Курс общей физики. Молекулярная физика. Алешкевич В.А.

М.: 2016. — 312 с.

Учебник является четвертым изданием серии «Университетский курс общей физики» и предназначен студентам физических специальностей вузов. Он соответствует новым программам, разработанным на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, и отражает современные тенденции и технологии физического образования. Учебник написан в виде 25 тематических лекций. Каждая лекция содержит материал первого (базового) уровня, соответствующий программе курса и излагаемый в полном объеме в лекционной аудитории и закрепляемый на семинарских и лабораторных занятиях. Материал второго уровня призван не только расширить кругозор учащегося в области уникальных материалов и композитов, их применений и открывающихся перспектив при использовании новых технологий, но и нести особую «мировоззренческую нагрузку». Это прежде всего знакомство учащихся с эволюционно-синергетической парадигмой, в рамках которой обсуждаются возникновение хаоса из порядка и обратный процесс самоорганизации, тепловой и энтропийный балансы Земли, проблема рационального использования и воспроизведения ограниченных земных ресурсов, динамика развития мировой системы в ближайшем столетии. Рекомендовано Ученым советом физического факультета МГУ в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки ВПО 011200 - Физика.

Формат: pdf

Размер: 9,2 Мб

Смотреть, скачать: drive.google

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 10
РАЗДЕЛ 1 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЛЕКЦИЯ 1 13
Термодинамические системы (13). Размеры атомов и молекул (14). Взаимодействие атомов и молекул (16). Ковалентная связь (17). Ионная связь (18). Водородная связь (19). Металлическая связь (20). Ван-дер-ваальсовы силы (21). Потенциал Леннарда-Джонса (21). Классическая модель молекулы (22). Масса атомов и молекул (23). Количество вещества (23).
ЛЕКЦИЯ 2 24
Температура (24). Термометры и температурные шкалы (25). Температурная шкала Ремера (25). Шкала Фаренгейта (25). Температурная шкала Реомюра (26). Температурная шкала Цельсия (26). Шкала Кельвина (27). Абсолютная термодинамическая шкала (27). Методы описания термодинамических систем (27). Динамические методы (28). Термодинамический метод (30). Статистический метод (31). Идеальный газ (32).
РАЗДЕЛ 2 СТАТИСТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТИЦ
ЛЕКЦИЯ 3 33
Статистические закономерности (33). Вероятность (34). Простейшие математические операции с вероятностями (36). Среднее значение случайной величины (38). Дисперсия (39). Центральная предельная теорема (40). Микро- и макросостояния (41). Постулат равновероятности (42). Макросостояние (43). Эргодическая гипотеза (44).
ЛЕКЦИЯ 4 45
Статистика Больцмана (45). Пространственное распределение молекул (45). Биномиальное распределение (47). Термодинамическая вероятность для изолированной системы частиц идеального газа (52). Температура и ее статистический смысл (53). Распределение Гиббса (54). Подсистема в термостате (57).
РАЗДЕЛ 3. СТАТИСТИЧЕСКИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПО СКОРОСТЯМ И ЭНЕРГИЯМ. КВАНТОВЫЕ ГАЗЫ
ЛЕКЦИЯ 5 58
Микроканоническая и каноническая системы (58). Вырождение газа (58). Намагничивание парамагнетика (59). Распределение Максвелла по скоростям (60). Распределение по энергиям (63). Частота ударов молекул о стенку (63). Экспериментальная проверка распределения Максвелла (64). Распределение молекул газа в поле силы тяжести (65). Принцип детального равновесия (66).
ЛЕКЦИЯ 6 68
Распределение Максвелла-Больцмана (68). Теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы (70). Опыты Перрена по определению числа Авогадро (72). Атмосфера планет (74).
