Термодинамика и статистическая физика

Размещено:  ЗОЖ

 
Дисциплина «Общая физика: Молекулярная физика» в соответствии с ГОС ВПО по направлению подготовки 010700.62 «Физика» является дисциплиной федерального компонента цикла ЕН. Цикл общих математических и естественнонаучных дисциплин подготовки бакалавра.
Рабочая программа дисциплины «Общая физика: Молекулярная физика» подготовки бакалавров предназначена для организации обучения студентов Института физики и химии, которые изучают курс физики. Материал представлен с учетом современных достижений и тенденций развития молекулярной физики и имеет общенаучную и прикладную направленность.
"УМК молекулярная физика"
 
Дисциплина «Общая физика: Молекулярная физика» в соответствии с ГОС ВПО является дисциплиной федерального компонента цикла ЕН. Цикл общих математических и естественнонаучных дисциплин подготовки бакалавра по направлению 010700.62 «Физика».
При изучении курса используются знания, полученные студентами при изучении математики и физики в средней школе, а также дисциплины «Механика» и курса математического анализа первого семестра.
Освоение дисциплины «Общая физика: Молекулярная физика» необходимо при последующем изучении дисциплин «Практикум по молекулярной физике», «Теоретические основы теплотехники», «Термодинамика. Статистическая физика. Физическая кинетика», «Механика многофазных систем».
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
ЗНАТЬ: основные понятия, уравнения и соотношения статистической физики и термодинамики молекулярных систем;
УМЕТЬ: рассчитывать изменения термодинамических параметров в процессах идеальных и реальных газов;
ВЛАДЕТЬ: приемами и навыками решения конкретных задач по молекулярной физике, что будет способствовать развитию логического мышления, необходимого для решения прикладных и фундаментальных задач в дальнейшей профессиональной деятельности.
 
Цель дисциплины – ознакомить студентов с теоретическими и экспериментальными методами изучения молекулярных систем, их свойств, моделей и происходящих в них явлениях, подготовить студентов к изучению последующих разделов общей и теоретической физики.
Задачи дисциплины:
• сформировать у студентов представления о методах изучения и особенностях молекулярных систем;
• обеспечить усвоение материала данного курса;
• создать базу для изучения последующих разделов общей и теоретической физики, в частности термодинамики и статистической физики;
• овладение студентами методами решения задач по дисциплине;
формирование у студентов научного мышления, умения видеть естественно – научное содержание проблем возникающих в практической деятельности специалиста.
 
""
 
