 |
Статистическая физика и термодинамика
|
|
|
|
Статистическая физика и термодинамика
Строение вещества и его количественные характеристики. Используемые модели и методы исследования вещества. Основные положения молекулярно-кинетической теории.
Модель идеального газа в отсутствие внешних воздействий. Используемые макропараметры идеального газа (давление, температура), их связь с кинематическими характеристиками частиц.
Измерение температуры. Температурные шкалы.
Законы идеального газа. Уравнение состояния, его следствия для бесконечно малых процессов. Квазистатические процессы.
Закон Максвелла для распределения молекул по скоростям. Характерные скорости газовых молекул.
Барометрическая формула. Закон Больцмана. Понятие о функции распределения молекул на компонентах скоростей.
Внутренняя энергия системы частиц. Работа идеального газа. Количество теплоты, виды теплопередачи. Первое начало термодинамики, его применение к различным изопроцессам.
Классическая теория теплоемкости. Теплоемкость идеальных газов, теплоемкость одноатомных газов. Уравнение Маера. Теплоемкость газов и число степеней свободы.
Теплоемкость многоатомных газов. Закон равнораспределения энергии по степеням свободы. Недостатки классической теории теплоемкости.
Работа идеального газа при изобарическом и изотермическом расширении газа. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона.
Работа при адиабатических процессах. Политропические процессы. Расширение газа в пустоту. Эффекты Томсона, их использование.
Средняя длина свободного пробега молекул и среднее число столкновений в единицу времени. Общий подход к процессам переноса в термодинамически неравновесных системах.
|
|
|
Явления переноса. Стационарная и нестационарная теплопроводность. Уравнение Фурье. Зависимость коэффициента теплопроводности от параметров состояния газов. Методы измерения коэффициента теплопроводности.
Стационарная и нестационарная диффузия, вязкость газов и методы ее измерения. Связь коэффициентов переноса.
Обратимые и необратимые процессы. Различные формулировки второго начала термодинамики и их эквивалентность. Идеальный цикл Карно (тепловая и холодильная машины). Теорема Карно.
Приведенная теплота, интеграл Клаузиуса для обратимых процессов. Энтропия идеального газа и ее свойства. Общая формулировка второго начала термодинамики.
Элементы неравновесной термодинамики. Порядок и беспорядок в природе. Физический смысл энтропии. Тепловая теорема Нернста (третье начало термодинамики).
Реальные газы. Уравнения и изотермы Ван-дер-Ваальса. Фазовое равновесие и фазовые переходы. Критические состояния и критические параметры. Теплоемкость реальных газов.
Физические свойства жидкости. Поверхностное натяжение, явления переноса. Поведение жидкости на границе с твердым телом. Капиллярные явления.
Электростатика
Электрические заряды, их свойства. Проводники, диэлектрики, полупроводники. Взаимодействие точечных зарядов. Электростатическое поле. Принцип суперпозиции электрических полей. Электрическое поле диполя.
Теория Гаусса для электростатических полей в вакууме, ее применение к расчету электростатических полей. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля. Потенциал электростатического поля.
Проводники в электростатическом поле. Электростатическая индукция. Электроемкость уединенного проводника. Конденсатор. Энергия системы зарядов, заряженного уединенного проводника, конденсатора. Энергия электростатического поля.
Диэлектрики в электрическом поле, их поляризация. Электрическое смещение. Теорема Гаусса для электрического поля в диэлектрике. Сегнетоэлектрики.
|
|
|
Список литературы
1. Трофимова Т. И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2001.
2. Савельев И. В. Курс общей физики. – М.: Наука. Т. I-III. 1989.
3. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1996.
4. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2000.
5. Волькенштейн В. С. Сборник задач по общему курсу физики. – М.: Наука, 2000.
6. Трофимова Т. И. Павлова З. Г. Сборник задач по курсу физики с решениями. – М.: Высшая школа, 2001.
7. Новодворская Е. М., Дмитриев Э. М. Методика проведения упражнений по физике во ВТУЗе. 1981.
8. Иродов Н. Е. Основные законы механики.
9. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. Т. I-II.
10. Иродов Н. Е. Основные законы электромагнетизма.
11. Годжаев Н. М. Оптика. – М.: Высшая школа. 1977.
12. Шпольский Э. В. Атомная физика. Т. I-II. – М.: Наука.
13. Методические указания к лабораторным работам.
УЧЕБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ПО РАЗДЕЛАМ КУРСА ФИЗИКИ
Физические основы классической механики, молекулярной физики, термодинамики и электростатики
Фундаментальные физические постоянные [*]
Гравитационная постоянная – коэффициент пропорциональности, входящий в закон тяготения Ньютона: F = G∙ m1∙ m2/r2,
где F – сила притяжения двух материальных точек массами m1 и m2, находящихся на расстоянии r.
Постоянная Авогадро определяет число структурных элементов (атомов, молекул, ионов или других частиц) в единице количества вещества (в одном моле). Названа в честь итальянского ученого А. Авогадро.
Универсальная (молярная) газовая постоянная, входящая в уравнение состояния одного моля идеального газа:
p∙ Vm = R∙ T, где р – давление газа, Vm – молярный объем газа, Т – термодинамическая температура газа. Физический смысл газовой постоянной – это работа расширения одного моля идеального газа под постоянным давлением при нагревании на 1 К. С другой стороны, газовая постоянная – разность молярных теплоемкостей при постоянном давлении и при постоянном объеме Ср – СV = R.
Постоянная Больцмана равна отношению молярной газовой постоянной к постоянной Авогадро: k = R/NA.
Постоянная Больцмана входит в ряд важнейших соотношений физики: в уравнение состояния идеального газа, в выражение для средней энергии теплового движения частиц, связывает энтропию физической системы с ее термодинамической вероятностью. Названа в честь австрийского физика Л. Больцмана.
|
|
|
Молярный объем идеального газа, т. е. объем, приходящийся на количество вещества газа 1 моль при нормальных условиях (р0 = 101. 325 кПа, Т0 = 273. 12 К), определяется из соотношения: VM = R∙ T0/p0.
Элементарный электрический заряд (е), наименьший электрический заряд, положительный или отрицательный, равный по значению заряду электрона. Почти все элементарные частицы обладают электрическим зарядом +е или –е или являются незаряженными.
Постоянная Фарадея – равна произведению постоянной Авогадро на элементарный электрический заряд (заряд электрона) F = NA∙ e. Названа в честь английского физика М. Фарадея.
Скорость света в вакууме (скорость распространения любых электромагнитных волн) представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий, инварианта при переходе от одной системы отсчета к другой.
Постоянная Стефана – Больцмана входит в закон, определяющий полную (по всем длинам волн) испускательную способность черного тела: R =σ ∙ T4, где R – испускательная способность черного тела, Т – термодинамическая температура. Закон сформулирован на основании экспериментальных данных австрийским физиком И. Стефаном (1879), теоретически получен австрийским физиком Л. Больцманом (1884).
Постоянная Вина входит в закон смещения Вина, утверждающий, что длина λ max, на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна термодинамической температуре Т излучающего тела:
λ max = b1/T.
Постоянная Планка (квант действия) определяет широкий круг физических явлений, для которых существенна дискретность величин с размерностью действия. Введена в 1900 г. немецким физиком М. Планком при установлении закона распределения энергии в спектре излучения черного тела.
|
|
|
Постоянная Ридберга входит в выражение для уровней энергии и частот излучения атомов (спектральные серии): ν = R∙ (1/ni2 – 1/nk2), где ni и nk – числа, определяющие начальный и конечный уровни энергии. Для каждой спектральной серии ni постоянно, а nk = ni + 1, ni + 2, …. Введена шведским физиком
И. Р. Ридбергом.
Радиус первой боровской орбиты (в теории датского физика Н. Бора) – радиус ближайшей к ядру (протону) электронной орбиты. В квантовой механике определяется как расстояние от ядра, на котором с наибольшей вероятностью можно обнаружить электрон в невозбужденном атоме водорода.
Комптоновская длина волны определяет изменение длины волны электромагнитного излучения при комптоновском рассеянии на электроне: 
, где h – постоянная Планка, me – масса покоя электрона, с – скорость света в вакууме. Эффект открыт американским физиком А. Комптоном (1892).
Атомная единица массы применяется в атомной и ядерной физике для выражения масс элементарных частиц атомов и молекул; 1 а. е. м. равна 1/12 массы нуклида углерода 12С.
Электрическая и магнитная постоянные – физические постоянные, входящие в формулы электромагнетизма: ε 0∙ μ 0 = 1/с2, где с – скорость света в вакууме.
|
|
|
