, которое изучает процессы самоорганизации в природе, получило название «синергетика».
17.4 Химический потенциал
Напоследок вновь вернёмся к первому началу термодинамики и попытаемся описать ситуацию, когда в системе меняется число входящих в неё частиц N. Очевидно, что с изменением этого числа должна меняться и энергия всей системы в целом. Учтём эту возможность.
Для обратимого процесса в системе с неизменным числом частиц формулу первого начала термодинамики мы можем записать так:
|
TdS dU pdV, |
откуда |
dU TdS pdV. |
170
Увеличим число частиц в системе на dN: её энергия возрастёт на некоторую величину dN, где – некоторый коэффициент пропорциональности. Таким образом, формулу первого начала термодинамики для системы с переменным числом частиц можно записать в следующем виде:
dU TdS pdV dN. |
(17.15) |
Коэффициент называется химическим потенциалом. Его физический смысл таков: он показывает, на какую величину меняется внутренняя энергия системы в случае постоянных объёма и энтропии (dV 0 и dS 0) при изменении (dN) числа частиц в ней на единицу.
|
U |
(17.16) |
|
. |
|
|
N V,S |
|
Можно показать, что при контакте двух систем, способных обмениваться частицами, их химические потенциалы начнут ме-
няться. В состоянии термодинамического равновесия химиче-
ские потенциалы контактирующих систем окажутся одинаковыми.
Данный вывод мы используем позднее для объяснения свойств p-n-переходов, на работе которых основана элементная база современной микроэлектроники.
Контрольные задания и вопросы
1.Какие машины называются тепловыми? Какие превращения происходит с теплом и энергией за один цикл работы таких машин?
2.Какие процессы называются обратимыми? Приведите примеры обратимых и необратимых процессов.
3.В чём заключалась суть выводов, сделанных Карно? Какой цикл был им предложен, в чём заключались особенности этого цикла?
4.Как рассчитывается к. п. д. в цикле Карно и в других обратимых циклах; в необратимых циклах?
171
5.Приведите (по крайней мере) две формулировки второго начала термодинамики.
6.Что называется энтропией? Как она связана с теплотой? Что происходит с энтропией при обратимых и необратимых процессах в замкнутых системах?
7.Начертите графики цикла Карно в координатах p – V и T – S. Поясните, каким процессам соответствуют отдельные участки графиков.
8.Как энтропия связана с термодинамической вероятностью состояния? В чём заключается статистическое толкование второго начала термодинамики?
9.В чём заключается смысл парадокса о тепловой смерти Вселенной?
10.Опишите схему процессов самоорганизации в природе. Что такое бифуркация?
11.Что называется химическим потенциалом? В каких единицах он измеряется в СИ? Что происходит с химическим потенциалом при установлении равновесия в системе из двух контактирующих тел?
172
Рекомендуемая литература
1.Трофимова Т. И. Курс физики – М.: Академия. – 2010 и
далее.
2.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Изд-во «Академия». – 2005 и далее.
3.Савельев И.В. Курс общей физики: В 3-х томах. – М.: Наука. – 2005 и далее.
4.Хавруняк В.Г. Курс физики. – М.: Высшая школа. – 2007.
5.Кокин С.М. Физика. Часть I. Конспект лекций. – М.: МИ-
ИТ. – 2010.
6.Никитенко В.А., Кокин С.М. Физика. Часть III. Конспект лекций. – М.: МИИТ. – 2007.
7.Оселедчик Ю.С., Самойленко П.И., Точилина Т.Н. Физика. Модульный курс для технических вузов. – М.: Юрайт. – 2012.
8.Сборник задач по дисциплине «Физика» Под общ. ред. проф. С.М. Кокина. – М.: МИИТ. – 2006.
9.Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – М.: Наука. – 2006 и далее.
10.Чертов А.Г., Воробьёв А.А. Задачник по физике. – М.: Высшая школа. – 2006 и далее.
11.Методические указания к лабораторным работам по физике. – М.: МИИТ, 2000 – 2013 и далее.
12.Селезнёв В.А. Методические указания к вводному занятию в лабораториях кафедры физики. – М.: МИИТ. – 2011.
