ИСХОДНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ  

ИСХОДНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ

Гуманитарная

Академия

Дистанционное образование

________________________________________________________

РУ.01;2

Рабочий учебник

Фамилия, имя, отчество обучающегося___________________________________________________

Направление подготовки_______________________________________________________________

Номер контракта______________________________________________________________________

ФИЗИКА

ЮНИТА 2

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ

МОСКВА 2010


Разработано Ю.Г. Яременко, канд. физ.-мат. наук, доц.

Под ред. О.В. Бецкого, д-ра физ.-мат. наук, проф.

Рекомендовано Учебно-методическим

советом в качестве учебного пособия

для студентов СГА

КУРС: ФИЗИКА

Юнита 1. Механика.

Юнита 2. Основы молекулярной физики и термодинамики.

Юнита 3. Электричество и электромагнетизм.

Юнита 4. Колебания и волны.

Юнита 5. Оптика.

Юнита 6. Основы квантовой механики и атомной физики.

Юнита 7. Элементы квантовых статистик и квантовой физики твердого тела.

Юнита 8. Физика атомного ядра и элементарных частиц.

ЮНИТА 2

Рассмотрены основы молекулярной физики и термодинамики. Пояснены физический смысл и содержание основных законов и понятий с точки зрения статистического и термодинамического методов. Обсуждены вопросы строения и свойств тел с точки зрения классической теории, сравниваются свойства идеальных, реальных и разреженных газов. Представлены основные технические устройства и конкретные примеры применения физических законов.

Рабочий учебник составлен на основе дидактических единиц учебников, имеющих гриф Министерства образования и науки Российской Федерации или Учебно-методического объединения:

1. Бондарев, Б. К. Курс общей физики [Текст] : в 3 т. / Б. К. Бондарев, Н. П. Калашников,
Г. Г. Спирин. – М. : Высшая школа, 2005. Т. 1, Т. 2. 2006. Т. 3.

2. Грабовский, Р. И. Курс физики [Текст] / Р. И. Грабовский. – СПб. : Лань, 2007.

3. Савельев, И. В. Курс общей физики [Текст] : в 3 т. / И. В. Савельев. – СПб. : Лань, 2007.

Для студентов Современной Гуманитарной Академии

_____________________________________________________________________________________

© СОВРЕМЕННАЯ ГУМАНИТАРНАЯ АКАДЕМИЯ, 2010

(настоящее учебное пособие не может быть полностью или частично воспроизведено, тиражировано



и распространено в качестве официального издания без разрешения руководства СГА)

Соответствие системы менеджмента качества СГА в сфере создания информационных образовательных ресурсов требованиям международного стандарта ISO 9001:2000 (ГОСТ Р ИСО 9001-2001) подтверждено
Сертификатом соответствия Стандарт-тест
ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ДИДАКТИЧЕСКИЙ ПЛАН.. 5

ЛИТЕРАТУРА.. 6

ПЕРЕЧЕНЬ КОМПЕТЕНЦИЙ.. 7

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. 8

1 ИСХОДНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ 8

1.1 Введение. Тепловое движение. 8

1.2 Статистический и термодинамический методы исследования. 9

1.3 Термодинамические системы. Термодинамические параметры и процессы.. 10

1.4 Опытные законы идеального газа. 12

1.5 Уравнение Клапейрона – Менделеева. 14

2 МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ.. 15

2.1 Барометрическая формула. Распределение Больцмана. 15

2.2 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов. 17

2.3 Закон распределения молекул идеального газа по скоростям и энергиям
теплового движения. 18

3 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ.. 20

3.1 Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии
по степеням свободы молекул. 20

3.2 Работа и теплота. 22

3.2.1 Работа. 22

3.2.2 Теплота. 23

3.3 Первое начало термодинамики. 24

3.4 Теплоемкость. 25

3.5 Применение первого начала термодинамики к изопроцессам.. 26

3.5.1 Изохорный процесс. 27

3.5.2 Изобарный процесс. 27

3.5.3 Изотермический процесс. 28

3.6 Адиабатический процесс. Политропный процесс. 28

3.7 Обратимые и необратимые процессы.. 30

3.8 Энтропия и ее статистическое толкование. 31

3.9 Второе начало термодинамики. 33



3.10 Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его КПД
для идеального газа. 34

4 ФИЗИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА.. 36

4.1 Явления переноса в термодинамически неравновесных системах. 36

4.2 Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул. 37

4.3 Теплопроводность. 37

4.4 Диффузия. 38

4.5 Внутреннее трение (вязкость) 39

4.6 Вакуум.. 40

5 РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ, ЖИДКОСТИ И ТВЕРДЫЕ ТЕЛА.. 41

Стр.

