Программа курса общей физики

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

1. Программа курса

1.1. Введение.
Предмет молекулярной физики. Основные экспериментальные факты, свидетельствующие о дискретном строении вещества. Тепловое движение с точки зрения молекулярных представлений. Масштабы физических величин в молекулярной теории. Массы и размеры молекул. Число Авогадро. Особенности межмолекулярного взаимодействия. Агрегатные состояния и характер теплового движения в газах, жидкостях и твердых телах.

1.2. Статистический подход к описанию молекулярных явлений.
Статистические закономерности и описание системы многих частиц. Макроскопические и микроскопические состояние системы. Молекулярная система как совокупность частиц и как сплошная среда. Тепловое равновесие систем. Условия равновесия.

1.3. Идеальный газ.
Модель идеального газа. Равновесное пространственное распределение частиц идеального газа. Биномиальное распределение (распределение Бернулли). Предельные случаи биномиального распределения: распределение Пуассона и Гаусса. Флюктуации плотности идеального газа. Малость относительных флюктуаций. Молекулярная теория давления идеального газа.

1.4. Понятие температуры.
Принципы конструирования термометра. Термометрическое вещество и термометрическая величина. Эмпирические шкалы температур. Шкала температур на основе свойств идеального газа. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона-Менделеева).

1.5. Распределение молекул газа по скоростям.
Распределение Максвелла. Характерные скорости молекул. Принцип детального равновесия. Наивероятнейшая, средняя и среднеквадратичная скорости молекул газа. Распределение молекул по компонентам скоростей. Экспериментальная проверка распределения Максвелла.

1.6. Идеальный газ во внешнем потенциальном поле.
Распределение Больцмана. Барометрическая формула. Распределение Максвелла-Больцмана и его экспериментальная проверка.

1.7. Броуновское движение.
Столкновение молекул в газе. Длина свободного пробега. Частота соударений. Газокинетический диаметр. Рассеяние молекулярных пучков в газе. Теорема о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы. Броуновское движение. Формула Эйнштейна. Опыты Перрена по определению числа Авогадро.

1.8. Термодинамический подход к описанию молекулярных явлений.
Термодинамические параметры. Нулевое начало термодинамики. Понятие термодинамического равновесия. Принцип термодинамической аддитивности. Физические ограничения термодинамической теории. Квазистатические процессы. Обратимые и необратимые процессы.

1.9. Первое начало термодинамики.
Теплоемкость системы. Теплоемкость идеального газа. Связь теплоемкости газа с числом степеней свободы молекул. Уравнение Майера. Политропический процесс. Уравнение политропы и его частные случаи. Классическая теория теплоемкости твердых тел. Закон Дюлонга и Пти. Фундаментальные трудности классической теории теплоемкости.

1.10. Циклические процессы.
Преобразование теплоты в работу. Нагреватель, рабочее тело, холодильник. Коэффициент полезного действия. Тепловой двигатель и холодильная машина. Цикл Карно и его КПД.

1.11. Второе начало термодинамики.
Две теоремы Карно. Термодинамическая шкала температур и ее тождественность идеально-газовой шкале. Нестандартные единицы измерения температур. Неравенство Клаузиуса. Второе начало термодинамики. Формулировка Клаузиуса и Томсона (Кельвина). Их эквивалентность.

1.12. Понятие энтропии термодинамической системы.
Закон возрастания энтропии в неравновесной изолированной системе. Энтропия и вероятность. Микро- и макросостояния системы. Термодинамическая вероятность. Принцип Больцмана. Статистическая интерпретация второго начала термодинамики.

1.13. Реальные газы и жидкости.
Реальные газы. Изотермы Амага. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Критическое состояние. Область двухфазовых состояний. Метастабильные состояния. Критические параметры газа Ван-дер-Ваальса. Закон соответственных состояний. Силы межмолекулярного взаимодействия. Потенциал Леннарда-Джонса. Эффект Джоуля-Томсона. Методы получения низких температур.

1.14. Поверхностные явления в жидкостях.
Коэффициент поверхностного натяжения. Краевой угол. Давление под искривленной поверхностью жидкости. Формула Лапласа. Капиллярные явления.

