Вопросы к билетам:

1. Молекулярно-кинетические представления о строении вещества. Масса и размеры молекул. Состояние системы, процессы.

2. Параметры газа. Основное уравнение кинетической теории газов.

3. Идеальный газ. Изопроцессы. Газовые законы.

4. Уравнение состояния идеального газа, его связь с уравнением кинетической теории газов.

5. Функция распределения молекул по высоте (барометрическая формула).

6. Функция распределения молекул по скоростям (распределение Максвелла).

7. Число степеней свободы. Внутренняя энергия газа.

8. Столкновение молекул, средняя длина свободного пробега.

9. Явление переноса в газах. Уравнение переноса.

10. Теплопроводность газов. Уравнение Фурье.

11. Диффузия в газах. Уравнение Фика.

12. Вязкость в газах. Уравнения Ньютона.

13. Вязкость жидкости. Закон Пуазейля. Закон Стокса. Внутреннее давление в жидкости.

14. Термодинамические параметры. Работа и теплота. Первое начало термодинамики.

15. Теплоемкость идеальных газов. Уравнение Майера.

16. Теплоемкость жидких и твердых тел. Закон Дюлонга-Пти.

17. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона.

18. Политропический процесс. Уравнение политропы.

19. Работа идеального газа при различных процессах.

20. Обратимые и необратимые процессы. Второе начало термодинамики. Цикл Карно.

21. Понятие об энтропии. Третье начало термодинамики.

22. Фазы и диаграммы состояний вещества. Критическая температура. Сжижение газов.

23. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса.

24. Особенности строения жидкости. Поверхностное натяжение. Свободная энергия поверхностного слоя.

25. Дополнительное давление под искривленной поверхностью жидкости. Формула Лапласа. Капиллярные явления.

26. Строение и основные характеристики твердых тел. Кристаллическая решетка.

27. Сублимация, плавление и кристаллизация твердых тел. Тройная точка.

28. Движение жидкости. Уравнение неразрывности.

29. Уравнение Бернулли.

30. Следствие из уравнения Бернулли.

Министерство образования и науки Украины

Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

кафедра общей физики

С.Н. Лапаева, Ю.М. Дубинянский, В.И. Шостка

Курс физики

Учебное пособие

под редакцией В.И. Шостки

Часть II

Молекулярная физика.

Термодинамика.

Симферополь - 2002

Введение

Молекулярная физика изучает свойства вещества, обусловленные его молекулярным строением, характером движения молекул и силами, действующими между ними. В основе молекулярной физики лежит молекулярно-кинетическая теория строения вещества.

Согласно этой теории все тела состоят из большого числа мельчайших частиц – атомов и молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении, называемом тепловым движением. Движение каждой молекулы в отдельности подчиняется законам механики, которые были рассмотрены в предыдущем курсе. Хаотическое движение большой совокупности молекул качественно отличается от простого механического движения. Оно подчиняется статистическим закономерностям.

Законы механики необходимы, чтобы понять закономерности движения молекул, но они не достаточны. Поэтому в молекулярно-кинетической теории количественные закономерности устанавливаются статистическим методом, в котором рассматриваются лишь усредненные значения величин, характеризующие совокупность молекул.

Многие физические свойства вещества могут изучаться также и термодинамическим методом. Термодинамика исследует условия превращения энергии из одного вида в другой и характеризует их с количественной стороны. В ее основе лежат фундаментальные начала, установленные путем обобщения огромного числа опытных фактов.

Термодинамика выявляет связи микроскопического строения вещества с 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.

Еще в древние времена было высказано предположение, что тела, кажущиеся сплошными, состоят из мельчайших невидимых глазом частичек. Демокрит (V в. до н.э.) назвал их атомами (неделимыми). В средние века от атомистических представлений отказались. Вплоть до середины XIX в. в объяснении тепловых явлений господствующее положение принадлежало теории теплорода – невидимого вещества, которое при нагревании тела входит в него, а при охлаждении выходит. Исследованиями Р. Майера, Д, Дисоуля и других физиков была доказана полная несостоятельность теории теплорода. Однако часть терминов сохранилась до сих пор. Например, количество теплоты, теплопроводность, теплоемкость и т.д. Возрождение атомистических представлений связано с возникновением основ современного естествознания. Уже в XVII в. Р. Батль, И. Ньютон и многие другие ученые высказывали отдельные соображения об атомном строении вещества. К середине XVIII в. относятся и работы великого русского ученого М.В. Ломоносова, которыми он по существу заложил основы современной молекулярно-кинетической теории. Ломоносов впервые ввел деление частиц на атомы и молекулы. Он объяснил физическую сущность закона Бойля-Мариотта, а также отклонения от этого закона для сильно сжатых газов. Он впервые объяснил природу теплоты и т.д. Развитая Ломоносовым молекулярно-кинетическая теория получила признание лишь спустя 100 лет, когда появились работы Р. Клазиуса, Д. Максвелла, Л. Больцмана и др. Практическим подтверждением молекулярно-кинетической теории послужили работы французского физика Ж. Перрена, исследовавшего в 1908 г. броуновское движение. Несколько позднее с помощью электронного микроскопа американские ученые Ритц и Бател из Мичиганского университета получили фотографии отдельных атомов и молекул при увеличении в 510⁸ раз.

В настоящее время уже никто не высказывает сомнений в справедливости молекулярно-кинетической теории. Ее основные положения:

1. Все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов и молекул.

Молекула – это наименьшая частица вещества, сохраняющая его свойства. Молекулы, образующие данное вещество, одинаковы. Молекулы состоят из атомов.

Атом – это наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами.

Атом, в свою очередь, состоит из сравнительно тяжелого положительно заряженного ядра и электронной оболочки. Число электронов в оболочке равно заряду атома и соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Ядра различных атомов отличаются одно от другого, в то же время как электроны – одинаковы.

Элементарные частицы, образующие атом, обладают особыми, так называемыми квантовыми свойствами и подчиняются законам квантовой механики. Атомы в различных сочетаниях входят в состав молекул разных веществ.

2. Между молекулами одновременно действуют как силы взаимного притяжения, так и силы отталкивания.

Равновесие сил отталкивания и притяжения наступает при минимуме потенциальной энергии.

3. Молекулы, образующие тела, находятся в состоянии беспорядочного непрерывного движения (осцилляций). Скорость движения молекул тем больше, чем выше температура тела. Температура – мера средней кинетической энергии молекул тела. Скорость движения молекул тела, определяющих кинетическую энергию, определяет тепловое состояние тела, величину его внутренней энергии. Поэтому хаотическое движение молекул называют тепловым.

Соотношение между средними значениями кинетической и потенциальной энергиями вещества определяет одно из агрегатных состояний:

- газообразное;

- жидкое;

- твердое.