Государственный комитет Российской Федерации
по высшему образованию
Нижегородский государственный университет
им. Н.И.Лобачевского

 УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
о общему курсу

"МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА"

для направления подготовки
"радиофизика и электроника"

Курс: 1
Семестр: 2
Лекции: 38 час
Практикум: 12 час.
Лаборатория : 16 час.
Экзамен: 2 семестр
Зачет: 2 семестр

 Программа составлена зав. кафедрой общей физики профессором, д. ф.м.-н. Н.С.Степановым и доцентами кафедры общей физики к. ф.-м. н. М.И.Бакуновым и С.Б.Бираговым

Н. Новгород 1995

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА
"МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА"

1. Учебные цели и задачи курса

Цель курса - сформировать у студентов представление об основных явлениях, понятиях, законах и методах молекулярной физики и термодинамики, дать навыки простейших практических расчетов, а также экспериментальной работы в лаборатории.

Курс является основой для последующего изучения дисциплины "Термодинамика и статистическая физика" теорфизического цикла.

2. Дисциплины, изучение которых необходимо для усвоения курса.

Для успешного изучения курса необходимо усвоение таких разделов высшей математики, как математический анализ и теория вероятности, а также раздела "Физические основы механики" цикла общей физики.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

"МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА"

Программа курса

I. ВВЕДЕНИЕ В СТАТИСТИЧЕСКУЮ И МОЛЕКУЛЯРНУЮ ФИЗИКУ

Элементы кинетической теории газов

Давление идеального и фотонного газа, понятие уравнения состояния газа. Внутренняя энергия идеального газа и ее связь с температурой.

[2] Гл. V 58-64 [3] Гл. 1 1-4 [6] Гл. 1 1-11 [6] Вып. 4 гл. 39

Статистические распределения

Статистическое описание системы из большого числа частиц. Статистические законы, средние значения и флуктуации физических величин. Пример - распределение частиц по объему. Распределение молекул газа по скоростям. Равновесное распределение Максвелла (по вектору и модулю скорости) и его свойства, наивероятнейшая, средняя и среднеквадратичная скорости. Распределение Больцмана и примеры его применения.

[1] Гл.VI 70-79 [2] 1-4, 7, 11 [3] Гл. 1 6, 8-18 [4] Гл. 1 12-23 [5] Гл. 6 6.1-6.4 [6] Вып. 4 гл. 40 1-4

Классическая теория теплоемкости

Теплоемкость газов, теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы. Недостатки классической теории теплоемкости.

[1] Гл. V 66, 69 [2] 12, 17 [3] Гл. II 20, 24-27 [4] Гл. II 29-32 [5] Гл. 6 6.5-,6.7 [6] Вып. 4 гл. 40 5,6

Явления переноса

Средняя длина свободного пробега молекул в газах. Диффузия, внутреннее трение, теплопроводность газов. Особенности ультра-разреженных газов. Вычисление среднего квадрата смещения броуновских частиц. Измерение числа Авогадро.

[1] Гл. VII [2] 13, 49-52, 54 [3] Гл. 1 7, гл. III 35-37, 39, 40, 46-50, гл. IV 52 [4] Гл. VII, гл. VIII 74 [5] Гл. 8 [6] Вып. 4 гл. 41, гл. 43

Реальные газы и жидкости

Уравнение Ван-дер-Ваальса и его свойства. Фазовые переходы. Критическая температура, критические параметры.

[1] Гл. VIII 97-102 [2] 29-35 [3] Гл. V [4] Гл. IX 78-84, гл. XII 119

II. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

Термодинамический подход к описанию макросистем

Термодинамическое состояние и способы его изменения. Равновесные состояния и процессы, общий принцип термодинамики. Понятие температуры, нулевой принцип термодинамики.

[1] Гл.1 [2] 1, 3, 10, 21 [3] Гл. VI 73-76 [4] Гл. II 24, гл. III 33-35 [5] гл.1, 7

Первый принцип термодинамики

Опыты Джоуля, понятие о внутренней энергии. Количество теплоты, общая формулировка I принципа термодинамики. Соотношение Майера. Ура-внение адиабаты для идеального газа. Внутренняя энергия идеального газа и газа Ван-дер-Ваальса. Теплота испарения. Процессы Джоуля-Гей-Люссака и Джоуля-Томпсона.