173
|
Содержание |
|
|
|
Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . .3 |
|
Лекция 1 |
КОЛЕБАНИЯ. ЧАСТЬ I |
|
1.1 |
Определения . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . .4 |
1.2 |
Примеры гармонических колебаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . .5 |
|
1.3 |
Графическое отображение получаемых результатов. . . . . |
. . .8 |
|
|
Контрольные задания и вопросы. |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .. 9 |
|
Лекция 2 |
КОЛЕБАНИЯ. ЧАСТЬ II |
|
2.1 |
Затухающие колебания . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .10 |
2.2 |
Вынужденные колебания . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .13 |
|
Контрольные задания и вопросы. |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .15 |
|
Лекция 3 |
КОЛЕБАНИЯ. ЧАСТЬ III |
|
3.1 |
Явление резонанса. . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .16 |
3.2 |
Автоколебания. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .20 |
|
Контрольные задания и вопросы . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .20 |
|
Лекция 4 |
КОЛЕБАНИЯ. ЧАСТЬ IV |
|
4.1 |
Сложение колебаний, происходящих в одном направлении . |
. .21 |
|
4.2 |
Сложение взаимно перпендикулярных колебаний . . . . . . . . . |
. .23 |
|
|
4.2.1 Сложение взаимно перпендикулярных колебаний с |
|
|
|
равными частотами. . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .23 |
|
4.2.2 Сложение взаимно перпендикулярных колебаний с |
|
|
|
кратными частотами . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .26 |
|
Контрольные задания и вопросы. . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .28 |
|
Лекция 5 |
ВОЛНЫ. ЧАСТЬ I |
|
5.1 |
Определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .29 |
5.2 |
Уравнение бегущей волны . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .30 |
5.3 |
Дифференциальное волновое уравнение. . . . . . . . . . . . . . . . |
. .32 |
|
5.4 |
Упругие волны . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .33 |
5.5 |
Эффект Доплера (в акустике). . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .35 |
|
Контрольные задания и вопросы . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .36 |
|
Лекция 6 |
ВОЛНЫ. ЧАСТЬ II |
|
6.1 |
Сложение волн. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .37 |
6.2 |
Стоячие волны. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .38 |
6.3 |
Электромагнитны волны. . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .41 |
|
Контрольные задания и вопросы . |
. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . |
. .44 |
174
|
Лекция 7 |
ВОЛНЫ. ЧАСТЬ III |
|
7.1 |
Перенос энергии электромагнитной волной. Вектор |
|
|
|
Пойнтинга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .45 |
7.2 |
Опыты Герца. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .46 |
7.3 |
Шкала электромагнитных волн . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .48 |
7.4 |
Распространение волн. Принцип Гюйгенса . . . . . . . . . . . . . . |
. .50 |
|
|
Контрольные задания и вопросы. . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .52 |
|
Лекция 8 ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА. ЧАСТЬ I |
|
|
8.1 |
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .53 |
8.2 |
Интерференция света . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .55 |
8.3 |
Наблюдение интерференции света. . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .57 |
8.4 |
Интерференция в тонких плёнках. . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .59 |
8.5 |
Кольца Ньютона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .61 |
8.6 |
Интерферометры. . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .63 |
|
Контрольные задания и вопросы. . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .64 |
|
Лекция 9 ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА. ЧАСТЬ II |
|
|
9.1 |
Дифракция света. Метод зон Френеля. |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .65 |
9.2 |
Примеры дифракции света . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .68 |
|
9.2.1 Дифракция на круглом отверстии. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .68 |
|
|
9.2.2 Дифракция на круглом непрозрачном диске . . . . . . . . . |
. .69 |
|
|
9.2.3 Дифракция Фраунгофера на щели |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .70 |
|
Контрольные задания и вопросы. . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .73 |
|
Лекция 10 ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА. ЧАСТЬ III |
|
|
10.1 |
Дифракция света. Дифракционная решётка. . . . . . . . . . . . . |
. .74 |
|
10.2 |
Дифракция на трёхмерных решётках. . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .76 |
|
10.2.1 Дифракция рентгеновских лучей на кристалличе- |
|
|
|
ской решётке. Формула Вульфа-Брэгга. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .76 |
|
|
10.2.2 Голография в толстых плёнках . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .78 |
10.3 |
Прохождение света через вещество. Дисперсия света. . . . |
. .80 |
|
|
Контрольные задания и вопросы. . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .84 |
|
Лекция 11 ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА. ЧАСТЬ IV |
|
|
11.1 |
Поглощение и рассеяние света . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .86 |
11.2 |
Эффекты, связанные с поляризацией света. Поляроиды. . . |
. .88 |
|
11.3 |
