 |
|
Молекулярная физика и термодинамика. Основные положения и понятия. Динамические и статистические закономерности. Статистический и термодинамический методы исследования
ФИЗИКА
Конспект лекций по молекулярной физике и термодинамике
для студентов инженерно-технических специальностей
Курск 2002
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
В.М. Полунин, Г.Т.Сычев
ФИЗИКА
Конспект лекций по молекулярной физике и термодинамике
для студентов инженерно-технических специальностей
Курск 2002
УДК 53
ББК В3
Ф 50
Рецензенты:
зав. кафедрой ТиЭФ КГТУ, доктор физ.-мат. наук,
профессор, А.А.Родионов,
зав. кафедрой общей физики КГПУ, кандидат физ.-мат.
наук, доцент В.В. Зотов,
зав. кафедрой физики КСХА, кандидат техн. наук,
доцент, Д.И. Якиревич
Полунин В.М., Сычев Г.Т. Физика: Конспект лекций по молекулярной физике и термодинамике для студентов инженерно-технических специальностей /Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2002. 134 с.
Цель конспекта лекций - оказать помощь студентам инженерно-технических специальностей в изучении физики.
Он составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта-2000, Примерной программы дисциплины «Физика» (2000 г.) и рабочей программы по физике для студентов инженерно-технических специальностей КГТУ (2000 г.).
Содержит конспект лекций по молекулярной физике и термодинамике и может быть использован студентами инженерно-технических специальностей всех форм обучения.
УДК 53
ББК В3
Ф 50
Ó Курский государственный технический университет, 2002
Ó В.М. Полунин, Г.Т. Сычев, 2002
Содержание
От авторов 6
Основы молекулярной физики и термодинамики 7
Лекция 11. Молекулярно-кинетическая теория строения
вещества 7
Молекулярная физика и термодинамика. Основные положения и понятия. Динамические и статистические закономерности в физике. Статистический и термодинамический методы исследования. Макроскопическое состояние. Термодинамические функции состояния. Уравнение состояния. Внутренняя энергия. Интенсивные и экстенсивные параметры. Модель идеального газа. Основное уравнение состояния идеального газа. Основные газовые законы. Молекулярно-кинетический смысл абсолютной температуры.
Лекция 12. Некоторые вопросы статистической физики 22
Распределение энергии по степеням свободы. Вероятность и флюктуации. Распределение молекул /частиц/ по абсолютным значениям скорости. Распределение Максвелла. Скорости теплового движения частиц. Средняя длина свободного пробега молекул. Распределение Больцмана. Барометрическая формула. Внутренняя энергия и теплоемкости идеального газа. Классическая теория теплоемкостей.
Лекция 13. Элементы термодинамики 35
Обратимые, необратимые и круговые тепловые процессы. Первое начало термодинамики и его применение к изопроцессам в идеальных газах. Цикл Карно. Максимальный КПД тепловой машины. Энтропия системы и её свойства. Определение изменения энтропии системы. Второе начало термодинамики. Термодинамические потенциалы. Третье начало термодинамики. Применения термодинамики.
Лекция 14. Элементы неравновесной термодинамики 55
Термодинамика неравновесных процессов. Закон сохранения массы в термодинамике неравновесных процессов. Закон сохранения импульса в термодинамике неравновесных процессов. Закон сохранения энергии в термодинамике неравновесных процессов. Уравнение баланса энтропии.
Лекция 15. Реальные газы. Фазовые равновесия и превращения 61
Реальные газы. Молекулярные силы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы Ван-дер-Ваальса и экспериментальные изотермы реальных газов. Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля-Томсона. Фазы и фазовые превращения. Условия равновесия фаз. Фазовые диаграммы. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Метастабильные состояния. Критическая точка. Тройная точка. Фазовые переходы 1-го и 2-го рода.
Лекция 16. Кинетические явления (явления переноса) 85
Понятие о физической кинетике. Диффузия, теплопроводность в газах, жидкостях и твердых телах. Коэффициенты диффузии и теплопроводности. Вязкость жидкостей и газов. Коэффициент вязкости жидкостей и газов. Динамическая и кинематическая вязкости.
Лекция 17. Элементы механики сплошных сред 91
Общие свойства жидкостей и газов. Кинематическое описание движения жидкости. Идеальная и вязкая жидкости. Гидростатика несжимаемой жидкости. Стационарное движение идеальной жидкости. Уравнение Бернулли. Гидродинамика вязкой жидкости. Силы внутреннего трения. Коэффициент вязкости. Стационарное течение вязкой жидкости. Уравнение неразрывности. Формула Пуазейля. Формула Стокса. Кинематика и динамика газов. Идеально упругое тело. Упругие деформации и напряжения. Закон Гука. Пластические деформации. Предел прочности.
Библиографический список 134
От авторов
Настоящее пособие составлено по материалам, наработанным авторами в процессе чтения лекций по общей физике студентам инженерно-технических специальностей, с относительно малым объемом аудиторных занятий, на протяжении длительного промежутка времени.
