 |
Модуль 3. Физика реальных макросистем
|
|
|
|
Рабочая программа курса «Молекулярная физика»
Модуль 1. Основы молекулярной статистики
1. Предмет молекулярной физики и ее методы 0,06 (2 ч).
Предмет молекулярной физики. Исходные определения и экспериментальные факты. Масштабы физических величин в молекулярном мире. Макросистема как совокупность частиц и как сплошная среда. Теоретические и экспериментальные методы изучения макросистем. Цели и задачи дисциплины.
Определения системы. Классификация систем. Микроскопические и макроскопические параметры молекулярного движения. Термодинамическое равновесие. Эволюция молекулярных систем. Порядок и хаос. Границы предметной области изучаемой дисциплины. Примеры самоорганизации в открытых системах. Исторический аспект развития молекулярной физики.
Принципы организации статистического и термодинамического методов изучения макросистем. Модель материального тела. Статистические закономерности. Термодинамические постулаты. Задачи молекулярной статистики и термодинамики.
2. Статистический подход к описанию молекулярных явлений 0,11 (4 ч).
2.1. Модели молекулярных систем и их вероятностное описание. Классические и квантовые модели молекулярных систем. Критерий применимости модели. Идеальные статистические системы. Модели идеального газа. Модели гармонического осциллятора. Модели идеального ротатора. Квантовая модель системы идеальных спинов.
Элементарные сведения из теории вероятностей. Аксиоматика теории вероятностей. Теоремы сложения и умножения вероятностей. Условие нормировки вероятностей. Процедура усреднения случайных величин. Расчет флуктуаций случайных величин.
Основные понятия молекулярной статистики: микроскопическое и макроскопическое состояния системы, статистический ансамбль, вероятность состояний, статистические постулаты.
|
|
|
2.2. Биноминальное распределение и его предельные случаи в описании молекулярных систем. Вывод закона Бернулли, анализ области его применимости. Количественные характеристики биномиального распределения. Графическое представление биномиального распределения. Предельные случаи биномиального распределения: распределение Гаусса и Пуассона. Флуктуации концентрации молекул. Явление эффузии.
3. Распределение Максвелла и Больцмана 0,17 (6 ч).
3.1. Распределение Максвелла. Распределение энергии в статической системе. Вывод распределения Максвелла (распределения молекул газа по абсолютным скоростям). Плотность вероятности и характерные скорости распределения Максвелла. Графическое представления распределения. Распределение Максвелла по компонентам скорости. Экспериментальная проверка закона Максвелла.
3.2. Микроскопическая теория и макроскопические измерения. Теория давления идеального газа. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Газовые законы. Уравнение эффузии. Измерение давления. Определение и измерение температуры. Термометры. Эмпирические шкалы температур. Шкала температур на основе свойств идеального газа. Термодинамическая шкала температур (шкала Кельвина).
3.3. Распределения Больцмана. Распределение молекул по энергиям во внешнем потенциальном поле. Формула Больцмана для концентрации молекул в потенциальном поле. Зависимость концентрации молекул газа от координат в однородном гравитационном поле и поле центробежных сил. Экспериментальное подтверждение распределения Больцмана (опыты Перрена). Барометрическая формула. Закон распределения Максвелла-Больцмана.
4. Теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы и её приложения 0,06 (2 ч).
|
|
|
Распределение средней энергии по степеням свободы статистической системы. Формулировка теоремы и её доказательство. Статистические степени свободы. Область применимости теоремы о равнораспределении. Броуновское движение и его статистическое описание. Броуновский критерий точности физических измерений.
Классическая теория теплоёмкости многоатомных газов и твердых тел (кристаллов). Экспериментальное исследование области её применимости. Характеристические температуры. Закон Дюлонга и Пти. Применение квантовых моделей в теории теплоёмкости твёрдых тел.
Модуль 2. Основы термодинамики
5. Термодинамический подход к описанию молекулярных явлений 0,06 (2 ч).
Четыре постулата термодинамики (общая характеристика). Нулевое (общее) начало термодинамики. Макроскопические процессы, их типология. Функция состояния. Внутренняя энергия системы. Макроскопическая работа и теплота. Калорическое и термическое уравнения состояния. Термические коэффициенты.