ЛЕКЦИЯ 7 75
Броуновское движение (Б. Д.) (75). Давление идеального газа (79). Закон Авогадро (79). Закон Дальтона (80). Уравнение Клапейрона-Менделеева (80). Энтропия и вероятность (81). Энтропия системы парамагнитных атомов (82).
ЛЕКЦИЯ 8 83
Квантовые газы (83). Распределение Ферми-Дирака (83). Распределение Бозе-Эйнштейна (88). Формула Планка (89). Давление фотонного газа (90). Бозе-эйнштейновский конденсат (БЭК) (90).
РАЗДЕЛ 4 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ. НУЛЕВОЕ И ПЕРВОЕ НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ. ТЕПЛОЕМКОСТЬ
ЛЕКЦИЯ 9 95
Нулевое начало термодинамики (95). Первое начало термодинамики (95). Уравнение состояния, внутренняя энергия и работа (98). Термодинамическая аддитивность (99). Теплоемкость процесса (99). Теплоемкость идеального газа. Формула Майера (100). Теплоемкость твердых тел (102). Тепловые фононы (107). Теплоемкость жидкостей (108).
ЛЕКЦИЯ 10 110
Процессы в идеальных газах (ПО). Циклические процессы (113). Цикл Карно (114). Двигатель Стирлинга (116).
ЛЕКЦИЯ 11 118
Паровая турбина (118). Холодильная установка и тепловой насос (119). Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) (122). Тепловой баланс Земли (ТБЗ) (124).
РАЗДЕЛ 5. ВТОРОЕ И ТРЕТЬЕ НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ
ЛЕКЦИЯ 12 127
Второе начало термодинамики (127). Формулировка Кельвина (127). Формулировка Клаузиуса (128). Эквивалентность обеих формулировок (128). Термодинамическое определение энтропии (129). Первая теорема Карно (130). Термодинамическая шкала температур (130). Энтропия и термодинамическая вероятность (131). Вторая теорема Карно (133). Неравенство Клаузиуса (133). Второе начало термодинамики и энтропия (134). Цикл Карно в переменных S и Т (136).
ЛЕКЦИЯ 13 137
Термодинамические функции (137). Максимальная работа и свободная энергия (140). Химический потенциал (141). Критерии устойчивости термодинамических систем (142). Полезные термодинамические соотношения (143). Формулы для теплоемкостей (144). Методы охлаждения газов (145).
ЛЕКЦИЯ 14 148
Третье начало термодинамики (148). Магнитное адиабатическое охлаждение (149). Флуктуации (150). Термодинамические функции и статистическая сумма (153). Эволюционно-синергетическая парадигма (153). Тепловая смерть Вселенной (155). Самоорганизация (156). Порядок и ха¬ос (159). Бифуркации (163).
РАЗДЕЛ 6 РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ, ЖИДКОСТИ И ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
ЛЕКЦИЯ 15 166
Изотермы реального газа (166). Правило рычага (168). Влажность воздуха (168). Уравнение Ван-дер-Ваальса (168). Изотермы газа Ван-дер-Ва-альса (170). Внутренняя энергия газа ВдВ (172). Адиабатическое охлаждение газа ВдВ (172). Охлаждение при дросселировании газа ВдВ (173). Интегральный эффект Джоуля-Томсона (174). Физический смысл температуры инверсии (174). Закон соответственных состояний (175).
ЛЕКЦИЯ 16 177
Другие уравнения состояния реального газа (177). Вириальное уравнение состояния простой жидкости (178). Сжижение газов (179). Сжижение природного газа (181). Критическое состояние вещества (181). Сверхкритический флюид (СКФ) (182). Поверхностное натяжение (184). Условия равновесия на границе двух жидкостей (186). Условие равновесия на границе жидкость-твердое тело (186). Избыточное давление (188). Капиллярные явления (188).
ЛЕКЦИЯ 17 190
Твердые тела (190). Кристаллографические системы (192). Кристаллографические плоскости (195). Рентгеноструктурный анализ кристаллов (196). Нейтронография (198). Электронография (198). Дефекты кристаллических
решеток (199). Полиморфизм (200). Фуллерен (203). Нанотрубки (204). Графен (205). Твердые материалы (206). Фрактал (207).
ЛЕКЦИЯ 18 211
