Учебной работе Ю. А. Самарский 8 декабря2011 г. Программа по кур

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе

Ю.А. Самарский

8 декабря2011 г.

ПРОГРАММА

по курсу: Общая физика: молекулярная физика и термодинамика

по направлению: 010900 «Прикладные математика и физика»

факультеты: для всех факультетов

кафедра: общей физики

курс:I

семестр:2

Трудоёмкость: теор. курс: базовая часть – 3 зач. ед.;

вариативная часть – 2 зач. ед.

по выбору студента – 1 зач. ед.;

физ. практикум: базовая часть – 1 зач. ед.

вариативная часть – 1 зач. ед.,

по выбору студента – 1 зач. ед.

Лекции – 32 часа Экзамен – 2 семестр

Практические (семинарские)

занятия – 32 часаЗачёт – 2 семестр

лабораторные занятия – 64 часаСамостоятельная работа –

5 час в неделю

ВСЕГО ЧАСОВ – 128

Программу и задание составили:

д.ф.-м.н., проф. Э.В. Прут

к.ф.-м.н., доц. В.Е. Белонучкин

к.ф.-м.н., доц. В.С. Булыгин

к.ф.-м.н., доц. К.М. Крымский

к.ф.-м.н., доц. В.А. Овчинкин

Программа принята на заседании кафедры общей физики 15 ноября 2011 г.

Заведующий кафедрой А.В. Максимычев

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

(Базовый курс)

Основные понятия молекулярной физики и термодинамики: предмет исследования, его характерные особенности. Задачи молекулярной физики. Макроскопические параметры. Агрегатные состояния вещества. Уравнения состояния (термическое и калорическое). Идеальный и неидеальный газы. Давление идеального газа как функция кинетической энергии молекул (вывод). Соотношение между температурой идеального газа и кинетической энергией его молекул. Законы идеальных газов. Уравнения состояния идеального газа.

Законы термодинамики

Термодинамическая система. Типы систем. Термодинамические параметры. Нулевое начало термодинамики. Определение температуры идеального газа. Уравнения состояния. Равновесное и неравновесное состояния. Квазистатические, обратимые и необратимые термодинамические процессы.

Работа, теплота, внутренняя энергия. Первое начало термодинамики. Определение функции состояния. Циклические процессы. Теплоёмкость и уравнение Майера. Адиабатический и политропический процессы. Уравнения адиабаты и политропы для идеального газа (вывод). Независимость внутренней энергии идеального газа от объёма. Скорость звука в газах (вывод). Энтальпия. Зависимость энтальпии идеального газа от давления (вывод). Скорость истечения газа (вывод).

Второе начало термодинамики. Формулировки второго начала. Тепловая машина. Определение КПД тепловой машины. Цикл Карно. Теорема Карно (вывод). Неравенство Клаузиуса (вывод). Максимальность КПД цикла Карно. Термодинамическая шкала температур.

Холодильная машина. Эффективность холодильной машины.

Тепловой насос. Эффективность теплового насоса, работающего по циклу Карно. Связь между коэффициентами эффективности теплового насоса и холодильной машины (вывод).

Термодинамическое определение энтропии. Закон возрастания энтропии. Энтропия идеального газа (вывод). Энтропия в обратимых и необратимых процессах. Адиабатическое расширение идеального газа в вакуум.

Объединённое уравнение первого и второго начал термодинамики.

Третье начало термодинамики. Изменение энтропии и теплоёмкости при приближении температуры к абсолютному нулю.

Термодинамические функции. Свойства термодинамических функций. Максимальная и минимальная работа. Преобразования термодинамических функций. Соотношения Максвелла. Зависимость внутренней энергии от объёма. Соотношение между СP и СV (вывод).

Теплофизические свойства твёрдых тел. Термодинамика деформации твёрдых тел. Изменение температуры при адиабатическом растяжении упругого стержня (вывод). Тепловое расширение как следствие ангармоничности колебаний в решётке.

Фазовые превращения. Фазовые переходы I и II рода. Химический потенциал. Условие равновесия фаз (вывод). Кривая фазового равновесия. Уравнение Клапейрона–Клаузиуса (вывод). Диаграмма состояния двухфазной системы «жидкость–пар». Зависимость теплоты фазового перехода от температуры. Критическая точка. Устойчивость фаз. Тройная точка. Диаграмма состояния «лёд–вода–пар». Метастабильные состояния. Перегретая жидкость и переохлаждённый пар.