Модуль 1.
Тема 1. Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов. Предмет молекулярной физики. Методы описания молекулярных систем. Модель идеального газа. Уравнение Клапейрона-Менделеева. Абсолютная шкала температур. Эмпирические шкалы температур. Смеси газов. Закон Авогадро и Дальтона. Движение броуновской частицы как подтверждение непрерывности и хаотичности движения молекул.
Тема 2. Термодинамический метод в молекулярной физике. Термодинамические параметры. Понятие термодинамического равновесия и нулевое начало термодинамики.
Первое начало термодинамики. Работа. Теплота. Внутренняя энергия. Функции состояния и полные дифференциалы. Процессы в идеальных газах. Изменения термодинамических параметров в процессах идеальных газов. Теплоемкость. Классическая теория теплоемкости.
Циклические процессы и тепловые машины. Работа цикла. КПД цикла. Цикл Карно. Тепловые и холодильные машины. Теоремы Карно.
Второе начало термодинамики. Формулировки Кельвина, Клаузиуса и Карно. Их эквивалентность. Неравенство Клаузиуса.
Энтропия и ее изменение в различных процессах. Формулировка второго начала с помощью понятия энтропии.
III-начало термодинамики. Следствия из III-начала термодинамики. Доказательство недостижимости абсолютного нуля.
Термодинамические функции. Устойчивость систем.
Тема 3. Статистический метод в молекулярной физике. Основные понятия теории вероятности. Сложение и умножение вероятностей. Средние значения дискретной и непрерывно меняющейся величины. Понятие о флуктуациях. Относительная величина флуктуаций.
Распределение Больцмана. Понятие об отрицательной абсолютной температуре.
Распределение Максвелла по компонентам скоростей и по скоростям. Наиболее вероятная и средне арифметическая скорость молекул. Поток молекул в данном направлении.
Статистический характер энтропии и второго начала термодинамики.
Тема 4. Процессы переноса в идеальных газах. Обобщенное уравнение переноса. Поток энергии, импульса, массы. Связь между коэффициентами переноса для идеальных газов.
Уравнения диффузии и теплопроводности. Стационарные и нестационарные задачи теплопроводности. Краевые и начальные условия. Решение задач теплопроводности в системах с цилиндрической и сферической симметрией.
Явления переноса в разреженных газах. Определение вакуума. Диффузия через пористую перегородку.
Тема 5. Реальные газы. Силы межмолекулярного взаимодействия. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Фазовый переход газ – жидкость и область двухфазных состояний. Критическая температура. Свойства вещества при критической температуре. Приведенное уравнение Ван-дер-Ваальса. Термодинамические параметры и термодинамические процессы в реальных газах.
Тема 6. Фазовые переходы I и II рода Условия равновесия фаз. Изменение потенциала Гиббса и его производных при фазовых переходах I и II рода. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса для фазовых переходов I рода. Фазовые диаграммы. Примеры фазовых переходов I и II рода.
Тема 7. Конденсированные состояния вещества. Тепловое движение молекул в газах, жидкостях и твердых телах. Понятие о структуре жидких и твердых тел. Радиальные функции распределения молекул в газах, жидкостях и твердых телах. «Газоподобность» и «твердоподобность» жидкостей.
Сопоставление явлений переноса в газах, жидкостях и твердых телах. Ньютоновские и неньютоновские жидкости.
Капиллярные явления. Поверхностное натяжение жидкостей и твердых тел. Термодинамика поверхностного натяжения жидкостей. Лапласовское давление. Явления смачивания и растекания. Уравнение Юнга.
Испарение и кипение жидкостей. Давление пара над плоской и искривленной поверхностью жидкости. Перегретая жидкость и переохлажденный пар.
Растворы и их свойства. Растворимость. Закон Рауля. Закон Генри. Диаграммы состояния растворов. Кипение растворов с нелетучим и летучим компонентом. Диаграммы состояния бинарных смесей. Осмотическое давление. Поверхностное натяжение растворов.
 
 
Модуль 1.
Тема 1. Решение задач на процессы в идеальных газах и их смесях с использованием уравнения Клапейрона-Менделеева.
Тема 2. Решение задач по расчету работы, теплоты, изменений внутренней энергии газа и теплоемкости в различных процессах.
Тема 3. Решение задач по расчету КПД циклических процессов и тепловых машин.
Тема 4. Решение задач по расчету изменений энтропии в различных процессах.
Контрольная работа №1 по темам 1-4.

Модуль 2.
Тема 5. Решение задач на функцию распределения Больцмана.
Тема 6. Решение задач на функции распределения Максвелла по компонентам скоростей и по скоростям.
Тема 7. Решение задач на расчет длины свободного пробега, число столкновений молекул в идеальных газах, коэффициентов переноса в идеальных газах.
Тема 8. Решение задач на уравнение теплопроводности и расчету распределения температуры внутри и вокруг нагретых тел различной симметрии.
Контрольная работа №2 по темам 5-8.

Модуль 3.
Тема 9. Решение задач по процессам в реальных газах с использованием уравнения Ван-дер-Ваальса.
Тема 9. Решение задач по расчетам изменений внутренней энергии, теплоты и работы в процессах реальных газов.
Тема 10. Решение задач по расчетам изменений параметров систем с фазовыми переходами.
Тема 11. Решение задач на свойства конденсированного состояния вещества, поверхностного натяжения жидкостей и Лапласовское давление.
Контрольная работа №3 по теме 9-11.
Проверка освоения дисциплины по тестам на знание формул и задач Интернет-экзамена.