Молекулярное движение в жидкостях (211). Молекулярное движение в твердых телах (212). Полимеры (212). Изгиб длинных молекул (216). Жидкие кристаллы (ЖК) (219).
РАЗДЕЛ 7 ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
ЛЕКЦИЯ 19 223
Равновесие в двухфазной гетерогенной системе (223). Уравнение Клапей-рона-Клаузиуса (224). Фазовый переход первого рода (224). Равновесие жидкости и пара (224). Давление насыщенного пара над искривленной поверхностью (226). Кипение жидкостей (227). Перегретая жидкость (228). Переохлажденный пар (229). Равновесие системы «твердое тело-жидкость» (229). Выращивание кристаллов (232). Равновесие системы «твердое тело-пар» (232).
ЛЕКЦИЯ 20 234
Равновесие в гетерогенной системе (234). Правило фаз Гиббса (235). Металлический водород (235). Адсорбция. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) (236). Фазовые превращения гелия (238). Фазовые переходы второго рода (240). Переход в сверхпроводящее состояние (241). Равновесие в гомогенной системе (244).
ЛЕКЦИЯ 21 246
Принцип Ле Шателье-Брауна (246). Жидкие растворы (247). Законы Рау¬ля и Генри (248). Диаграммы состояний растворов (249). Кипение жидких растворов (250). Осмотическое давление (251). Диссоциация. Закон раз¬ведения Оствальда (253). Тепловое ионизационное равновесие. Уравнение Саха (253).
РАЗДЕЛ 8 ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА
ЛЕКЦИЯ 22 256
Диффузия (256). Теплопроводность (258). Вязкость (259). Электропроводность (259). Термодиффузия (259). Термоэлектричество (261). Нестационарная диффузия (261). Измерение коэффициента взаимной диффу¬зии (263). Нестационарная теплопроводность (263). Измерение теплопроводности (265). Метод лазерной вспышки (267). Измерение коэффициента вязкости (268).
ЛЕКЦИЯ 23 270
Свободная конвекция (270). Конвективная неустойчивость (271). Вынужденная конвекция (273). Конвективное движение в мантии Земли (273). Термодинамические силы и потоки (274). Поток энтропии (274). Энтропийный баланс Земли (275). Энтропия живых существ (276). Информационная энтропия (276). Динамика мировой системы (278).
РАЗДЕЛ 9 ПРОСТЕЙШАЯ КИНЕТИКА НЕРАВНОВЕСНЫХ СИСТЕМ
ЛЕКЦИЯ 24 281
Физическая кинетика (281). Длина свободного пробега (281). Столкновение разных молекул (283). Столкновение в смеси газов (283). Вероятностный характер процесса столкновения (283). Столкновение частиц со стенкой сосуда (285). Перенос вещества (диффузия) (285). Перенос импульса (вязкость) (286). Перенос энергии (теплопроводность) (287). Разреженные газы (288). Молекулярная эффузия (289). Молекулярное течение (290).
ЛЕКЦИЯ 25 293
Сосуд Дьюара (293). Получение вакуума (293). Явления переноса в жидкостях (297). Самодиффузия (297). Вязкость (298). Теплопроводность (299). Явления переноса в твердых телах (299). Теплопроводность в твердых телах (300). Кинетическое уравнение Больцмана (301). Физический вакуум (303).
Предметный указатель 305
Традиционно считается, что предметом молекулярной физики является изучение молекулярной формы движения материи, рассматриваемой как совокупность огромного числа частиц, находящихся в постоянном движении и взаимодействующих друг с другом.
Однако представление о том, что материя состоит из отдельных частиц — атомов — возникло еще в Древней Греции (Левкипп и Демокрит, V век до н. э.), основы атомно-молекулярного учения впервые были изложены М. В. Ломо¬носовым в его работе «Элементы математической химии» (1741 г.). В ней утверждалось, что все вещества состоят из мельчайших «нечувствительных» частичек двух видов — элементов и корпускул, физически неделимых и обладающих способностью взаимного сцепления. Свойства веществ определяются свойствами этих частичек, находящихся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц.