Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
курс лекций Ольги Москвич.docx
Скачиваний:
457
Добавлен:
09.06.2015
Размер:
3.67 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

О.И.Москвич общая физика Молекулярная физика

Курс лекций

Красноярск

СФУ

2011

УДК 539.1(07)

ББК 22.36я73

М 82

Рецензент: Красноярский краевой фонд науки

Москвич О.И.

М 82 Общая физика. Молекулярная физика: курс лекций /О.И.Москвич. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. – 229 с.

ISBN 978-5-7638-2307-3

В книге излагаются основы молекулярной статистики и термодинамики, их методы и наиболее важные физические приложения к реальным макросистемам. Предлагается теоретическая интерпретация результатов современных экспериментальных исследований молекулярных явлений. Завершает книгу рассмотрение процессов в неравновесных системах, включая такие, как атмосферы планет. Форма изложения учебного материала учитывает возможности математической подготовки студентов первого курса университета, а также уровень развития их основных компетентностей.

Предназначается для студентов естественно-научных и инженерно-технических специальностей университетов, для которых физика является профилирующей дисциплиной.

УДК 539.1(07)

ББК 22.36я73

© Сибирский

федеральный

университет, 2011

ISBN 978-5-7638-2307-3

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие 8

I. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТАТИСТИКИ

ЛЕКЦИЯ 1. ПРЕДМЕТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ

И ЕЕ МЕТОДЫ 9

1.1. Предмет молекулярной физики 9

1.2. Масштабы физических величин в молекулярном мире 10

1.3. Теоретические и экспериментальные методы

молекулярной физики 11

1.4. Эволюция молекулярных систем. Порядок и хаос 12

1.5. Принципы организации статистического

и термодинамического методов изучения макросистем 16

ЛЕКЦИЯ 2. МОДЕЛИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ

И ИХ ВЕРОЯТНОСТНОЕ ОПИСАНИЕ 20

2.1. Классификация моделей молекулярных систем 20

2.2. Идеальные статистические системы 21

2.3. Элементарные сведения из теории вероятностей 26

2.4. Основные понятия молекулярной статистики 30

ЛЕКЦИЯ 3. БИНОМИАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ

И ЕГО ПРЕДЕЛЬНЫЕСЛУЧАИ В ОПИСАНИИ

МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ 37

3.1. Вывод закона распределения вероятностей 37

3.2. Графическое представление биномиального распределения 41

3.3. Предельные случаи биномиального распределения 44

ЛЕКЦИЯ 4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСВЕЛЛА 46

4.1. Распределение энергии в статической системе 46

4.2. Вывод распределения Максвелла 49

4.3. Плотность вероятности и характерные скорости

распределения Максвелла 52

4.4. Распределение Максвелла по компонентам скорости 54

4.5. Экспериментальная проверка распределения Максвелла 55

ЛЕКЦИЯ 5. МИКРОСКОПИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

И МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 58

5.1. Вывод формулы для давления идеального газа 58

5.2. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории.

Газовые законы 61

5.3. Уравнение эффузии 62

5.4. Измерение давления 63

5.5. Определение и измерение температуры 64

5.6. Построение эмпирической шкалы

на основе газового термометра 66

ЛЕКЦИЯ 6. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ БОЛЬЦМАНА 69

6.1. Распределение молекул по энергиям

во внешнем потенциальном поле 69

6.2. Формула Больцмана для концентрации молекул

в потенциальном поле 70

6.3. Зависимость концентрации молекул газа

от координат в однородном гравитационном поле

и поле центробежных сил 71

6.4. Экспериментальное подтверждение

распределения Больцмана: опыты Перрена 73

6.5. Барометрическая формула 75

6.6. Закон распределения Максвелла – Больцмана 76

ЛЕКЦИЯ 7. ТЕОРЕМА О РАВНОРАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭНЕРГИИ

ПО СТЕПЕНЯМ СВОБОДЫ И ЕЁ ПРИЛОЖЕНИЯ 78

7.1. Формулировка теоремы и её доказательство 78

7.2. Статистические степени свободы 80

7.3. Броуновское движение и его статистическое описание 81

7.4. Броуновский критерий точности физических измерений 83

7.5. Классическая теория теплоёмкости многоатомных газов.

Область её применимости 84

7.6. Классическая теория теплоёмкости твёрдых тел.