5.1 Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. 41

5.2 Уравнение Ван-дер-Ваальса. 43

5.3 Внутренняя энергия реального газа. 46

5.4 Эффект Джоуля – Томсона. 47

5.5 Сжижение газов. 48

5.6 Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение. 49

5.7 Капиллярные явления. 51

5.7.1 Смачивание. 52

5.7.2 Давление под искривленной поверхностью жидкости. 53

5.7.3 Поведение жидкостей в капиллярах. 54

5.8 Кристаллы.. 55

5.8.1 Монокристаллы.. 55

5.8.2 Поликристаллы.. 56

5.9 Типы кристаллических твердых тел. 56

5.9.1 Кристаллографический метод классификации кристаллов. 56

5.9.2 Физический метод классификации кристаллов. 57

5.10 Теплоемкость твердых тел. 59

5.11 Аморфные тела. 61

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ... 62

ТРЕНИНГ КОМПЕТЕНЦИЙ. ЗАДАНИЯ ПО ФОРМИРОВАНИЮ КОМПЕТЕНЦИЙ.. 63

ГЛОССАРИЙ.. 69


ДИДАКТИЧЕСКИЙ ПЛАН

Понятия и определения термодинамики и молекулярной физики. Тепловое движение. Статис-тический и термодинамический методы исследования. Термодинамические системы. Термодина-мические параметры и процессы. Законы идеального газа. Уравнение Клапейрона – Менделеева.

Молекулярно-кинетическая теория газов. Барометрическая формула. Распределение Больц-мана. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов. Закон распреде-ления молекул идеального газа по скоростям и энергиям теплового движения.

Основы термодинамики. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распреде-ления энергии по степеням свободы молекул. Работа и теплота. Первое начало термодинамики. Теплоемкость. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам. Адиабатический процесс. Политропный процесс.

Обратимые и необратимые процессы. Энтропия, ее статистическое толкование. Второе начало термодинамики. Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его КПД для идеального газа.

Физическая кинетика. Явления переноса в термодинамически неравновесных системах. Сред-нее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул. Вакуум. Свойства раз-реженных газов.

Реальные газы, жидкости и твердые тела. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля – Томсона. Сжижение газов. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение. Капиллярные явления. Твердые тела. Типы кристаллических твердых тел. Теплоемкость твердых тел. Аморфные тела. Фазовые переходы I и II рода. Диаграмма состояния. Тройная точка.


ЛИТЕРАТУРА

Учебные издания*

1. Бондарев, Б. К. Курс общей физики [Текст] : в 3 т. / Б. К. Бондарев, Н. П. Калашников,
Г. Г. Спирин. – М. : Высшая школа, 2005. Т. 1, Т. 2. 2006. Т. 3, (гриф МО РФ).

2. Волькенштейн, В. С. Сборник задач по общему курсу физики [Текст] / В. С. Волькен-штейн. – М. : Профессия, 2007.

3. Гершензон, Е. М. Сборник задач по общей физике [Текст] / Е. М. Гершензон. – М. : Академия, 2002.

4. Грабовский, Р. И. Курс физики [Текст] / Р. И. Грабовский. – СПб. : Лань, 2007 (гриф
МО РФ).

5. Курс общей физики [Текст] : в 2 т. / Е. М. Гершензон [и др.]. – М. : Академия, 2000.

6. Парселл, Э. Электричество и магнетизм. Берклеевский курс физики [Текст] / Э. Парселл. – СПб. : Лань, 2005 (гриф МО РФ).

7. Савельев, И. В. Курс общей физики [Текст] : в 3 т. / И. В. Савельев. – СПб. : Лань, 2007 (гриф МО РФ).

8. Фейнман, Р. Фейнмановские лекции по физике [Текст] : в 9 т. / Р. Фейнман, Р. Лейтон,
М. Сэндс. – М., 2004–2008.

9. Яворский, Б. М. Основы физики [Текст] : в 2 т. / Б. М. Яворский, А. А. Пинский. – М. : Физматлит, 2003.

_________________________

(*) Учебные издания, на основе которых составлен тематический обзор


ПЕРЕЧЕНЬ КОМПЕТЕНЦИЙ

Студент, изучивший юниту 2 по дисциплине 0619 «Физика», должен овладеть следующими компетенциями:

1) свободно оперировать физическими понятиями и категориями, изложенными в юните;

2) уметь решать физические задачи (в том числе и графически) по темам, изложенными в юните;

3) строить графики изопроцессов.