 
Основная литература:
1. Сивухин, Д. В. Общий курс физики. В 5 тт. Т. 2. Термодинамика и молекулярная физика [Электронный ресурс] : учебное пособие / Д. В. Сивухин. - М.: Физматлит, 2006. - 544 с. - 5-9221-0601-5. Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=82995 (дата обращения 29.01.2014).
2. Савельев, И. В. Курс общей физики: в 4 т. : учебное пособие. 2-е изд., стереотип.. - Москва: КноРус Т. 1: Механика. Молекулярная физика и термодинамика/ И. В. Савельев. - 2012. - 528 с.;.
3. Иродов, И. Е. Задачи по общей физике: учеб. пособие. - 8-е изд., стер. - Санкт-Петербург: Лань, 2004. - 416 с.: ил.; 20 см. - (Учебники для вузов. Специальная литература).

9.2.Дополнительная литература
1. Курс общей физики: в 3 т. : учеб./ Сергей Эдуардович Фриш; С. Э. Фриш, А. В. Тиморева. - 11-е изд., стер. - Санкт-Петербург: Лань. - (Классическая учебная литература по физике). - ISBN 5-8114-0662-2
2. Т. 1: Физические основы механики; Молекулярная физика; Колебания и волны. - 2006. - 480 с.: ил.; 20 см. - Алф. указ.: с. 460
3. Никеров, В. А. Физика для вузов. Механика и молекулярная физика [Электронный ресурс] : учебник / В. А. Никеров. - М.: Дашков и Ко, 2012. - 136 с. - 978-5-394-00691-3. Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=116499 (дата обращения 29.01.2014).

9.3. Программное обеспечение и Интернет- ресурсы
1. Электронная библиотека. http://e-library.su.
2. Образовательные ресурсы «Единое окно» http://window.edu.ru/window/library
3. Книго-поиск. http://www.knigo-poisk.ru
4. Решебники задач по физике http://exir.ru
5. Справочники и энциклопедии по физике http://www.all-fizika.com/
6. Курсы физики http://www.ipou.ru/courses/physics_course.html
7. Физика для углубленного изучения http://litvik.ru