Закон Дюлонга – Пти 86

7.7. Применение квантовых моделей

в теории теплоёмкости твёрдых тел 87

II. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

ЛЕКЦИЯ 8. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД

К ОПИСАНИЮ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ЯВЛЕНИЙ 90

8.1. Четыре постулата термодинамики 90

8.2. Нулевое (общее) начало термодинамики 91

8.3. Макроскопические процессы 92

8.4. Функция состояния 93

8.5. Внутренняя энергия системы. Работа и теплота 95

8.6. Калорическое и термическое уравнения состояния 97

ЛЕКЦИЯ 9. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ 100

9.1. Первое начало термодинамики 100

9.2. Теплоёмкость 101

9.3. Политропические процессы в идеальном газе 104

9.4. Тепловые машины и их эффективность 109

ЛЕКЦИЯ 10. ТЕОРЕМЫ КАРНО И ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ 113

10.1. Цикл Карно 112

10.2. Теоремы Карно 116

10.3. Метод циклов 118

10.4. Неравенство Клаузиуса. Определение энтропии 120

10.5. Оценка эффективности тепловых машин сверху 122

ЛЕКЦИЯ 11. ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ 126

11.1. Формулировки второго начала термодинамики 126

11.2. Закон возрастания энтропии в изолированных системах 128

11.3. Область применимости второго начала термодинамики 130

11.4. Концепция тепловой смерти Вселенной 132

11.5. Энтропия и её изменение в различных процессах 133

11.6. Изменение энтропии в процессах

самоорганизации открытых систем 137

ЛЕКЦИЯ 12. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ

И УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ 139

12.1. Термодинамические функции 139

12.2. Метод термодинамических потенциалов.

Соотношения Максвелла. 141

12.3. Условия термодинамической устойчивости

макроскопических систем. Принцип Ле Шателье-Брауна 143

12.4. Третье начало термодинамики 146

III. ФИЗИКА РЕАЛЬНЫХ МАКРОСИСТЕМ

ЛЕКЦИЯ 13.РЕАЛЬНЫЕ МАКРОСИСТЕМЫ 150

13.1. Твердые тела 151

13.2. Реальные газы и жидкости 154

13.3. Переход из газообразного состояния в жидкое.

Экспериментальные изотермы 157

13.4. Уравнения состояния реального газа 159

13.5. Модель газа Ван-дер-Ваальса. Уравнение Ван-дер-Ваальса 160

ЛЕКЦИЯ 14. СВОЙСТВА РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ. РЕЗУЛЬТАТЫ

ТЕОРИИ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 163

14.1. Изотермы газа Ван-дер-Ваальса 163

14.2. Критическое состояние вещества 165

14.3. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса 169

14.4. Эффект Джоуля-Томсона 170

14.5. Методы получения низких температур 175

ЛЕКЦИЯ 15. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ

ПЕРВОГО И ВТОРОГО РОДА 179

15.1. Условие равновесия фаз химически однородного вещества 179

15.2. Классификация фазовых переходов по Эренфесту 181

15.3. Фазовые переходы первого рода. Диаграмма состояний 182

15.4. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса 185

15.5.Диаграмма состояний гелия. Сверхтекучесть жидкого гелия 188

ЛЕКЦИЯ 16. ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА

В РЕАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ 192

16.1. Релаксационные процессы в молекулярных системах 193

16.2. Стационарные уравнения переноса в газах,

жидкостях и твердых телах 193

16.3. Внутренняя теплопроводность и внешняя теплопередача 196

ЛЕКЦИЯ 17. ЭЛЕМЕНТАРНАЯ КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА В ГАЗАХ 201

17.1. Столкновения молекул и их количественные характеристики 202

17.2. Обобщенное уравнение переноса 205

17.3. Элементарная кинетическая теория теплопроводности,

самодиффузии и вязкости плотных идеальных газов 207

17.4. Явления переноса в ультраразреженных газах 209

ЛЕКЦИЯ 18. АТМОСФЕРЫ ПЛАНЕТ 214

18.1. Атмосфера как открытая система и как открытая книга 214

18.2. Состав и структура атмосферы Земли 215

18.3. Термофизическая модель атмосферы 217

18.4. Парниковый эффект 218

18.5. Инверсия температуры в стратосфере. Озоносфера Земли 221

18.6. Концепция «ядерной зимы» 223

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 226

Список литературы 227