3. 2. Рекомендации к самостоятельной работе студентов по разделу 2. Основы физикИ макросистем.

Молекулярно-кинетическая теория является важнейшей теорией, которая позволяет с единой точки зрения рассмотреть огромное количество самых различных явлений во всех состояниях вещества, вскрыть физическую сущность этих явлений и теорети­ческим путем вывести многочисленные закономерности открытые экспериментально и имеющие большое практическое значение.

Молекулярная фи­зика и термодинамика — разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул.

Молекулярная физика — раздел физи­ки, изучающий строение и свойства ве­щества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении.

Термодинамика — раздел физики, изу­чающий общие свойства макроскопиче­ских систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и про­цессы перехода между этими состояниями. Термодинамика не рассматривает микро­процессы, которые лежат в основе этих превращений.

При изучении темы 6.1 рекомендуется проработать § 41-43, 60-62 [3] и методическое пособие «Учимся самостоятельно: Реальные газы», Цветкова Е.В.-Мариуполь:ПГТУ,-2002.

Необходимо рассмотреть опытное обоснование молекулярно-кинетической теории. Необходимо ознакомиться с термодинамическим и статисти­ческим (молекулярно-кинетическим) методом изучения макроско­пических тел и соотношения между этими методами.

Нужно обратить особое внимание на то, что при выводе ос­новного уравнения молекулярно-кинетической теории газов при­меняется статистический метод. Надо знать молекулярно-кинетическое толкование давления и температуры.

Следует хорошо понять, при каких условиях и почему отсту­пление от законов идеального газа становится существенным; про­анализировать изотермы Ван-дер-Ваальса и отметить, каким со­стояниям вещества соответствуют участки кривых, обратив внима­ние на критическое состояние.

Необходимо рассмотреть характер зависимости межмолеку­лярных сил от расстояния и их роль в объяснении эффекта Джоуля-Томсона.

При изучении темы 6.2 рекомендуется проработать §82-90 ,104-108 [1] или §50-59 [3].

Следует ознакомиться с историей развития взглядов на природу теплоты, обоснованием закона сохранения и превращения энергии. Эти вопросы представляют одну из интерес­нейших страниц в истории физики.

Необходимо уяснить, что внутренняя энергия системы явля­ется функцией состояния; усвоить формулировку первого начала термодинамики; дать аналитическое выражение и уметь применять его к различным изопроцессам. Необходимо знать графическое представление работы, совершаемой газом при различных процес­сах.

Изучая вопрос о теоретическом выводе формулы теплоемко­сти газов, следует обратить внимание на то, что в его основе лежит понятие о числе степеней свободы и закон равномерного распреде­ления энергии по степеням свободы, который является приближен­ным. Поэтому вывод о том, что теплоемкости газов не зависят от температуры, оказывается верным только для средних температур. Правильное качественное и количественное толкование экспери­ментальных данных по измерению теплоемкости в широком интер­вале температур возможно только на основе квантовой теории теплоемкостей.

Следует четко уяснить понятие прямых и обратных, круговых, необратимых и обратимых процессов, рассмотреть цикл тепловой машины Карно и её к.п.д. Второе начало термодинамики указывает на направление протека­ния процессов.

Особенно важно знать статистический смысл второго начала термодинамики, понятие энтропии и существование флюктуации. Следует обратить внимание на то, что энтропия, как и энергия, яв­ляется однозначной функцией состояния.

При изучении темы 6.3 рекомендуется проработать §128-132 [1] или §48 [2]. При этом ответьте для себя на следующие вопросы:

Особое внимание необходимо обратить на явления переноса, которые лежат в основе большинства технологических процессов, и подробно ознакомиться с выводом формулы хотя бы одного из коэффициентов переноса.

При изучении темы 6.4 рекомендуется проработать методические пособия «Учимся самостоятельно: Основы статистической физики ч.1. Статистика Максвелла-Больцмана», Цветкова Е.В.-Мариуполь:ПГТУ,-2003. и «Учимся самостоятельно: Основы статистической физики, ч.2. Статистики квантовых систем», Цветкова Е.В.,-Мариуполь: ПГТУ,-2003,28с. и § 48,49, 51-59, 93-102[1] или §44-45 и 234-236 [3].

Следует четко уяснить смысл максвелловского распределе­ния молекул по скоростям и его зависимость от температуры, об­стоятельно проанализировать вопрос о распределении частиц в потенциальном поле (распределение Больцмана), научиться приме­нять барометрическую формулу для решения различных физиче­ских задач (определение числа Авогадро).

При изучении темы 6.5 рекомендуется проработать §238-250 [3].

Элементы зонной теории твердых тел. Необходимо обратить внимание на то, что энергетические состояния электронов определяются не только их взаимодействием с ядром своего атома, но и электрическим полем решетки, что приводит к расщеплению энергетических уровней электронов и образованию зон разрешенных и запрещенных значений энергии. Согласно принципу Паули энергетические уровни обладают ограниченной вместимостью.

Задачей зонной теории твердого тела является объяснение электрических, фотоэлектрических, магнитных и вообще макро­скопических свойств твердого тела с точки зрения строения кристалла вообще, т.е. речь идет о раскрытии микроскопического механизма макроскопических процессов. В основе зонной теории твердого тела лежат идеи о самосогласованном поле и периодическом характере силового поля, в котором движется каждый отдельный электрон. Самосогласованное поле представляет собой такое эффективное стационарное поле, которое характеризуется определенным образом усредненным пространственным распределением заряда всех электронов системы, в котором каждый электрон уже движется независимо от остальных, а силовое поле отражает в себе периодическую структуру решетки.

Необходимо обратить внимание на то, что по расположению зоны проводимости относительно валентной зоны можно судить о принадлежности твердого тела к проводникам, диэлектрикам или полупроводникам.

Следует четко уяснить, что понятие зоны введено только для того, чтобы подчеркнуть, что те или иные электроны (данной зоны) обладают энергией, лежащей в определенных пределах. Когда мы говорим, что электрон расположен в какой-то зоне, то под этим подразумеваем только его энергетическое состояние, запас энер­гии, которым обладает этот электрон, а не геометрическое его рас­положение в теле.

Металлы. Электроны проводимости в металле подчиняют­ся принципу Паули и квантовой статистике Ферми-Дирака, а не классической статистике.. Совокупность электронов можно рас­смотреть в первом приближении как идеальный квантовый газ. Следует обратить внимание на изменение распре­деления Ферми в результате теплового возбуждения. Ввести поня­тие вырождения как практической независимости энергии и давле­ния электронного газа от температуры. Вопросы квантовой теории электропроводности и контактных явлений сле­дует рассмотреть с качественной стороны. Здесь важно обратить внимание на роль тепловых колебаний в кристаллической решетке, дефектов и примесей в создании электрического сопротивления.

Полупроводники. Необходимо познакомиться с основны­ми типами полупроводниковых материалов. Обратить внимание на возникновение примесных энергетических уровней (донорных и акцепторных) и механизм проводимости в этих случаях. Необхо­димо рассмотреть выпрямляющее действие контакта полупроводников разного типа проводимости, обратить внимание на технические применения полупроводников.