Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”

Фізико-математичний факультет

Молекулярна фізика та термодинаміка

Конспект лекцій

з курсу загальної фізики

Київ – 2008

УДК 53 (07)

Ф50

Укладачі: Білоус Михайло В’ячеславович Горбатюк Василь Архипович

Печерська Тетяна Вікторівна

Рецензент: Ментковський Ю.Л.

Молекулярна фізика та термодинаміка. Конспект лекцій з курсу Ф50 загальної

фізики. Приклади розв’язування задач.- К.: Видавець „Пугач О.В.”, 2008. – 88 с.

Рекомендовано до друку

кафедрою ЗФ та ФТТ

НТУУ „КПІ”.

Протокол № 01-08

від 31.01.2008 р.

Розраховано на студентів технічних спеціальностей усіх форм навчання.

©Білоус М.В., Горбатюк В.А.,

Печерська Т.В., 2008

©Пугач О.В., оформлення, 2008

ВСТУП

При вивченні молекулярної фізики і термодинаміки слід, в першу чергу, звернути увагу на те, що в основі цих розділів лежать два якісно різних і взаємодоповнюючих один одного методи дослідження макроскопічних тіл (систем). Один з них називається статистичним (іноді – молекулярно-кінетичним), другий – методом феноменологічної термодинаміки (або просто термодинамічним методом).

Щоб особливо підкреслити те положення, що фізичні властивості макроскопічних тіл визначаються не тільки їх механічним рухом, приступаючи до вивчення вказаних вище розділів курсу фізики, варто проаналізувати кілька прикладів, що ілюструють цю тезу. Наприклад, стан тіла, яке спочатку є шматком льоду, може істотно змінитися, хоча тіло як ціле, рухається без прискорення, – лід під дією сонячного проміння може перетворитися на воду.

Далі, необхідно весь час пам'ятати, що властивості багаточастинкових систем (статистичних ансамблів) суттєво відрізняються від властивостей кожної окремої частинки.

Вивчаючи феноменологічну термодинаміку, необхідно зрозуміти і запам'ятати визначення таких основних понять, як термодинамічна система, термодинамічні параметри (параметри стану), рівноважний стан, рівняння стану, внутрішня енергія тощо. На підставі цих початкових понять вводяться складніші дефініції, такі як ентропія, вільна енергія та інші термодинамічні потенціали.

Методи феноменологічної термодинаміки не потребують вибору певної конкретної фізичної моделі системи: термодинаміка заснована на кількох основних, отриманих на основі експериментальних даних, загальних законах, які справедливі для будь-якої термодинамічної системи. З іншого боку, саме ця риса феноменологічної термодинаміки не дає змоги в рамках чисто термодинамічного підходу отримати уяву про механізм того чи іншого процесу.

Статистичний метод дослідження, навпаки, завжди спирається на конкретну модель внутрішньої будови речовини; його основним завданням є визначення властивостей складної системи, виходячи з цієї моделі.

При вивченні молекулярної фізики і термодинаміки зазвичай не становлять труднощів такі питання, як виведення рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеальних газів для тиску, молекулярно-кінетичне тлумачення абсолютної температури, теплоємність, перший закон термодинаміки і його застосування до ізопроцесів і до адіабатного процесу ідеального газу. Проте, такі питання, як другий закон термодинаміки, ентропія, статистичне тлумачення другого закону, закон Максвелла для розподілу молекул ідеального газу за швидкостями і енергіями теплового руху, принцип детальної рівноваги, потребують дуже великої концентрації уваги. Найбільш принциповим з цих питань, безумовно, є другий закон термодинаміки та поняття ентропії, на що варто звернути особливу увагу.

Варто також звернути особливу увагу на роль колових процесів у термодинаміці, ретельно проаналізувати поняття оборотних і необоротних процесів, визначення циклів. Варто чітко уявляти собі, що у феноменологічній термодинаміці колові процеси фактично відіграють роль ефективного наукового методу аналізу широкого кола явищ. У зв’язку з цим стає зрозумілою виняткова важливість циклу Карно для ідеального газу.