Наличие у студентов инженерно-технических специальностей данного конспекта лекций позволит им и лектору более эффективно использовать лекционное время, уделить больше внимания трудным для понимания вопросам, облегчить студентам процесс подготовки к экзамену.
Особо нуждаются в таком пособии, на наш взгляд, студенты заочной, ускоренной и дистанционной форм обучения, которые, приступая к изучению физики, имеют недостаточные навыки адекватного восприятия физических понятий, определений и законов.
Изложение материала в данной работе предусматривает знание студентами физики и математики в объеме школьной программы, поэтому многие понятия в нем не раскрываются в подробностях, а используются как достаточно известные.
Предполагается также, что студенты уже изучили или изучают параллельно читаемому курсу физики соответствующий математический аппарат (дифференциальное и интегральное исчисление, анализ функций, векторную алгебру, ряды), что освобождает нас от необходимости специального рассмотрения аппарата высшей математики.
Особенностью пособия является то, что, материал представлен в нем в определенной, не традиционной, последовательности, содержит необходимые рисунки и пояснения.
Пособие может быть использовано аспирантами и преподавателями, имеющими недостаточный опыт работы в вузе.
Авторы будут благодарны всем, кто внимательно просмотрит данное пособие и выскажет определенные замечания по существу. Кроме того, они постараются учесть все рациональные замечания со стороны коллег-физиков, аспирантов, студентов и внести соответствующие исправления и дополнения.
Молекулярная физика и термодинамика
Лекция 11. Молекулярно-кинетическая теория строения вещества.
Молекулярная физика и термодинамика. Основные положения и понятия. Динамические и статистические закономерности в физике. Статистический и термодинамический методы исследования. Макроскопическое состояние. Термодинамические функции состояния. Уравнение состояния. Внутренняя энергия. Интенсивные и экстенсивные параметры. Модель идеального газа. Основное уравнение состояния идеального газа. Основные газовые законы. Молекулярно-кинетический смысл абсолютной температуры.
Молекулярная физика и термодинамика. Основные положения и понятия. Динамические и статистические закономерности. Статистический и термодинамический методы исследования
Молекулярная физика представляет собой раздел физики, в котором изучаются физические свойства и строение вещества в различных агрегатных состояниях, на основе их микроскопического (молекулярного) строения.
В ней рассматриваются:
а) строение и свойства вещества, их изменение под влиянием внешних факторов (давления, температуры, электрического и магнитного полей);
б) явления переноса (диффузия, теплопроводность, внутреннее трение);
в) фазовое равновесие и процессы фазовых переходов (кристаллизация и плавление, испарение и конденсация и др.);
г) критическое состояние вещества;
д) поверхностные явления на границе раздела различных фаз.
В основе молекулярной физики лежит молекулярно-кинетическая теория строения вещества, согласно которой все тела состоят из большого числа мельчайших частиц (молекул и атомов), находящихся в непрерывном хаотическом движении, называемом тепловым движением.
Движение каждой молекулы в отдельности подчиняется законам механики. В механике движение тела однозначно определяется заданными начальными условиями и силами, действующими на тело во время его движения. Зная все эти величины, можно вычислить положение молекул (тела) в любой момент времени, определить результат взаимодействия ее с другими молекулами (телами) и т.д. Такие явления описываются динамическими закономерностями.
В молекулярной физике хаотическое движение совокупности молекул качественно отличается от механического движения и подчиняется статистическим закономерностям. Поэтому в молекулярно-кинетической теории количественные закономерности устанавливают статистическим методом, в котором рассматриваются лишь средние значения величин, характеризующих данную совокупность молекул, т.е. пользуются статистическими закономерностями. В статистической физике, рассматривается конкретная молекулярная модель и к ней, применяются математические методы статистики, основанные на теории вероятностей.
Статистические закономерности, в отличие от динамических закономерностей, не определяются начальными условиями.
Одним из понятий статистической физики является вероятность. Под вероятностью понимается предел, к которому стремится относительная частота появления некоторого события при достаточно большом, стремящемся к бесконечности числе повторений опыта при неизменных внешних условиях.
Если при N опытах n раз получено определенное событие, то вероятность этого события w = n/N. Величина вероятности w испытывает лишь небольшое отклонение от некоторого значения при любых, достаточно больших значениях числа опытов N.
Статистические закономерности (законы статистической физики) выражают такие же объективные соотношения в природе, как и соотношения, определяемые динамическими закономерностями.
Термодинамика - наука о наиболее общих свойствах макроскопических физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями.
Термодинамика исследует условия превращения энергии из одного вида в другой и характеризует их с количественной стороны. В ее основе лежат фундаментальные законы (начала), установленные путем обобщения огромного числа опытных фактов.
В отличие от молекулярно-кинетической теории термодинамика не рассматривает микроскопическое строение вещества, а выявляет связи между его макроскопическими свойствами в различных условиях.