 
Примерные вопросы к экзамену
1. Модель идеального газа. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа. Уравнение Клапейрона-Менделеева. Температура. Абсолютная шкала температур. Смеси газов. Закон Дальтона.
2. Броуновское движение.
3. Нулевое и первое начало термодинамики. Процессы. Расчет работы, теплоты и изменений внутренней энергии в различных процессах.
4. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона.
5. Теплоемкость. Соотношение Майера. Классическая теория теплоемкости. Число степеней свободы.
6. Политропический процесс. Частные случаи политропического процесса.
7.Различные формулировки II-начала термодинамики. Теоремы Карно.
8. Энтропия и ее физический смысл.
9. Обратимые циклические процессы. Тепловые машины. К.п.д. тепловых машин. Цикл Карно. Холодильная машина.
10. Обратимые и необратимые процессы. Неравенство Клаузиуса.
11. Связь энтропии с вероятностью. Вероятностный характер II-начала термодинамики.
12.Термодинамические функции. Соотношения Максвелла. Устойчивое состояние систем.
13.Расчет изменений энтропии в процессах идеального газа, при фазовых переходах и теплообмене.
14.III-начало термодинамики (Теорема Нернста).
15.Основные понятия теории вероятностей. Сложение и умножение вероятностей. Условие нормировки. Статистически среднее значение.
16.Распределение Больцмана. Барометрическая формула.
17. Распределение Максвелла по компонентам скоростей и по скоростям.
18. Наиболее вероятная, средне-арифметическая и среднеквадратичная скорость молекул.
19. Длина свободного пробега и среднее число столкновений молекул идеального газа. Поток молекул газа в данном направлении.
20. Обобщенное уравнение переноса. Коэффициенты вязкости, диффузии и теплопроводности идеального газа. Поток импульса, массы и энергии.
21. Явления переноса в вакууме. Относительность понятия вакуума.
22. Уравнение теплопроводности и диффузии, зависящие от времени. Граничные и начальные условия. Расчет распределения тепла между пластинами, вокруг нагретой сферы и цилиндра.
23. Межмолекулярные силы. Потенциал межмолекулярного взаимодействия. Модель упругих шаров в теории Ван-дер-Ваальса.
24.Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса.
25.Критическое состояние вещества. Вывод критических параметров. Особые свойства вещества при критической температуре. Приведенное уравнение Ван-дер-Ваальса.
26. Фазовый переход жидкость - газ. Температурная зависимость давления насыщенных паров жидкости. Кипение жидкости.
27. Жидкое состояние вещества. Поверхностное натяжение жидкостей. Теория Гиббса поверхностного натяжения жидкостей.
28.Капиллярные явления. Лапласовское давление. Поднятие жидкости по капилляру и между плоскопараллельными пластинами. Мыльные пленки.
29.Явления смачивания и растекания. Краевой угол смачивания. Уравнение Юнга. Работа адгезии.
30.Жидкие растворы. Растворимость. Критические температуры растворимости.
Осмотическое давление. Кипение растворов с нелетучим и летучим компонентом.
31.Условие равновесия двух фаз. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Фазовая диаграмма. Тройная точка.
32.Фазовые переходы I и II рода. Примеры.
33.Тепловое движение и явления переноса в газах, жидкостях и твердых телах. “Газоподобное” и “твердообразное” состояние жидкостей.
34.Давление насыщенных паров жидкости над плоской и искривленной поверхностью. Конденсация жидкостей в капиллярах.
35. Метастабильные состояния вещества. Критический размер зародыша новой фазы.
36. Внутренняя энергия и работа реального газа.
 
ПРИМЕРНОЕ ЗАДАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ № 1.
1. В сосуде объемом V=15л находится смесь азота и водорода при температуре Т=23оС и давлении р=200 кПа. Определить массу смеси и ее компонентов, если доля азота по массе равна 0,7. Ответ: масса смеси 6,97 г; масса азота 4,87г; масса водорода 2,1г .
2. Водород массой 10г нагрели на Т=200К, причем газу было передано количество теплоты Q=40 кДж. Найти изменение внутренней энергии газа U и совершенную им работу А.
Ответ: U≈20,8к Дж ; А≈19,2 кДж .
3. Идеальный газ совершает цикл Карно. Температура Т1нагревателя в n=4 раза выше температуры холодильника Т2. Какая часть получаемой от нагревателя теплоты Q+ в данном цикле отдается холодильнику. Ответ: ¼ часть .

ПРИМЕРНОЕ ЗАДАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ № 2.
1. Во сколько раз плотность распределения молекул вблизи наиболее вероятной скорости больше их плотности вблизи среднеквадратичной скорости ? Ответ: в 1,1раза.
2. Вблизи поверхности Земли отношение концентраций кислорода и азота в воздухе равно 0,268. Найти это отношение на высоте h= 10км при температуре воздуха 0оС.
Ответ: 0,224 .
3. Найти температуру в однородном веществе на расстоянии 20см от сферического источника накаливания диаметром d=5см, если температура на его поверхности равна То=200оС, а вдали от него Т∞=20оС. Ответ: T= (То- Т∞) • d /r+ Т∞=42,5 оС.

ПРИМЕРНОЕ ЗАДАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ № 3.
1. Какой слой воды можно носить в решете с отверстиями диаметром 3мм, покрытом парафином. Ответ: в 9,3 мм.
2. Найти давление насыщенного водяного пара при Т=101,1оС, если удельная теплота парообразования воды q= 2,25кДж/г. Ответ: в 1,039атм.
3. Газ находится в критическом состоянии. Во сколько раз изменится давление р газа при одновременном увеличении температуры T и объема V газа в n=2раза. Ответ: в 3,05раз.

