Книга: Кириченко Н.А. «Термодинамика, статистическая и молекулярная физика

Другие книги схожей тематики:

См. также в других словарях:

Молекулярная физика раздел физики, который изучает физические свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного строения. Задачи молекулярной физики решаются методами физической статистики, термодинамики и физической кинетики, они… … Википедия

Раздел физики, изучающий физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения. Из молекулярной физики выделились в самостоятельные разделы физика твёрдого тела, физическая кинетика, физическая … Энциклопедический словарь

Краткий отрывок из начала книги (машинное распознавание)

Н. А. КИРИЧЕНКО
ТЕРМОДИНАМИКА,
СТАТИСТИЧЕСКАЯ И
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
Москва
Физматкиига
2005
ББК 22.2
К 43
УДК 530Л @75.8)
К 43 КИРИЧЕНКО II. А. Термодинамика, статистическая и молекулярная физика/
Учебное пособие. 3-е изд. - М.: Физматкнига, 2005. - 176 с. ISBN 5-89155-130-6
Приведены основные определения и формулы термодинамики, статистической и молеку-
молекулярной физики, изучаемые в курсе общей физики во втором семестре. Пособие подготовлено
на основе лекций, читавшихся автором в Московском физико-техническом институте, и пред-
предназначено для студентов первых курсов, изучающих данный предмет, а также для студентов
старших курсов и преподавателей в качестве справочного материала.
Кириченко Николай Александрович
ТЕРМОДИНАМИКА, СТАТИСТИЧЕСКАЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
Верстка //. О. Рыжков
Редактор М Ю. Лешуков
Художник #. Я. Казанский
Подписано в печать 25.04.2005. Формат 60x90/16
Печать офсетная. Усл. печ. л. 11. Уч.-изд. л. 11.4
Тираж 1000 экз. Заказ N° 902
Издательство «Физматкнига»
141700, г. Долгопрудный Московской области, Институтский пер., 66
Тел./факс: @95) 408-76-81,409-93-28
E-mail: [email protected]
Интернет-магазин литературы по фундаментальным и прикладным наукам
WWW.FIZMATKNIGA.Rl)
Отпечатано в ППП «Типография «Наука» АИЦ «Наука» РАИ
121099, Г-99, Москва, Шубинский пер., 6
ISBN 5-89155-I30-6
9*78
58 1И551
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 7
Глава 1. Термодинамика 8
1.1. Основные определения 8
1.1.1. Система (8). 1.1.2. Классические и квантовые систе-
системы (8). 1.1.3. Подсистема (9). 1.1.4. Микроскопическое и ма-
макроскопическое состояния (9). 1.1.5. Термодинамическое равно-
равновесие (9). 1.1.6. Стационарное состояние A0). 1.1.7. Релакса-
Релаксация A0). 1.1.8. Квазистатический (равновесный) процесс A0).
1.1.9. Обратимые и необратимые процессы A1). 1.1.10. Круговой
процесс (цикл) A1). 1.1.11. Идеальный газ A2). 1.1.12. Темпе-
Температура A2). 1.1.13. Число Авогадро A2). 1.1.14. Молекулярно-
кинетический смысл температуры A2). 1.1.15. Уравнение состо-
состояния A3). 1.1.16. Уравнение состояния упругого стержня A5).
1.1.17. Функция состояния A6).
1.2. Первое начало термодинамики 16
1.2.1. Работа в квазистатическом процессе A6). 1.2.2. Адиабати-
Адиабатическая оболочка A7). 1.2.3. Внутренняя энергия A8). 1.2.4. Теп-
Теплота A8). 1.2.5. Первое начало термодинамики A8). 1.2.6. Теп-
Теплоемкость A8). 1.2.7. Внутренняя энергия идеального газа A9).
1.2.8. Соотношение Майера A9). 1.2.9. Адиабатический про-
процесс B0). 1.2.10. Политропический процесс B0). 1.2.11. Ско-
Скорость звука в газах и жидкостях B1). 1.2.12. Истечение газа из
отверстия B1).
1.3. Второе начало термодинамики 23
1.3.1. Тепловая машина B3). 1.3.2. Формулировки Клаузиуса
и Томсона (Кельвина) B3). 1.3.3. Цикл Карно B4). 1.3.4. Ко-
Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых машин B4).
1.3.5. Теоремы Карно A824 г.) B5). 1.3.6. КПД машины Кар-
Карно B6). 1.3.7. Термодинамическая шкала температур B7).
1.3.8. Неравенство Клаузиуса B8). 1.3.9. Энтропия C0).
1.3.10. Закон возрастания энтропии C1). 1.3.11. Объединенная
запись первого и второго начал термодинамики C1). 1.3.12. Эн-
