- •Предисловие
- •Программа курса «Молекулярная физика. Термодинамика.»
- •2. Учебно-тематический план
- •3. Содержание курса
- •4. Примерная тематика семинарских занятий
- •5. Средства обеспечения дисциплины
- •Введение
- •Все вещества состоят из атомов или молекул
- •Атомы и молекулы веществ находятся в состоянии беспорядочного движения
- •Между атомами и молекулами вещества действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания.
- •Глава 1 Термодинамика
- •§1. Температура и термодинамическое равновесие
- •Давление
- •§2. Уравнение состояния идеального газа
- •§3. Законы идеальных газов
- •Изотермический процесс
- •Изобарический процесс
- •Закон Авогадро
- •Закон Дальтона
- •§4. Первое начало термодинамики
- •§5. Макроскопическая работа
- •I начало термодинамики для системы в адиабатической оболочке
- •§6. Внутренняя энергия
- •§7. Количество теплоты. Математическая формулировка первого начала термодинамики
- •§8. Различные приложения I начала термодинамики. Теплоёмкость
- •§9. Внутренняя энергия идеального газа. Закон Джоуля
- •Уравнение Роберта Майера
- •§10. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона
- •Работа при адиабатическом изменении объёма газа
- •§11. Политропический процесс
- •Вопросы и задания для самостоятельной работы студентов Основы термодинамики. I начало термодинамики
- •§12. II начало термодинамики
- •Различные формулировки основного постулата, выражающего II начало термодинамики
- •§13. Равновесные состояния
- •§14. Обратимые и необратимые процессы
- •Необратимость и вероятность
- •§15. Цикл Карно
- •Коэффициент полезного действия в цикле Карно
- •§16. Холодильная машина
- •§17. Свободная энергия
- •§18. Энтропия
- •§19. Некоторые термодинамические соотношения
- •§20. Закон возрастания энтропии. Второе начало термодинамики
- •Увеличение энтропии при теплопередаче
- •§21. Энтропия и вероятность
- •§22. Энтропия и беспорядок
- •§23. Третье начало термодинамики
- •Вопросы для контроля самостоятельной работы студентов
- •II начало термодинамики. Энтропия.
- •Глава 2. Неравновесная термодинамика §1. Основные принципы линейной термодинамики
- •§2. Нелинейная термодинамика
- •§3. Принцип синергетики
- •Свойства и примеры самоорганизации диссипативных структур
- •Глава 3. Статистическая физика и её применение к идеальному газу
- •§1. Давление газа с точки зрения молекулярно – кинетической теории
- •§2. Температура как мера средней энергии хаотичного движения молекул
- •Скорость газовых молекул
- •§3. Броуновское движение
- •§4. Кинетическая теория теплоты Внутренняя энергия идеального газа
- •§5. Классическая теория теплоёмкости и её недостатки
- •§6. Барометрическая формула
- •Закон Больцмана
- •§7. Распределение молекул по скоростям
- •§8. Функция распределения
- •§9. Формула Максвелла
- •§10. Средняя арифметическая, средняя квадратичная и наивероятнейшая скорости молекул
- •§11. Среднее число молекул, сталкивающихся со стенкой сосуда
- •Вопросы для контроля знаний студентов Молекулярно-кинетическая теория
- •Глава 4. Явления переноса §1. Столкновение молекул и явления переноса
- •§2. Среднее число столкновений в единицу времени и средняя длина свободного пробега молекул
- •§3. Рассеяние молекулярного пучка в газе
- •§4. Явление переноса в газах. Уравнение переноса
- •§5. Диффузия
- •§6. Нестационарная диффузия
- •§7. Теплопроводность газов
- •§8. Вязкость газов (внутреннее трение)
- •§9. Соотношения между коэффициентами переноса
- •§10. Физические явления в разреженных газах
- •Вопросы для самостоятельного контроля знаний студентов Явления переноса
- •Глава 5 §1. Неидеальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Отклонение свойств газов от идеальности
- •Уравнение Ван-Дер-Ваальса
- •§2. Учет сил отталкивания между молекулами
- •§3. Учет сил притяжения между молекулами
- •§4. Изотермы Ван-дер-Ваальса
- •§5. Критическая температура и критическое состояние
- •§6. Недостатки уравнения Ван-дер-Ваальса
- •§7. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса
- •§8. Приведенное уравнение Ван-дер-Ваальса. Закон соответственных состояний
- •§9. Сжижение газов
- •Эффект Джоуля-Томсона
- •Вопросы для самоконтроля изученного материала Реальные газы
- •Глава 6. Жидкое состояние §1.Строение жидкостей
- •§2. Поверхностное натяжение
- •§3. Условия равновесия на границе двух сред. Краевой угол
- •§4. Граница жидкости и твердого тела
- •§5. Силы, возникающие на кривой поверхности жидкости
- •§6. Капиллярные явления
- •§7. Упругость насыщенного пара над кривой поверхностью жидкости
- •Вопросы для самоконтроля знаний студентов
- •Глава 7. Жидкие растворы §1. Свойства растворов
- •§2. Упругость насыщенного пара над идеальным раствором
- •§3. Закон Генри
- •§4. Осмотическое давление
- •Глава 8. Кристаллическое состояние §1. Отличительные черты кристаллического состояния
- •§2. Классификация кристаллов
- •§3. Физические типы кристаллических решеток
- •§4. Тепловое движение в кристаллах
- •Глава 9. Фазовые переходы §1. Фаза и фазовые равновесия
- •§2. Условия равновесия фаз химически однородного вещества
- •§3. Уравнение Клапейрона
- •Вопросы для самоконтроля знаний студентов
- •Содержание
Глава 1 Термодинамика
Состояние любой системы в термодинамике характеризуется такими макроскопическими параметрами как температура (T), давление (P) и объём (V). Рассмотрим эти параметры.