Газ Ван-дер-Ваальса как модель реального газа. Определение постоянных Ван-дер-Ваальса. Изотермы газа Ван-дер-Ваальса. Уравнение адиабаты газа Ван-дер-Ваальса (вывод). Критические параметры и приведённое уравнение состояния газа Ван-дер-Ваальса (вывод). Температура Бойля. Правило Максвелла и правило рычага (вывод).

Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса (вывод). Адиабатическое расширение газа Ван-дер-Ваальса в вакуум. Энтропия газа Ван-дер-Ваальса (вывод).

Методы получения низких температур. Адиабатическое расширение. Дросселирование. Адиабатное дросселирование. Эффект Джоуля–Томсона (вывод).

Поверхностные явления. Свободная энергия поверхности (термодинамический вывод). Краевые углы (термодинамический вывод). Смачивание и несмачивание. Формула Лапласа. Термодинамика поверхности.

Зависимость давления пара от кривизны поверхности жидкости (вывод). Кипение. Роль зародышей при образовании новой фазы.

Элементы статистической физики идеальных систем

Динамические и статистические закономерности. Макроскопические и микроскопические состояния. Фазовое пространство. Фазовое пространство идеального одноатомного газа. Статистический вес.

Элементы теории вероятностей. Условие нормировки. Средние величины и дисперсия. Биномиальный закон распределения. Распределения Пуассона и Гаусса.

Распределения Максвелла. Распределение частиц по компонентам скорости и абсолютным значениям скорости (вывод). Доля молекул, лежащих в заданном интервале скоростей. Наиболее вероятная, средняя и среднеквадратичная скорости (вывод).

Распределения Максвелла по импульсам и энергиям. Среднее число ударов молекул, сталкивающихся в единицу времени с единичной площадкой (вывод). Средняя энергия молекул, вылетающих в вакуум через малое отверстие в сосуде (вывод).

Распределение Больцмана в однородном поле сил. Барометрическая формула.

Понятие о статистической сумме и её связь с внутренней энергией.

Статистическое определение энтропии. Аддитивность энтропии. Закон возрастания энтропии. Статистическая температура.

Энтропия при смешении газов (вывод). Парадокс Гиббса.

Флуктуации. Средние значения энергии, среднего квадрата энергии и дисперсии (среднеквадратичной флуктуации) энергии частицы (вывод).

Флуктуации термодинамических величин. Флуктуация температуры в заданном объёме. Зависимость флуктуаций от числа частиц, составляющих систему (вывод). Влияние флуктуаций на чувствительность измерительных приборов (на примере пружинных весов, вывод).

Теплоёмкость. Классическая теория теплоёмкостей. Закон равномерного распределения энергии теплового движения по степеням свободы. Теплоёмкость идеальных газов при постоянном объёме и постоянном давлении. Элементы квантовой теории теплоёмкостей. Характеристические температуры. Зависимость теплоёмкости от температуры. Теплоёмкость кристаллов (закон Дюлонга–Пти).

Влияние заселённостей уровней газа, состоящего из молекул, имеющих два дискретных энергетических уровня, на термодинамические параметры: энергию, энтропию, теплоёмкость (вывод).

Элементы физической кинетики

Столкновения. Эффективное газокинетическое сечение. Длина свободного пробега (вывод). Распределение молекул по длинам свободного пробега (вывод). Число столкновений молекул между собой (вывод).

Явления переноса: вязкость, теплопроводность и диффузия. Законы Фика и Фурье. Коэффициенты вязкости, теплопроводности и диффузии в газах (вывод).

Броуновское движение. Подвижность. Закон Эйнштейна–Смолуховского (вывод). Связь подвижности частицы и коэффициента диффузии (вывод).

Явления переноса в разрежённых газах. Эффузия при разнице температур. Течение разрежённого газа через прямолинейную трубу. Вакуум: его получение и измерение.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

(Программа – минимум)

Основные понятия молекулярной физики и термодинамики: предмет исследования, его характерные особенности. Задачи молекулярной физики. Макроскопические параметры. Агрегатные состояния вещества. Уравнения состояния. Идеальный и неидеальный газы. Давление идеального газа как функция кинетической энергии молекул.

Законы термодинамики

Элементы термодинамики. Термодинамическое равновесие. Квазистатические процессы. Температура.

Первое начало термодинамики. Работа, теплота и внутренняя энергия. Политропические процессы. Адиабата. Скорость звука в газах. Энтальпия. Адиабатическое истечение газа.