Энтропия идеального газа C1). 1.3.13. Расширение идеального газа
в пустоту C1). 1.3.14. Парадокс Гиббса (парадокс смешения га-
газов) C2). 1.3.15. Холодильные машины C2).
1.4. Термодинамические потенциалы (функции) 34
1.4.1. Основные термодинамические потенциалы C4). 1.4.2. Со-
Соотношения Максвелла (взаимности) C6). 1.4.3. Производная
(&U/dV)T C6). 1.4.4. Уравнение состояния и энтропия излуче-
излучения C7). 1.4.5. Разность CF - Су C7). 1.4.6. Связь адиабати-
адиабатической и изотермической сжимаемостей C8). 1.4.7. Уравнения
Гиббса-Гельмгольца C8). 1.4.8. Энергия упругой деформации
стержня C9). 1.4.9. Максимальная работа C9).
1.5. Условия термодинамической устойчивости 41
1.5.1. Термодинамические неравенства D1). 1.5.2. Смысл уело*
вий устойчивости D3).
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 2. Принципы статистической физики 44
2.1. Некоторые сведения из теории вероятностей 44
2.1.1. Комбинаторные формулы D4). 2.1.2. Формула Стирлин-
га и гамма-функция D5). 2.1.3. Вероятности и средние значе-
значения D6). 2.1.4. Биномиальное распределение E0). 2.1.5. Рас-
Распределение Пуассона E2). 2.1.6. Распределение Гаусса E3).
2.2. Распределение Больцмана 55
2.3. Распределение Максвелла 57
2.3.1. Гипотеза молекулярного хаоса E7). 2.3.2. Первый вывод
распределения Максвелла E8). 2.3.3. Второй вывод распреде-
распределения Максвелла F0). 2.3.4. Распределение по абсолютной ве-
величине скорости F1). 2.3.5. Распределение по энергиям F2).
2.3.6. Средние значения для идеального газа F2). 2.3.7. Ско-
Скорость звука F3). 2.3.8. Распределение Максвелла для N ча-
частиц F3). 2.3.9. Среднее число ударов молекул о стенку F5).
2.4. Распределение Максвелла-Больцмана 66
2.5. Принципы статистической механики 67
2.5.1. Микро- и макросостояния F7). 2.5.2. Фазовое простран-
пространство системы F7). 2.0.3. Постулаты F7). 2.5.4. Статистический
вес макросостояния F7). 2.5.5. Эргодическая гипотеза F9).
2.5.6. Фазовое пространство для одной частицы G0).
2.6. Распределение Гиббса 70
2.7. Статистическая сумма 73
2.7.1. Определение статистической суммы G3). 2.7.2. Статисти-
Статистическая сумма и средние величины G4). 2.7.3. Статистическая
сумма для распределений Больцмана и Максвелла G4).
2.8. Энтропия 76
2.8.1. Энтропия и статистический вес G6). 2.8.2. Аддитивность
энтропии G6). 2.8.3. Закон возрастания энтропии G7).
2.9. Статистическая температура 77
2.10. Энтропия и второе начало термодинамики 79
2.11. Энтропия идеального одноатомного газа 80
2.12. Статистическая сумма и свободная энергия 82
2.13. Третье начало термодинамики (теорема Нернста) 84
2.14. Парадоксы статистической физики и проблема обоснова-
обоснования термодинамики 85
Глава 3. Теория теплоемкости 89
3.1. Теорема о равнораспределении энергии по степеням свобо-
свободы 89
3.1.1. Средняя поступательная энергия молекулы (89).
3.1.2. Средняя вращательная энергия молекулы (89). 3.1.3. Ко-
Колебательная энергия двухатомной молекулы (90). 3.1.4. Много-
Многоатомная молекула (91). 3.1.5. Средняя потенциальная энергия
при ангармоническом взаимодействии атомов в молекуле (92).
3.1.6. Макроскопическое тело (93).
3.2. Закон Дюлонга-Пти 95
3.3. Квантовая теория теплоемкости 96
ОГЛАВЛЕНИЕ 5
Глава 4. Флуктуации 100
4.1. Определения 100
4.2. Флуктуации числа частиц идеального газа 101
4.3. Флуктуации объема 102
4.4. Флуктуации температуры в заданном объеме 103
4.5. Зависимость флуктуации от числа частиц 104
4.6. Термодинамическая теория флуктуации 105
4.7. Влияние флуктуации на точность измерений 108
4,7.1. Пружинные весы A08). 4.7.2. Газовый термометр A09).
4.8. Тепловое расширение твердых тел 110
Глава 5. Процессы переноса в газах 112
5.1. Длина свободного пробега 112
5.1.1. Газокинетическое сечение молекулы A12). 5.1.2. Длина
свободного пробега A12). 5.1.3. Частота столкновений молекул
газа A13). 5.1.4. Формула Сазерленда A14). 5.1.5. Ослабление