Молекулярно-кинетическая теория и термодинамика взаимосвязаны и, дополняя друг друга, позволяют подходить к изучению физических свойств вещества с различных точек зрения. Например, термодинамика устанавливает количественную зависимость между температурой кипения жидкости и внешним давлением, но не раскрывает ее "механизма". Объяснить его может только молекулярно-кинетическая теория, рассматривающая связь между свойствами вещества и его молекулярным строением.
Основными понятиями молекулярной физики и термодинамики являются:
а) молекула - наименьшая часть вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями;
б) атом - часть вещества микроскопических размеров (микрочастица), наименьшая частица химического элемента, обладающая его свойствами. В случае одноатомных молекул, например молекул инертных газов, понятия молекула и атом совпадают. Атом, в свою очередь, состоит из сравнительно тяжелого положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Число электронов в оболочке атома равно заряду атома и соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Ядра различных атомов отличаются одно от другого, тогда как электроны у них одинаковы. Элементарные частицы, образующие атом, обладают особыми так называемыми квантовыми свойствами и подчиняются законам не классической, а квантовой механики. Атомы в разных сочетаниях входят в состав молекул разных веществ;
в) относительная атомная масса - отношение массы данного атома к 1/12 массы изотопа углерода с массовым числом 12 (12С). Если брать химически простые вещества в таких количествах, чтобы отношение их масс было бы такое же как и отношение их относительных масс, то они будут содержать одинаковое число атомов;
г) относительная молекулярная масса - отношение массы данной молекулы к 1/12 массы атома 12С. Следовательно, в любых веществах, взятых в таких количествах, что отношение их масс такое же, как и отношение их относительных молекулярных масс, будет содержаться одинаковое число молекул;
д) моль - единица количества вещества. Моль - количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (атомов, молекул, ионов, электронов и других частиц или специфицированных групп частиц), сколько содержится атомов в изотопе (нуклиде) углерода 12С массой 0,012 кг;
е) киломоль - 1 кмоль = 103 моль;
ж) число Авогадро - число атомов или молекул в моле любого вещества
(NА = 6,02×1023 моль-1);
з) молярная масса - масса вещества, взятого в количестве одного моля
m = m0×NА.
Молярная масса имеет разное значение для каждого вещества, но всегда содержит одинаковое число молекул. Молярная масса веществ, состоящих из одноатомных молекул, содержит одинаковое число атомов и ее, в этом случае, называют атомной массой;
и) интенсивные параметры. В термодинамике, параметры (давление, температура, концентрация и др.), не зависящие от массы системы, т.е. имеющие одинаковые значения для любой макроскопической части однородной термодинамической системы, находящейся в равновесии;
к) экстенсивные параметры. В термодинамике, параметры (объем, внутренняя энергия, энтропия и др.), значения, которых пропорциональны массе термодинамической системы или ее объему. Значение экстенсивных параметров системы равно сумме его значений для отдельных частей системы;
л) равновесное состояние системы - такое состояние системы, при котором в отсутствии внешних воздействий, т.е. в изолированной системе, все параметры системы приобретают определенные значения. Равновесное значение параметра состояния системы определяется как среднее значение параметра за весьма большой, стремящийся к бесконечности промежуток времени;
м) время релаксации - время, в течение которого система приходит в равновесное состояние. Время релаксации весьма различно для различных систем;
н) неравновесное состояние. В термодинамике такое состояние системы, выведенной из состояния термодинамического равновесия (в статистической физике - из состояния статистического равновесия). В системе, находящейся в неравновесном состоянии, происходят необратимые процессы, которые стремятся вернуть систему в состояние термодинамического (или статистического) равновесия, если нет препятствующих этому факторов - отвода (или подвода) энергии или вещества из системы (в систему). В противном случае возможно стационарное неравновесное состояние (не изменяющееся со временем). Неравновесное состояние системы изучаются термодинамикой и статистической теорией (физической кинетикой) неравновесных процессов;
н) процесс. Это любое изменение в термодинамической (статистической) системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее параметров состояния. Процесс называется обратимым, если возможно осуществить обратный переход системы из конечного в начальное состояние через те же промежуточные состояния так, чтобы не осталось никаких изменений в окружающей систему среде. Если же такой обратный переход осуществить нельзя, или если по окончании процесса в окружающей среде или в самой системе произошли какие-либо изменения, то такой процесс называется необратимым. К необратимым процессам относятся: любой процесс, сопровождаемый трением; все процессы, сопровождающиеся теплопередачей от нагретого тела к менее нагретому телу; процессы расширения газов. Равновесным процессом называют такой, который состоит из ряда следующих друг за другом равновесных состояний. Параметры двух таких соседних состояний отличаются на бесконечно малую величину. Равновесным процессом может быть только бесконечно медленным процессом, чтобы в любой момент времени существовало равновесное состояние во всех частях системы. Всякий процесс, протекающий с конечной скоростью, вызывающий изменение (появление конечных градиентов) параметров состояния системы называется неравновесным.