Второе начало термодинамики. Цикл Карно. Тепловые и холодильные машины. Тепловой насос. Коэффициент полезного действия тепловых машин. Обратимые и необратимые процессы. Термодинамическая шкала температур. Термодинамическое определение энтропии. Изменение энтропии в необратимых процессах. Объединённое уравнение первого и второго начал термодинамики.

Третье начало термодинамики.

Термодинамические функции. Зависимость внутренней энергии от объёма. Соотношение между СP и СV .

Фазовые превращения. Фазовые переходы I и II рода. Условия фазового равновесия. Фазовые диаграммы. Химический потенциал. Уравнение Клайперона–Клаузиса.

Критическая точка. Тройная точка. Особенности диаграммы состояния воды.

Метастабильные состояния. Эффекты перегрева и переохлаждения.

Газ Ван-дер-Ваальса как модель реального газа. Определение постоянных Ван-дер-Ваальса. Приведённое уравнение Ван-дер-Ваальса. Правило Максвелла. Критические параметры.

Получение низких температур. Адиабатическое расширение. Дросселирование. Эффект Джоуля–Томсона. Температура инверсии.

Поверхностные явления. Краевые углы. Смачивание и несмачивание. Формула Лапласа. Термодинамика поверхности.

Зависимость давления пара от кривизны поверхности жидкости. Роль зародышей при образовании новой фазы. Кипение.

Элементы статистической физики идеальных систем

Динамические и статистические закономерности. Макроскопические и микроскопические состояния.

Распределения Максвелла. Распределение частиц по компонентам скорости и абсолютным значениям скорости. Распределения Максвелла по импульсам и энергиям. Число ударов молекул о единицу поверхности.

Распределение Больцмана в однородном поле сил. Барометрическая формула.

Статистическое определение энтропии. Аддитивность энтропии. Закон возрастания энтропии. Возрастание энтропии при смешении газов. Парадокс Гиббса.

Флуктуации. Флуктуации термодинамических величин. Зависимость флуктуаций от числа частиц, составляющих систему. Влияние флуктуаций на чувствительность измерительных приборов.

Теплоёмкость. Классическая теория теплоёмкостей. Закон равномерного распределения энергии теплового движения по степеням свободы. Теплоёмкость идеальных газов при постоянном объёме и постоянном давлении. Теплоёмкость кристаллов (закон Дюлонга–Пти).

Элементы физической кинетики

Столкновения. Эффективное газокинетическое сечение. Длина свободного пробега.

Явления переноса: вязкость, теплопроводность и диффузия. Законы Фика и Фурье. Коэффициенты вязкости, теплопроводности и диффузии в газах.

Броуновское движение. Подвижность. Закон Эйнштейна–Смолуховского.

Явления переноса в разрежённых газах. Эффузия.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Вариативная часть программы, дополнительная к базовому курсу

Термодинамика

Термодинамическая шкала температур (вывод). Термодинамические функции. Соотношения Максвелла (вывод). Зависимость внутренней энергии от объёма (вывод). Зависимость теплоёмкости от объёма (вывод).

Кпд цикла Карно с максимальной мощностью.

Теплофизические свойства твёрдых тел. Изменение температуры при адиабатическом растяжении резины (вывод). Коэффициент линейного расширения стержня (вывод).

Фазовые превращения. Устойчивость фаз. Правило фаз Гиббса (вывод).

Методы получения низких температур. Интегральный эффект Джоуля–Томсона (вывод).

Элементы статистической физики идеальных систем

Биномиальный закон распределения (вывод). Распределения Пуассона и Гаусса (вывод).

Распределение Максвелла. Принцип детального равновесия (вывод).

Представление о распределении Гиббса для произвольных систем (газы, жидкости, твёрдые тела). Распределение Гиббса для одноатомного идеального газа (вывод).

Микро- и макросостояния. Статистический вес макросостояния.

Статистическое определение энтропии. Статистическая температура (вывод).

Флуктуации. Флуктуации и распределение Гаусса (вывод).

Флуктуации термодинамических величин. Флуктуация температуры в заданном объёме (вывод). Флуктуация объёма в изотермическом и адиабатическом процессах (вывод).

Элементы физической кинетики

Явления переноса в разрежённых газах. Течение разрежённого газа через прямолинейную трубу (вывод).

ЛИТЕРАТУРА

Основная литература

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. – М.: Наука, 1975.

2. Белонучкин В.Е., Заикин Д.А., Ципенюк Ю.М. Основы физики. Курс общей физики. Т. 2. Квантовая и статистическая физика / под ред. Ю.М. Ципенюка. Часть V. Главы 1–4. М.: Физматлит, 2001.