ТЕМАТИЧЕСКИЙ ОБЗОР*

ИСХОДНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ

Введение. Тепловое движение

Вещество – вид материи, совокупность дискретных образований, обладающих массой покоя (элементарные частицы, атомы, молекулы). В зависимости от внешних условий вещество может находиться в различных агрегатных состояниях, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением ряда физических свойств.

Зависимости агрегатных состояний и свойств тел от их строения, взаимодействия между частицами, из которых состоят тела, и характера движения частиц изучает раздел физики – молекулярная физика.

Все тела состоят из атомов или молекул, находящихся в непрерывном хаотическом тепловом движении. Теория строения вещества, базирующаяся на этих представлениях, называется молекулярно-кинетической. Во второй половине прошлого столетия в работах английского физика Д. Джоуля (1818–1889), немецкого физика Р. Клаузиуса (1822–1888), английского физика Дж. Максвелла (1831–1879), австрийского физика Л. Больцмана (1844–1906) и других молеку-лярно-кинетическая теория строения и свойств вещества получила всестороннее развитие и применение во многих областях физики и химии. Экспериментальной проверкой правильности молекулярно-кинетической теории явилось объяснение на ее основе броуновского движения, процессов диффузии, теплопроводности и других явлений.

Современная молекулярно-кинетическая теория строения вещества – теория, в основе которой лежат три положения, подтвержденные экспериментально и теоретически: все тела состоят из мельчайших частиц – атомов или молекул; атомы и молекулы вещества всегда находятся в непрерывном хаотическом движении; между частицами любого вещества существуют силы взаимодействия.

Огромная роль молекулярно-кинетической теории в развитии физики состоит в том, что она позволила с единых позиций подойти к изучению физических явлений, так или иначе связанных с характером движения молекул в телах. Многие свойства тел в разных агрегатных состояниях объясняются различиями в характере движения атомов и молекул в газах, жидкостях и твердых телах. В свою очередь, особенности теплового движения в трех агрегатных состояниях связаны с тем, что между молекулами действуют силы взаимного притяжения и отталкивания. Чем меньше среднее расстояние между молекулами, тем в большей степени проявляют себя эти силы.

В несильно сжатых газах средние расстояния между молекулами столь велики, что силы межмолекулярного взаимодействия практически не влияют на движение молекул. Поэтому с достаточной степенью точности можно считать, что молекулы движутся прямолинейно и равномерно до тех пор, пока не происходят столкновения их между собой или со стенками сосуда, в котором находится газ.

В твердых кристаллических телах силы взаимодействия между частицами (атомами, молекулами или ионами) весьма велики. Одновременное действие сил притяжения и отталкивания между частицами твердых тел приводит к тому, что эти частицы не могут удалиться друг от друга на большие расстояния. Они совершают колебания около некоторых средних равновесных положений, которые называются узлами кристаллической решетки.

Тепловое движение молекул жидкости имеет промежуточный характер между двумя предыдущими видами движений. В нем наблюдаются черты, присущие тепловому движению частиц как в твердых телах, так и в газах. Молекула какое-то время колеблется около некоторого положения равновесия – находится в оседлом положении, которое время от времени смещается на расстояния, сравнимые с размерами молекул. Таким образом, молекула после пребывания в одном оседлом положении перемещается в другое оседлое положение. Выходит, что молекулы жидкости и колеблются, и медленно перемещаются по объему сосуда.

Шотландский ботаник Р. Броун (1773–1858), наблюдая под микроскопом взвесь цветочной пыльцы в воде, обнаружил, что частицы пыльцы оживленно и беспорядочно двигались, то вращаясь, то перемещаясь с места на место, подобно пылинкам в солнечном луче. Впоследствии оказалось, что подобное сложное зигзагообразное движение характерно для любых частиц малых размеров (1 мкм), взвешенных в газе или жидкости. Интенсивность этого движения, называемого броуновским, повышается с ростом температуры среды, с уменьшением вязкости и размеров частиц (независимо от их химической природы). Причина броуновского движения долго оставалась неясной. Лишь через 80 лет после обнаружения этого эффекта ему было дано объяснение: броуновское движение взвешенных частиц вызывается ударами молекул среды, в которой частицы взвешены. Так как молекулы движутся хаотически, то броуновские частицы получают толчки с разных сторон, поэтому и совершают движение столь причудливой формы. Таким образом, броуновское движение является иллюстрацией выводов молекулярно-кинетической теории о хаотическом (тепловом) движении атомов и молекул.


8692680294640345.html
8692744754312299.html

8692680294640345.html
8692744754312299.html
    PR.RU™