6. Первое начало термодинамики 0,06 (2 ч).
Формулировка и уравнение первого начала термодинамики. Теплоёмкость процесса. Связь между теплоёмкостями Ср и Сv (общий случай). Уравнение Майера. Политропические процессы в идеальном газе. Расчет теплоёмкости политропического процесса.
Работа цикла. Принципиальная схема работы тепловой машины. Двигатель и холодильная машина. Показатели эффективности тепловых машин.
7. Теоремы Карно и их приложения 0,06 (2 ч).
Цикл Карно, его коэффициент полезного действия. Теоремы Карно. Пять приложений теорем. Абсолютная термодинамическая шкала температур. Метод циклов. Неравенство Клаузиуса. Определение энтропии в термодинамике. Оценка эффективности тепловых машин сверху.
8. Второе начало термодинамики 0,06 (2 ч).
Вечный двигатель первого и второго рода. Различные формулировки второго начала. Энтропийная формулировка второго начала. Закон возрастания энтропии в изолированных системах. Область применимости второго начала термодинамики. Статистическая интерпретация второго начала термодинамики. Концепция тепловой смерти Вселенной. Энтропия и её изменение в различных процессах. Изменение энтропии в процессах самоорганизации открытых систем.
|
|
|
9.Термодинамические функции и условия равновесия 0,06 (2 ч).
Основное термодинамическое тождество. Термодинамические функции. Метод термодинамических потенциалов. Соотношения Максвелла и другие дифференциальные равенства. Условия термодинамической устойчивости макроскопических систем. Принцип Ле Шателье-Брауна. Проведение полного термодинамического анализа вещества на полуэмпирической основе. Третье начало термодинамики (теорема Нернста-Планка) и его следствия.
Модуль 3. Физика реальных макросистем
10. Равновесные состояния вещества 0,17 (6 ч).
10.1. Реальные макросистемы. Твёрдые тела. Реальные газы и жидкости. Потенциал межмолекулярного взаимодействия. Фазовые превращения вещества: переход из газообразного состояния в жидкое. Экспериментальные изотермы, область двухфазных состояний, критическая точка. Уравнения состояния реального газа на полуэмпирической основе. Модель газа Ван-дер-Ваальса. Уравнение Ван-дер-Ваальса.
10.2. Свойства реальных газов. Результаты теории Ван-дер-Ваальса и экспериментальных исследований. Изотермы газа Ван-дер-Ваальса. Метастабильные состояния. Правило Максвелла. Критическое состояние вещества и его параметры. Роль флуктуаций в критическом состоянии. Закон соответственных состояний. Сравнение результатов теории Ван-дер-Ваальса с экспериментальными данными. Энергия газа Ван-дер-Ваальса. Эффект Джоуля-Томсона: сущность эффекта и его расчёт. Температура инверсии. Методы получения низких температур.
10.3. Поверхностные явления в жидкостях. Коэффициент поверхностного натяжения. Давление под искривленной поверхностью жидкости. Формула Лапласа. Смачивание. Капиллярные явления. Мыльные плёнки.
(Тема 10.3 предлагается для самостоятельного изучения).
10.4. Фазовые переходы первого и второго рода. Условия равновесия фаз химически однородного вещества. Классификация фазовых переходов по Эренфесту. Фазовые переходы первого рода. Полиморфизм. Скрытая теплота перехода. Диаграмма состояний вещества. Тройная точка. Аномальные вещества. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Диаграмма состояния гелия. Сверхтекучесть жидкого гелия и другие его свойства.
|
|
|
.
11. Процессы в неравновесных макросистемах 0,17 (6 ч).
11.1 Процессы переноса в реальных системах. Релаксационные процессы в молекулярных системах. Представление о кинетическом уравнении Больцмана. Стационарные уравнения переноса в газах, жидкостях и твердых телах. Теплопроводность. Самодиффузия. Внутреннее трение. Задачи о стационарное распределение температуры в однородной среде с граничными условиями. Внутренняя теплопроводность и внешняя теплопередача
11.2. Элементарная кинетическая теория процессов переноса в газах. Столкновения молекул и их количественные характеристики: эффективное сечение молекулы, средняя длина свободного пробега молекул, среднее время между столкновениями и средняя частота столкновений. Метод средней длины свободного пробега. Стационарное обобщенное уравнение переноса (одномерный случай). Уравнение диффузии, теплопроводности и вязкости. Зависимость коэффициентов переноса от микроскопических и макроскопических параметров идеального газа. Явления переноса в ультраразреженном газе. Тепловая и изотермическая эффузия.
