Термодинамика и молекулярная физика

Курс "Термодинамика и молекулярная физика" читает кандидат технических наук, доцент кафедры общей физики МФТИ, Владимир Александрович Овчинкин. Курс рассчитан на студентов первого курса технических специальностей.

В курсе рассматриваются ключевые понятия и методы термодинамики и молекулярной физики как части курса общей физики, читаемого студентам Московского Физико-Технического Института. Прежде всего, вводятся основные термодинамические постулаты (начала термодинамики), величины (энтропия, энтальпия и др), понятия (термодинамической системы, идеального газа и др.). Рассматриваются основные термодинамические соотношения (неравенство Клаузиуса и др.) и описание циклических процессов. Отдельные лекции посвящены теории фазовых переходов, модели газа Ван-Дер-Ваальса, поверхностным явлениям. Даются основные понятия статистической физики: микро- и макро состояние системы, статистическая сумма, функции распределения и др. Приводятся выводы распределений Максвелла, Больцмана, Гибсса, рассматриваются свойства указанных распределений. Излагается классическая и квантовая теория теплоемкости газов. Выводятся выражения для флуктуаций основных термодинамических величин. Дается описание молекулярных процессов в газах: процессов переноса, диффузии и теплопроводности.

Курс состоит из 12 лекций. Каждая лекция содержит в себе теоретический вывод важных физических результатов, применение теории к решению важных прикладных задач, демонстрации физических экспериментов, без которых невозможно глубокое понимание общей физики. Для успешного освоения курса слушателю желательно знать курс общей физики: "Механика" и владеть основами математического анализа теории вероятностей.

ЭКЗАМЕНАЦИОННАЯ ПРОГРАММА ПО ОБЩЕЙ ФИЗИКЕТЕРМОДИНАМИКА И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА 2014/15 УЧ. Г.

1. Идеальный и неидеальный газы. Давление идеального газа как функция кинетической энергии молекул.Соотношение между температурой идеального газа и кинетической энергией его молекул.
2. Термодинамическая система.Микроскопические и макроскопические параметры.Уравнение состояния.Стационарные, равновесные и неравновесные состояния и процессы.
3. Работа, внутренняя энергия, теплота. Первое начало термодинамики.
4. Работа идеального газа в равновесных изотермическом и изобарическом процессах. Внутренняя энергия идеального газа.
5. Теплоёмкость. Теплоёмкости C_V и C_P. Теплоёмкости C_V и C_P идеального газа. Формула Майера.
6. Адиабатические и политропические процессы. Уравнение адиабаты и политропы для идеального газа.
7. Цикл Карно, КПД машины Карно.Теоремы Карно.
8. Второе начало термодинамики.Неравенство Клаузиуса.Энтропия.Закон возрастания энтропии.
9. Энтропия идеального газа.
10. Термодинамические потенциалы. Соотношения Максвелла (соотношения взаимности). Уравнения Гиббса—Гельмгольца.
11. Связь производной (∂U/∂V)_T с уравнением состояния.
12. Разность C_P - C_V в общем случае.
13. Фазовые переходы первого рода.Уравнение Клайперона-Клаузиуса.Фазовое равновесие «жидкость — пар».Критическая точка.
14. Зависимость теплоты фазового перехода от температуры.
15. Диаграмма фазового равновесия «лёд—вода—пар».Тройная точка.
16. Уравнение Ван-дер-Ваальса как модель неидеального газа.Изотермы газа Ван-дер-Ваальса.Критические параметры. Приведённое уравнение Ван-дер-Ваальса, закон соответственных состояний.
17. Метастабильные состояния, переохлаждённый пар, перегретая жидкость. Устойчивость состояний. Правило Максвелла.
18. Внутренняя энергия и энтропия газа Ван-дер-Ваальса. Изменение температуры газа Ван-дер-Ваальса при его свободном расширении в вакуум.
19. Интегральный эффект Джоуля—Томсона. Температура инверсии.
20. Поверхностные явления. Коэффициент поверхностного натяжения,краевые углы.Формула Лапласа.
21. Зависимость давления насыщенного пара от кривизны поверхности жидкости.
22. Кипение. Роль зародышей при образовании новой фазы.
23. Распределение Максвелла по скоростям и импульсам частиц. Наиболее вероятная, средняя и среднеквадратичная скорости молекул.
24. Распределение Максвелла по энергиям частиц. Средняя и наиболее вероятная энергии частиц.
25. Среднее число молекул, сталкивающихся в единицу времени с единичной площадкой.
26. Средняя энергия молекул, вылетающих через малое отверстие в сосуде в вакуум.
27. Барометрическая формула. Распределение Больцмана.
28. Микро- и макросостояния системы. Распределение Гиббса.
29. Статистическая сумма, её применение для нахождения среднего значения энергии подсистемы.
30. Статистическое определение энтропии. Аддитивность энтропии. Закон возрастания энтропии.
31. Изменение энтропии при смешении газов. Парадокс Гиббса.
32. Флуктуация числа частиц в заданном объёме.
33. Флуктуация температуры в заданном объёме.
34. Флуктуация объёма в изотермическом и адиабатическом процессах.
35. Влияние флуктуаций на чувствительность измерительных приборов (на примере пружинных весов).
36. Классическая теория теплоёмкостей. Закон равномерного распределения энергии теплового движения по степеням свободы.
37. Элементы квантовой теории теплоёмкостей. Характеристические температуры. Теплоёмкость кристаллов (закон Дюлонга—Пти).
38. Третье начало термодинамики.
39. Столкновения. Эффективное газокинетическое сечение. Длина свободного пробега. Распределение молекул по длинам свободного пробега.
40. Диффузия.Закон Фика.Уравнение диффузии.Коэффициент диффузии в газах.
41. Теплопроводность. Закон Фурье. Уравнение теплопроводности. Коэффициент теплопроводности в газах.
42. Вязкость. Закон Ньютона.Коэффициент вязкости в газах.
43. Броуновское движение. Подвижность. Закон Эйнштейна—Смолуховского.
44. Связь подвижности частицы и коэффициента диффузии.
45. Явления переноса в разрежённых газах.Эффузия.Эффект Кнудсена. Эффузионное разделение газовых смесей.
46. Течение разреженного газа по длинной трубе.