[1] Гл.II [2] 19, 22, 23, 32, 35 [3] Гл. II 21-23, 28-33, гл.V 72, гл. VI 77-79, гл. VII 104-107, гл. VIII 110-113 [4] Гл. II 25-28, гл. III 37-40, гл. IX 85-88 гл. XII 114

Второй принцип термодинамики

Проблема превращения теплоты в работу. Формулировки II принципа для тепловых и холодильных машин. Цикл Карно. Теорема Карно. Термодинамическая шкала температур. Приведенное количество теплоты, равенство Клаузиуса для обратимых процессов. Понятие энтропии для идеального газа. Некоторые следствия из основного уравнения термодинамики (некоторые соотношения взаимности, термомеханические эффекты, уравнение Клапейрона-Клаузиуса). Необратимые процессы, неравенство Клаузиуса. Возрастание энтропии при необратимых процессах (с примерами). Статистический смысл энтропии и II принципа термодинамики.

[1] Гл.III 27-46 [2] 24-27 [3] Гл. VI 79-93 [4] Гл. III 36, 41, гл.IV, гл. V [6] Вып. 4 гл. 44, 45

ЛИТЕРАТУРА ПО КУРСУ

"МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА"

Основная литература

  1. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т. II. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1975; 1979; 1990.
  2. Матвеев А.Н. Молекулярная физика. М.: Высшая школа. 1987.
  3. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976.
  4. Телеснин Р.В. Молекулярная физика. М.: Высшая школа, 1973

Дополнительная литература

  1. Берклеевский курс физики, т. 5. Ф.Рейф. Статистическая физика. М.: Наука, 1972, 1977.
  2. Р.Фейман, Р.Лейтон, М.Сэндс. Феймановские лекции по физике. М.: Мир, 1965, 1977.
  3. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 1. Механика. Молекулярная физика. М.: Наука, 1987.

РАБОЧИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ

I. ВВЕДЕНИЕ В СТАТИСТИЧЕСКУЮ И МОЛЕКУЛЯРНУЮ ФИЗИКУ

1. Элементы кинетической теории газов 2 часа

2. Статистические распределения 6 часов

3. Классическая теория теплоемкости 2 часа

4. Явления переноса 2 часа

5. Реальные газы и жидкости 4 часа

II. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

1. Термодинамический подход к описанию макросистем 2 часа

2. Первый принцип термодинамики 6 часов

3. Второй принцип термодинамики 8 часов

ТЕМЫ И ПЛАН ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

ВВЕДЕНИЕ В МОЛЕКУЛЯРНУЮ И СТАТИСТИЧЕСКУЮ ФИЗИКУ

1. Биномиальное распределение. Флуктуации 2 часа

2. Распределение Максвелла 4 часа

3. Распределение Больцмана 2 часа

4. Явления переноса 2 часа

ТЕРМОДИНАМИКА

5. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса 2 часа

6. I принцип термодинамики 2 часа

7. Политропические процессы 2 часа

8. Реальные газы. Фазовые превращения 2 часа

9. Тепловые машины 2 часа

10. Энтропия 2 часа

ЛИТЕРАТУРА ПО ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

  1. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. М.: Наука, 1988.
  2. Сборник задач по общему курсу физики. Термодинамика и молекулярная физика. Под ред. Д.В.Сивухина. М.: Наука, 1976.
  3. Сахаров Д.И. Сборник задач по физике. М., 1967.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

  1. Определение показателя адиабаты для воздуха.
  2. Некоторые законы случайных событий (доска Гальтона, счетчик Гейгера, статистика больших партий резисторов и конденсаторов).
  3. Определение вязкости воздуха.
  4. Определение коэффициента теплопроводности воздуха.

ПРОГРАММА-МИНИМУМ

  1. Максвелловское распределение молекул газа по вектору и модулю скорости.
  2. Распределение Больцмана. Барометрическая формула.
  3. Уравнение состояния идеального газа.
  4. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реального газа. Фазовые превращения. Критическое состояние.
  5. Первый принцип термодинамики. Примеры применения: соотношение Майера, расширение газа в пустоту.
  6. Второй принцип термодинамики. Формулировки Томсона и Клаузиуса, их эквивалентность.
  7. Цикл Карно и его к.п.д. Теоремы Карно.
  8. Равенство Клаузиуса. Энтропия.
  9. Неравенство Клаузиуса. Закон возрастания энтропии (с примерами).

АВТОРЫ:

профессор Н.С.Степанов
доцент М.И.Бакунов
доцент С.Б.Бирагов

ЗАВ. КАФЕДРОЙ: профессор Н.С.Степанов
ПРЕДСЕДАТЕЛЬ МЕТОД. КОМИССИИ: профессор В.Г.Гавриленко