11.3. Атмосферы планет. Атмосфера как открытая система. Состав и структура атмосферы Земли. Термофизическая модель атмосферы Земли. Парниковый эффект. Озоносфера Земли. Инверсия температуры в стратосфере. Концепция «ядерной зимы». Возможность антипарникового эффекта в постъядерной ситуации. Глобальный характер климатических последствий ядерной войны. Заключение курса.
2.2. Основная и дополнительная литература,
информационные ресурсы
Основная литература
1. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. / И.Е.Иродов. М.: Бином, 2001.
2. Иродов И.Е. Физика макросистем. Основные законы./ И.Е.Иродов.- 2-е изд., дополн. -М.: Лаб. Баз. Знаний, 2001.
3. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию./ Н.Кобаяси. – Пер. с японск. - М: Бином, Лаб.знаний, 2007.
4. Матвеев А.Н. Молекулярная физика: Учеб. для физ. спец. вузов./ А.Н.Матвеев. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1987.
5. Сборник задач по общему курсу физики. В 5 кн. Кн.2. Термодинамика и молекулярная физика / Под ред. Д.В.Сивухина. – 5-е изд., стер. – М.: Физматлит; Лань,2006.
6. Сивухин Д.В. Общий курс физики, Т.2. / Д.В.Сивухин. М.: Физматлит., 2005.
Дополнительная литература
7. Базаров И.П. Термодинамика: Учебн. для вузов/ И.П.Базаров. 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1991.
8. Булкин П.С., Попова И.И. Общий физический практикум. Молекулярная физика./ П.С.Булкин., И.И. Попова. М.: Изд-во МГУ, 1988.
|
|
|
9. Гершензон Е.М. и др. Молекулярная физика: Учеб. пособие для студ. высш. пед. Учеб. заведений./ Е.М.Гершензон, Н.Н.Малов, А.Н.Мансуров. – М.: Издательский центр «Академия», 2000.
10. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие для вузов. / В.Е.Гмурман.- 9-е изд., стер. – М.: Высш. Шк., 2003.
11. Золотов.О.А., Москвич О.И. Общая физика. Молекулярная физика. Практикум по семинарским занятиям: учеб.пособие / О.И. Москвич, О.А.Золотов.- СФУ; Красноярск, 2008.
12. Кальоти Дж. От восприятия к мысли. / Дж.Кальоти. М.: Мир, 1998.
13. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: учебник для вузов / С.Х.Карпенков. - 8-е изд., испр.–М.:Анод.Проект, 2004. - 640с.
14. Кубо Р. Термодинамика. / Р.Кубо. М.: Мир, 1970.
15. Москвич О.И. Общая физика. Молекулярная физика. Курс лекций: Метод. пособие /О.И.Москвич. – СФУ; Красноярск, 2008.
16. Общая физика. Молекулярная физика. Общий физический практикум: учеб. пособие / Под ред. О.И.Москвич.- СФУ; Красноярск, 2008.
17. Рейф Ф. Статистическая физика: Учеб. руковод.: Берклеев. курс физики, Т.5. / Ф.Рейф. - 3- е изд., испр., -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986.
18. Фейнман Р. и др. Фейнмановские лекции по физике. Вып.2./ Р.Фейнман и др., М.: Мир, 1977.
19. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. / П.Эткинс. М.: Мир, 1987.
Справочная литература
20. Кухлинг Х. Справочник по физике./ Х.Кухлинг. М., Мир, 1983.
21. Физические величины. Справочник. / Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.
22. Физический энциклопедический словарь (в 5 томах). / Под. Ред. А.М.Прохорова. М., Сов. Энциклопедия, 1984.
23. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. / Б.М.Яворский, А.А.Детлаф.М.: Наука, 1963.
|
|
|