1.15. Твердые тела.
Кристаллические и аморфные состояния. Кристаллы. Симметрия кристаллов. Элементы точечной симметрии: ось симметрии, плоскость симметрии, центр инверсии, инверсионная ось симметрии, зеркально-поворотная ось симметрии. Трансляция и трансляционная симметрия. Кристаллическая решетка. Элементарная ячейка. Сингонии. Решетка Браве. Индексы Миллера. Изоморфизм и полиморфизм. Фазы переменного состава. Дефекты в кристаллах. Дислокации. Понятие о жидких кристаллах.

1.16. Фазовые переходы первого и второго рода.
Фаза. Классификация фазовых переходов по Эренфесту. Термодинамический потенциал Гиббса как функция состояния. Фазовые переходы первого рода. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Скрытая теплота перехода. Тройная точка. Фазовые переходы второго рода. Аномалии теплового расширения при фазовых переходах.

1.17. Явление переноса.
Понятие о релаксационных процессах в молекулярных системах. Диффузия: закон Фика. Внутреннее трение (перенос импульса): закон Ньютона-Стокса. Теплопроводность: закон Фурье. Уравнение переноса. Явление переноса в газах. Связь коэффициентов переноса с молекулярно-кинетическими характеристиками газа.

2. Темы семинаров по курсу "Молекулярная физика"

2.1. Основные понятия теории вероятностей. Биномиальное распределение. Распределения Пуассона и Гаусса.

2.2. Распределение Максвелла. Характерные скорости молекул газа. Доля молекул в заданном интервале скоростей.

2.3. Распределение Больцмана. Распределение молекул в поле сил тяжести и в поле сил инерции.

2.4. Теорема о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы. Броуновское движение.

2.5. Явления переноса.

2.6. Первое начало термодинамики. Процессы в идеальном газе. Теплоемкость.

2.7. Обратимые циклы. КПД циклов.

2.8. Второе начало термодинамики. Энтропия.

2.9. Фазовые переходы. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса.

2.10. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Эффект Джоуля-Томсона.

2.11. Поверхностные явления.

3. Основная тематика задач Общего Физического Практикума (Лабораторные работы).

3.1. Вакуумная техника.

3.2. Измерение коэффициента поверхностного натяжения.

3.3. Измерение коэффициента вязкости жидкости.

3.4. Измерение коэффициента теплопередачи в водороде.

3.5. Измерение скорости звука в воде и в металле.

3.6. Измерение температуропроводности тела.

3.7. Измерение теплоемкости металлов.

3.8. Измерение температуры термоэлектронов.

3.9. Изучение распределения Больцмана.

3.10. Измерение теплоемкости воздуха и жидкостей.

3.11. Измерение давления паров и вязкости воды.

3.12. Дифференциальный калориметр.

3.13. Распределение электронов по энергиям.

3.14. Изучение работы тепловой машины.

4. Учебно-методическое обеспечение раздела "Молекулярная физика"

4.1. Основная литература.

4.1.1. А.К. Кикоин, И.К. Кикоин. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976.

4.1.2. Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Т. 2. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1990.

4.1.3. А.Н. Матвеев. Молекулярная физика. М.: Высшая школа, 1987.

4.1.4. В.Л. Гинзбург, Л.М. Левин, Д.В. Сивухин, И.А. Яковлев. Сборник задач по общему курсу физики. Термодинамика и молекулярная физика. Под ред. Д.В. Сивухина. М.: Наука, 1988.

4.1.5. П.С. Булкин, И.И. Попова. Общий физический практикум. Молекулярная физика. Под ред. А.Н. Матвеева и Д.Ф. Киселева. М.: Изд-во МГУ, 1988.

4.2. Дополнительная литература.

4.2.1. Ф. Рейф. Статистическая физика. Берклеевский курс физики. Т. 5. М.: Наука, 1986.

4.2.2. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Вып. 4. Кинетика. Теплота. Звук. М.: Мир, 1977.

4.2.3. Р.В. Поль. Механика, акустика и учения о теплоте. М.: Наука, 1971.

4.2.4. И.В. Савельев. Курс общей физики. Т. 1. М.: Наука, 1986.

Содержание

 01.11.2010