3. Лабораторный практикум по общей физике. Т. 1./под ред. А.Д. Гладуна. – М.: МФТИ, 2003.

4. Сборник задач по общему курсу физики. Ч. 1/под ред. В.А. Овчинкина. – М.: МФТИ, 2002.

Дополнительная литература

1. Щёголев И.Ф. Элементы статистической механики, термодинамики и кинетики. – М.: Янус, 1996.

2. Рейф Ф. Статистическая физика (Берклеевский курс физики). Т. 5. – М.: Наука, 1972.

3. Ландау Л.Д., Ахиезер А.И., Лифшиц Е.М. Курс общей физики. – М.: Наука, 1965.

4. Базаров И.П. Термодинамика. – М.: Высшая школа, 1983.

5. И. Пригожин, Д. Кондепуди. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. – М.: Мир, 2009.

6. Белонучкин В.Е. Краткий курс термодинамики. – М.: МФТИ, 2010.

7. Кириченко Н.А. Термодинамика, статистическая молекулярная физика. – М.: Физматкнига, 2005.

8. Коротков П.Ф. Молекулярная физика и термодинамика. – М.: МФТИ, 2009.

9. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс Н. Фейнмановские лекции по физике. Вып. 4. – М.: Мир, 1965.

10. Корявов В.П. Методы решения задач в общем курсе физики. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Высшая школа, 2009.

11. Прут Э.В., Кленов С.Л., Овсянникова О.Б. Введение в теорию вероятностей в молекулярной физике. − М.: МФТИ, 2002.

12. Прут Э.В., Кленов С.Л., Овсянникова О.Б. Элементы теории флуктуаций и броуновского движения в молекулярной физике. − М.: МФТИ, 2002.

13. Заикин Д.А. Энтропия. – М.: МФТИ, 2003.

14. Прут Э.В. Теплофизические свойства твёрдых тел. – М.: МФТИ, 2009.

15. Булыгин В.С. Некоторые задачи теории теплопроводности. – М.: МФТИ, 2006.

Электронные ресурсы:

HYPERLINK «http://physics.mipt.ru/S_II/Medod_TD/» http://physics.mipt.ru/S_II/Medod_TD/

План лекции

Дата

Темы лекций

7, 13

февраля

Предмет молекулярной физики. Уравнение состояния. Нулевое начало термодинамики. Работа, теплота, внутренняя энергия. Первое начало термодинамики. Скорость звука в газах. Энтальпия. Истечение газа из отверстия.

14, 20

февраля

Второе начало термодинамики. Цикл Карно. Абсолютная температура. Термодинамическое определение энтропии. Энтропия идеального газа.

21, 27

февраля

Необратимые процессы. Изменение энтропии в необратимых процессах. Третье начало термодинамики.

28 февр.,

5 марта

Термодинамические функции и их свойства. Преобразования термодинамических функций. Теплофизические свойства твёрдых тел. Термодинамика деформации твёрдых тел. Ангармоничность колебаний. Тепловое расширение.

6, 12

марта

Условия фазового равновесия. Фазовые превращения. Уравнение Клайперона–Клаузиса. Зависимость теплоты фазового перехода от температуры.

13, 19

марта

Газ Ван-дер-Ваальса. Критическая точка. Метастабильные состояния. Эффект Джоуля–Томсона. Получение низких температур.

20, 26

марта

Поверхностные явления. Термодинамика поверхности. Зависимость давления пара от кривизны поверхности жидкости.

27 мар. 2 апр.

Элементы теории вероятностей. Распределения биномиальное, Гаусса.

3, 9

апреля

Распределения Максвелла и Больцмана.

10, 16

апреля

Распределение Гиббса. Статистическая сумма и внутренняя энергия. Статистическое определение энтропии. Аддитивность энтропии. Закон возрастания энтропии. Статистическое определение температуры. Возрастание энтропии при смешении газов. Парадокс Гиббса.

17, 23

апреля

Теория теплоёмкостей. Флуктуации.

24, 30

апреля

Основные понятия физической кинетики. Диффузия, вязкость, теплопроводность. Длина свободного пробега. Коэффициенты переноса в газах.

7, 8

мая

Броуновское движение. Нестационарные процессы переноса. Явления переноса в разреженных газах.

ЗАДАНИЕ ПО ФИЗИКЕ

для студентов 1-го курса на весенний семестр

2011/2012 учебного года

Дата

сем

Тема



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | Вперед → | Последняя | Весь текст