ПРЕДИСЛОВИЕ
Конспект лекций по курсу «Термодинамика. Молекулярная физика» написан на основе лекций, читавшихся автором на протяжении многих лет для студентов специальности «Физика» физико-математического факультета Башкирского государственного педагогического университета.
Все изложение материала соответствуют программе курса «Термодинамика. Молекулярная физика», которая приведена в начале конспекта.
Курс лекций построен таким образом, что вначале рассматривается основы термодинамики, затем элементы статистической физики. В конце излагается применение этих методик для описания различных физических явлений.
Большое внимание уделяется к изложению основных законов термодинамики и статистической физики и приложению их для описания конкретных физических процессов.
Каждый раздел курса лекций завершается перечнем вопросов для контроля на сколько студент усвоил изложенный материал. Приведенные в конспекте лекций вопросы полезны для самоконтроля, а также для текущего контроля преподавателем знаний студентов.
Необходимость предложенного конспекта лекций связано с тем, что курс «Термодинамика. Молекулярная физика» обычно читается студентам I курса, которые не имеют навыка конспектирования лекций. Они все свое внимание уделяют записи материала, излагаемого лектором, отвлекаясь от сути рассматриваемого вопроса. При наличии такого конспекта лекций у студентов, преподаватель имеет больше возможностей обсуждения со студентами физическую основу рассматриваемого вопроса.
Программа курса «Молекулярная физика. Термодинамика.»
Пояснительная записка
Место дисциплины в системе профессиональной образовательной программы.
Курс молекулярная физика и термодинамика занимает особо важное место в физической науке. Это связано с тем, что курс молекулярной физики и термодинамики изучает свойства веществ в различных агрегатных состояниях, которые связаны с колоссальным количеством содержащихся в них атомов и молекул. В соответствии с этим этот раздел физики имеет огромное научное и практическое значение. Впервые в этом курсе изучаются особенности молекулярной формы движения и овладеваются методами изучения систем многих частиц. В курсе молекулярной физики и термодинамики изучается связь макроскопических параметров системы с межмолекулярным взаимодействием и микроскопическими характеристиками. В этом курсе так же изучается основы равновесной и неравновесной термодинамики, процессы самоорганизации. Изучение этого курса важно для становления физического мировоззрения студента и способствует его становлению как специалиста и грамотного учителя физики.
Преподавание курса молекулярная физика и термодинамика опирается на взаимосвязь лекций, практических занятий и лабораторного практикума, на самостоятельную и индивидуальную работу студентов.
Работа на практических и семинарских занятиях должна быть направлена на изучение и применение базовых моделей в конкретных условиях протекания физических явлений. Лабораторный практикум разделен на 2 части: «Вычислительный эксперимент», «Натурный эксперимент».
Введение в учебный процесс практикума по вычислительному эксперименту имеет целью привить студентам навыки построения физических и математических моделей разнообразных явлений и процессов, дать возможность на практике реализовать эти модели на персональном компьютере, научить анализировать результаты моделирования и оценить их адекватность.
Цели и задачи изучения дисциплины.
Основными целями при изучении курса «Молекулярная физика. Термодинамика» следует считать: 1) формирование современной естественно-научной картины мира, 2) понимание роли этого раздела физики в построении физической картины мира. В рамках заявленных целей обучение по курсу «Молекулярная физика. Термодинамика» призвано решить следующие задачи:
1) обучение студентов применению методов термодинамики и молекулярной физики к изучению свойств веществ;
2) ознакомить с предметом изучения и фундаментальными теориями в этой области науки;
3) познакомить с экспериментальными и теоретическими методами и устройством приборов, применяемых при исследованиях в этой области;
4) обосновать роль и место физических и математических моделей в структуре теории;
5) указать роль этого предмета в формировании учителя физики.
Требования к уровню подготовки
Студент, изучавший курс «Молекулярная физика. Термодинамика», должен овладеть следующими знаниями, умениями и навыками:
- Знать основные понятия и законы в рамках изучаемого курса;
- Знать представление о месте изучаемого курса в общем курсе физики;
- Уметь объяснять сущность физических явлений на основе изучаемых законов;
- Уметь решать физические задачи, связанные с описанием различных явлений, происходящих в телах при различных агрегатных состояниях.
- Уметь анализировать поведение физических и математических моделей в различных условиях и оценить их адекватность реальным явлениям.
Место дисциплины в учебном процессе и виды учебной работы.
Дисциплина общей трудоемкостью 352 часа рассчитан на 1 семестр (2семестр). Лекции 3 часа в неделю, практические занятия 3 часа в неделю, лабораторный практикум – 4 часа в неделю. Вычислительный эксперимент проводится в часах лабораторного практикума.
Распределение учебных часов.
| Виды занятий | Всего часов |
| Общая трудоемкость | |
| Аудиторные занятия | |
| Лекции | |
| Практические занятия | |
| Лабораторные работы (всего) Натурный эксперимент Вычислительный эксперимент | |
| Самостоятельная работа | |
| Вид итогового контроля | Зачет, экзамен |
Учебно-тематический план
| № | Название раздела | Лк (час) | Лабораторный практикум | Практические занятия | |
| Натурный эксперимент | Вычислительный эксперимент | ||||
| 1. | Введение | - | - | - | |
| 2. | Основы равновесной термодинамики | ||||
| 3. | Основы неравновесной термодинамики | - | |||
| 4. | Статистическая физика и ее применение к идеальному газу. Явления переноса в газах | - | |||
| 5. | Реальные газы и жидкости | ||||
| 6. | Твердые тела | - |
Содержание курса
Введение. Краткий исторический обзор. Предмет молекулярной физики и термодинамики. Термодинамический и статистический подход к изучению макроскопических свойств.