 
Примерные вопросы к тесту на знание формул
1. Уравнение Клапейрона-Менделеева.
2. Плотность идеального газа.
3. Выражение для молярной массы смеси газов, если известны массы ее компонент.
4. Выражение для молярной массы смеси газов, если известны массовые концентрации ее компонент.
5. Выражение для молярной массы смеси газов, если известны мольные концентрации ее компонент
6. Первое начало термодинамики.
7. Второе начало термодинамики.
8. Работа газа при изотермическом процессе.
9. Работа газа при изобарном и изохорном процессе.
10. Изменение внутренней энергии при изобарном и изохорном процессах идеального газа.
11. Теплота при изобарном и изохорном процессе идеального газа.
12. Внутренняя энергия реального газа.
13. Работа реального газа.
14. Уравнение Пуассона.
15. Соотношение Майера.
16. Теплоемкость Cp и Cv одноатомного газа.
17. Теплоемкость Cp и Cv двухатомного газа.
18. Теплоемкость Cp и Cv одноатомного газа.
19. Число степеней свободы для газа гелия и водорода .
20. Теплоемкость Cp и Cv гелия и водорода .
21. Теплоемкость Cp и Cv аргона и азота.
22. Молярная масса и теплоемкость Cp и Cv воздуха.
23. Уравнение политропического процесса.
24. Уравнение изотермического процесса.
25. Уравнение адиабатического процесса.
26. Изменение энтропии при изотермическом и адиабатическом процессах идеального газа.
27. Изменение энтропии при изобарном и изохорном процессах идеального газа.
28. Изменение энтропии при фазовых переходах I рода.
29. Изменение энтропии при фазовых переходах II рода.
30. Изменение энтропии при теплообмене.
31. При фазовых переходах I рода происходит скачок…..
32. При фазовых переходах II рода происходит скачок…..
33. Выражения для потенциала Гиббса и его полного дифференциала.
34. Термодинамические функции.
35. К.п.д. тепловых машин.
36. К.п.д. цикла Карно.
37. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса.
38. Связь энтропии с вероятностью.
39. Распределение Больцмана.
40. Связь между потенциальной энергией и силой, действующей на молекулу.
41. Барометрическая формула.
42. Распределение Максвелла по компонентам скоростей.
43. Распределение Максвелла по скоростям.
44. Наиболее вероятная скорость молекул.
45. Средне-арифметическая скорость молекул.
46. Среднеквадратичная скорость молекул.
47. Длина свободного пробега.
48. Среднее число столкновений молекул идеального газа.
49. Поток молекул газа в данном направлении.
50. Коэффициент вязкости идеального газа.
51. Коэффициент диффузии идеального газа.
52. Коэффициент теплопроводности идеального газа.
53. Поток импульса, массы и энергии.
54. Условие достижения вакуума.
55. Условие равновесия в двух сосудах, между которыми имеется: а) большое отверстие, б) малое отверстие (меньшее длины свободного пробега).
56. Уравнение теплопроводности в декартовой системе координат.
57. Уравнение теплопроводности в сферической системе координат.
58. Уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат.
59. Уравнение Ван-дер-Ваальса.
60. Приведенное уравнение Ван-дер-Ваальса.
61. Температурная зависимость давления насыщенных паров жидкости.
62. Жидкость кипит, когда …….
63. Критическая температура – это температура ……….
64. Критические параметры.
65. Два физических смысла поверхностного натяжения жидкостей.
66. Условие отрыва капли от капилляра.
67. Лапласовское давление внутри мыльного пузырька и пузырька газа.
68. Лапласовское давление внутри жидкости в цилиндрическом капилляре.
69. Лапласовское давление в жидкости между плоско параллельными пластинами.
70. Высота поднятия жидкости по капилляру.
"УМК молекулярная физика"

Источник: http://www.umk.utmn.ru/?section=discipline&spy_id=...