§1. Температура и термодинамическое равновесие
Температура характеризует степень нагретости тела. Представление о температуре вошло в науку через посредство наших чувственных восприятий, таких как теплый, холодный, горячий. Однако количественная мера степени нагретости, необходимая для науки не может быть установлена с помощью чувственных восприятий, поскольку они являются субъективными. В основу количественного определения и построения точной температурной шкалы должны быть положены объективные физические явления, основанные на изменении физических свойств тел от температуры.
В феноменологическом учении о теплоте температура вводится через понятие теплового или термического равновесия. Рассмотрим эти понятия на основе конкретных примеров. Если привести в соприкосновение холодное и горячее тело, то, как показывает опыт, горячее тело будет охлаждаться, а холодное тело нагреваться. Это будет продолжаться до тех пор, пока их температуры не сравняются. В этом случае говорят, что тела находятся в термическом равновесии. Термическое равновесие наступает не только в случае соприкосновении двух тел, но и в случае соприкосновении сколько угодно большого количества тел. Можно говорить только о температуре термически равновесной системы.
Температура одна из макроскопических характеристик состояния тел. Это понятие не имеет смысла для систем состоящих из одного или небольшого числа атомов или молекул.
Измерение температуры основано на следующем факте. Для суждения об одинаковости или различия температур двух тел A и B нет необходимости обязательно приводить их в тепловой контакт друг с другом. Можно воспользоваться для этой цели третьим телом С, приводимым последовательно в контакт с телами A и B. Если температура тела C равна температурам тел A и B, то тела A и B имеют одинаковую температуру, равную температуре тела C. Допустим, что тело C настолько мало, что при приведении в контакт с телами A и B оно не меняет заметно температуры этих тел, хотя изменения температуры самого тела C могут быть значительными. Такое тело называется термоскопом. О постоянстве или изменении температуры термоскопа можно судить по изменению различных величин, характеризующих его физическое свойство. Как показывает опыт, практически все физические свойства тел изменяются с изменением температуры. Так при нагревании большинство тел расширяется, возрастает электрическое сопротивление металлов и т. д. Все подобные явления могут быть использованы для построения термоскопа. Но мы ещё не определили температуру количественно. Для этого надо установить температурную шкалу, с помощью которого каждая температура характеризуется определённым числом. Проградуированный по определённому правилу термоскоп превращается в термометр. Для построения шкалы термометра нужно знать две реперные точки, для которых температура считается известной. До 1954 года за реперные точки брали нормальную точку кипения воды Tk и нормальную точку плавления льда Tпл. Принимались по определению, что разность температур этих точек Tk - Tnл = 100о. Тогда единица измерения температуры 1 градус в данной шкале будет определяться как (ak – aпл )/100, где ak и anл – значения соответствующей термометрической величины a в реперных точках. Если температуру плавления принять за 0о, а температуру кипения воды за 100о, то мы имеем дело со шкалой Цельсия. В случае шкалы Рюмера температура плавления льда принимается за 0о, температура кипения воды 80о, один градус по шкале Рюмера определяется как (ak – aпл )/80.
Экспериментальные исследования показали, что тройная точка воды (Ттр) обладает лучшей воспроизводимостью, чем нормальная точка плавления льда и кипения воды. Поэтому принято международное соглашение строить температурную шкалу по одной реперной точке – тройной точке воды. В так называемой абсолютной термодинамической шкале температур или шкале Кельвина принимается по определению, что температура этой точки равно точно 273,16 градусов. Тогда один градус для данного термометра будет определяться как aтр/273,16. Таким образом, в зависимости от выбора термометрической величины a, можно определить бесконечное множество эмпирических температурных шкал. Они будут совпадать между собой только в основных реперных точках, а в других точках шкалы совпадать не будут. Это означает, что различные термометры, например, ртутный или спиртовый при изменении температуры одного и того же тела будут давать, как правило, разные показания. Для устранения такой неоднозначности можно было бы условно принять какой-либо определённый термометр за основной и по нему градировать все остальные термометры.