Основы равновесной термодинамики. Температура. Термодинамическое равновесие. Эмпирические температурные шкалы. Методы измерения температуры. Давление. Методы измерения давления. Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы.
Макроскопическая работа. Внутренняя энергия как функция состояния системы. Теплообмен. Количество теплоты. Математическая формулировка 1 начала термодинамики.
Теплоемкость. Внутренняя энергия идеального газа. Закон Джоуля. Уравнение Роберта-Майера. Вывод уравнения адиабатического процесса, политропический процесс и ее уравнение.
Общие замечания о 1 и 2 началах термодинамики. Различные формулировки основного постулата, выражающего 2 начало термодинамики.
Обратимые и необратимые процессы. Равновесные состояния. Необратимость и вероятность. Цикл Карно и теорема Карно.
Свободная энергия. Неравенство Клаузиуса. Энтропия. Некоторые термодинамические соотношения. Зависимость внутренней энергии от объема. Закон возрастания энтропии. Второе начало термодинамики. Физический смысл энтропии. Энтропия и вероятность, энтропия и беспорядок. Третье начало термодинамики.
Основы неровновесной термодинамики. Локальное равновесие. Производство энтропии. Термодинамические потоки и силы. Кинетические коэффициенты. Явления переноса. Соотношение взаимности Онзагера. Критерий эволюции для открытых систем. Диссипативные структуры. Процессы самоорганизации.
Статистическая физика и ее применение к идеальному газу. Основы молекулярно-кинетической теории. Модель идеального газа. Давление идеального газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Основные уравнения молекулярно-кинетической теории.Температура как мера средней энергии хаотичного движения молекул. Молекулярно-кинетический вывод уравнения состояния идеального газа.
Равномерное распределение энергии по степеням свободы. Классическая теория теплоемкости и ее недостатки.
Барометрическая формула. Закон Больцмана. Распределение молекул по скоростям, распределение по компонентам скоростей. Распределение Максвелла.
Среднеарифметическая, среднеквадратичная и наивероятнейшая скорости молекул в идеальном газе. Флуктуации. Движение броуновской частицы. Формула Эйнштейна для броуновской частицы.
Явление переноса в газах. Столкновение молекул. Сечение рассеяния. Среднее число столкновений в единицу времени и средняя длина свободного пробега молекул. Обобщенное уравнение переноса. Диффузия. Вывод формулы для коэффициента диффузии. Теплопроводность. Внутреннее трение. Вывод формулы для коэффициентов внутреннего трения и теплопроводности. Теплопроводность и внутреннее трение при низком давлении. Вакуум. Экспериментальные методы получения низкого давления. Методы измерения низких давлений.
Реальные газы и жидкости. Молекулярные силы и отклонения от законов идеального газа. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы Вае-дер-Ваальса. Изотермы реального газа. Правило Максвелла. Свойства веществ в критическом состоянии. Определение критических параметров. Приведенное уравнение состояния. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса. Эффект Джоуля-Томсона. Сжижение газов и получение низких температур.
Свойства жидкого состояния. Строение жидкости. Вязкости жидкостей. Поверхностное натяжение. Термодинамика поверхностного натяжения. Формула Лапласа. Смачивание и капиллярные явления. Давление насыщенных паров над мениском.
Фазы и фазовые превращения. Условия равновесия фаз. Диаграмма равновесия жидкости и пара. Уравнение Клаузиуса-Клайперона.
Общие сведения о растворах. Растворимость тел. Осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа.
Твердые тела. Аморфные и кристаллические тела. Дальний порядок в кристаллах. Анизотропия кристаллов. Поликристаллические тела. Элементы симметрии. Кристаллические решетки.
Механические свойства твердых тел. Упругость, пластичность и прочность твердых тел. Дефекты в кристаллах.
Тепловые свойства твердых тел. Характер теплового движения атомов и молекул в кристаллической решетке. Тепловые расширения. Плавление и кристаллизация. Теплота плавления. Аморфные тела как переохлажденные жидкости. Диаграмма равновесия твердой, жидкой и газовой фазы. Тройная точка. Твердые растворы, жидкие металлы. Классическая теория теплоемкости твердых тел (закон Дюлонги-Пти). Квантовая теория теплоемкости по Эйнштейну, по Дебаю. Понятие фотонов. Теплопроводность диэлектрических кристаллов. Теплоемкость металлических кристаллов. Теплопроводность в металлах.
Примерная тематика семинарских занятий
1. Термодинамическая система. Идеальный газ. Параметры и уравнения состояния.
2. Превращение тепловой энергии в работу, расчет КПД круговых циклов. Энтропия.
3. Классическая статистика идеального газа.
4. Теория теплоемкостей.
5. Свойства жидкостей и твердых тел.
6. Явления переноса.
