- •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
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:
обучение студентов применению методов термодинамики и молекулярной физики к изучению свойств веществ;
ознакомить с предметом изучения и фундаментальными теориями в этой области науки;
познакомить с экспериментальными и теоретическими методами и устройством приборов, применяемых при исследованиях в этой области;
обосновать роль и место физических и математических моделей в структуре теории;
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 |
352 |
Аудиторные занятия |
176 |
Лекции |
54 |
Практические занятия |
54 |
Лабораторные работы (всего) Натурный эксперимент Вычислительный эксперимент |
68 60 8 |
Самостоятельная работа |
176 |
Вид итогового контроля |
Зачет, экзамен |