Отражение света на границе раздела диэлектриков. . . . . . |
. .91 |
|
11.4 |
Оптически анизотропные среды. . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .94 |
11.5 |
Жидкие кристаллы . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .95 |
|
Контрольные задания и вопросы. . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .96 |
175
|
Лекция 12 ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА. ЧАСТЬ V |
|
|
12.1 |
Тепловое излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .97 |
|
|
12.1.1 Определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .97 |
|
|
12.1.2 Законы теплового излучения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. .99 |
|
12.2 |
Внешний фотоэффект. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
.103 |
|
12.3 |
Примеры других эффектов, в которых проявляются |
|
|
|
квантовые свойства света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
.105 |
|
|
12.3.1 Фотоны. |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
.105 |
|
12.3.2 Давление света. Опыты Лебедева. . . . . . . . . . . . . . . . |
.106 |
|
|
12.3.3 Эффект Комптона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
.107 |
|
|
Контрольные задания и вопрос. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
.108 |
|
|
Лекция 13 |
СТРОЕНИЕ АТОМА |
|
13.1 |
Корпускулярно-волновой дуализм света. . . . . . . . . . . . . . . . . |
.110 |
|
13.2 |
Основы теории атома водорода по Бору. . . . . . . . . . . . . . . . . |
111 |
|
|
13.2.1 Закономерности в спектрах свечения атомарного |
|
|
|
водорода . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
111 |
|
13.2.2 Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома. . . . . . |
112 |
|
|
13.2.3 Постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору. . . . . |
114 |
|
13.3 |
Поглощение и излучение света атомами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
117 |
|
|
Контрольные задания и вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
119 |
|
|
Лекция 14 |
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМО- |
|
|
ДИНАМИКА. ЧАСТЬ I |
|
|
14.1 |
Введение. . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
.120 |
|
14.1.1 Два подхода к описанию свойств макросистем. . . . . . |
120 |
|
|
14.1.2 Параметры состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
120 |
|
14.2 |
Идеальный газ . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
122 |
|
14.2.1 Определение. Уравнение состояния. . . . . . . . . . . . . . . . |
122 |
|
|
14.2.2 Изопроцессы в идеальном газе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
124 |
|
|
14.2.3 Масса и размеры молекул идеального газа . . . . . . . . . . |
126 |
|
14.3 |
Реальный газ. Уравнение Ван-дер-Ваальса. . . . . . . . . . . . . . . . |
127 |
|
|
Контрольные задания и вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
130 |
|
|
Лекция 15 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИ- |
|
|
|
НАМИКА. ЧАСТЬ II |
|
|
15.1 |
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории |
|
|
|
газов . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
131 |
15.2 |
Распределение Максвелла молекул по скоростям . . . . . . . . . . |
133 |
|
176
15.3 Опыт Штерна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136 15.4 Распределение Максвелла-Больцмана. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
15.4.1 Барометрическая формула. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138 15.4.2 Распределение Больцмана. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
15.4.3 Распределение Максвелла-Больцмана . . . . . . . . . . . . . .140 15.4.4 Средняя длина свободного пробега. . . . . . . . . . . . . . . . .141 15.5 Явления переноса в газах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142 Контрольные задания и вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .144
Лекция 16 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА. ЧАСТЬ III
16.1 Первое начало термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 16.1.1 Внутренняя энергия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
16.1.2 Работа, совершаемая идеальным газом . . . . . . . . . . . .149 16.2 Теплоёмкость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152 16.3 Адиабатный процесс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154 Контрольные задания и вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156
Лекция 17 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА. ЧАСТЬ IV
17.1 Тепловые машины. Цикл Карно . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158 17.2 Второе начало термодинамики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162 17.3 Энтропия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
17.3.1 Энтропия, как функция состояния . . . . . . . . . . . . . . . .163 17.3.2 Энтропия в необратимых процессах. . . . . . . . . . . . . . .165 17.3.3 Энтропия и термодинамическая вероятность со-
стояния. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166 17.4 Химический потенциал. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170 Контрольные задания и вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171 Рекомендуемая литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
177
Св. план 2013 г., поз. 140
Кокин Сергей Михайлович Никитенко Владимир Александрович
ФИЗИКА Часть II
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Подписано к печати |
|
Формат 60 84/16 |
Тираж 300 экз. |
Заказ № |
Усл. п. л. |
178