потока частиц в газе A15). 5.1.6. Распределение молекул по
длинам свободного пробега A15).
5.2. Диффузия 116
5.2.1. Определения. Закон Фика A16). 5.2.2. Самодиффу-
Самодиффузия A17).
5.3. Теплопроводность 117
5.3.1. Определения. Закон Фурье A17).
5.4. Вязкость 118
5.5. Коэффициенты переноса 118
5.6. Уравнения диффузии и теплопроводности 120
5.6.1. Уравнение диффузии A20). 5.6.2. Уравнение теплопро-
теплопроводности A22). 5.6.3. Примеры решения уравнения теплопро-
теплопроводности A23).
5.7. Броуновское движение 125
5.7.1. Закон Эйнштейна-Смолуховского A25). 5.7.2. Связь по-
подвижности и коэффициента диффузии A26). 5.7.3. Броуновское
движение как случайные блуждания A26). 5.7.4. Скорость диф-
диффузии и теплопроводности A29). 5.7.5. Звук как адиабатический
процесс A29).
5.8. Эффузия разреженного газа 130
5.8.1. Эффект Кнудсена A30). 5.8.2. Эффузионное разделение
газовых смесей A31). 5.8.3. Свободное молекулярное течение
газа через трубу A32).
Глава 6. Фазовые переходы 134
6.1. Фазы и фазовое равновесие 134
6.1.1. Фаза и фазовый переход A34). 6.1.2. Экстенсивные и ин-
интенсивные величины A34). 6.1.3. Химический потенциал A34).
6.1.4. Условия равновесия фаз A35).
6.2. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса 136
6.2.1. Кривая фазового равновесия A36). 6.2.2. Кривая фазо-
фазового равновесия «жидкость- пар» A37). 6.2.3. Изотермическое
испарение жидкости в вакуум A38). 6.2.4. Теплоемкость насы-
насыщенного пара A39).
ОГЛАВЛЕНИЕ
6.3. Критическая точка 140
6.4. Тройная точка 141
6.5. Многокомпонентные системы. Правило фаз 143
6.6. Фазовые переходы первого и второго рода 145
6.6.1. Фазовые переходы первого рода A45). 6.6.2. Фазовые
переходы второго рода A45). 6.6.3. Фазовая диаграмма ге-
гелия A46).
67. Неидеальные газы 147
6.7.1. Уравнение Ван-дер-Ваальса A47). 6.7.2. Другие
уравнения состояния A48). 6.7.3. Изотермы газа Ван-
дер-Ваальса A49). 6.7.4. Приведенное уравнение Ван-
дер-Ваальса A50). 6.7.5. Равновесие фаз газа Ван-дер-
Ваальса A50). 6.7.6. Правило Максвелла A52). 6.7.7. О хими-
химическом потенциале газа Ван-дер-Ваальса A54). 6.7.8. Внутрен-
Внутренняя энергия и энтропия газа Ван-дер-Ваальса A54). 6.7.9. Сво-
Свободное расширение газа в вакуум A55).
6.8. Эффект Джоуля-Томсона 156
6.8.1. Дросселирование газа A56). 6.8.2. Дифференциальный
эффект Джоуля-Томсона A57). 6.8.3. Интегральный эффект
Джоуля-Томсона A58). 6.8.4. О механизмах эффекта Джоуля-
Томсона A60). 6.8.5. Изменение энтропии при дросселирова-
дросселировании A60). 6.8.6. Равновесное адиабатическое расширение га-
газа A60).
6.9. Газ Ван-дер-Ваальса вблизи критической точки 161
6.9.1. Теплота фазового перехода газа Ван-дер-Ваальса A61).
6.9.2. Теплоемкость газа Ван-дер-Ваальса A62). 6.9.3. Флукту-
Флуктуации плотности A63).
Глава 7. Поверхностные явления 166
7.1. Поверхностное натяжение 166
7.1.1. Поверхностная энергия A66). 7.1.2. Коэффициент поверх-
поверхностного натяжения A66). 7.1.3. Силы на границе раздела трех
сред A67).
7.2. Термодинамика поверхности 169
7.2.1. Формулировки первого и второго начал термодина-
термодинамики A69). 7.2.2. Внутренняя энергия поверхности A69).
7.2.3. Изотермическая теплота образования поверхности A69).
7.3. Формула Лапласа 170
7.4. Давление насыщенного пара над кривой поверхностью... 171
7.5. Кипение 173
7.5.1. Зависимость температуры кипения от давления A73).
7.5.2. Критический размер пузырька пара в жидкости A74).
Некоторые физические константы 176
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемая книга основана на лекциях по общей физике, читавшихся
автором студентам первого курса МФТИ. В ней кратко, но вместе с тем
достаточно полно, излагаются основные вопросы термодинамики, стати-
статистической и молекулярной физики, включенные в программу курса. За-
Затронуто также небольшое число вопросов, выходящих за рамки обычной
программы, но представляющих, по мнению автора, особый интрес. Прак-
Практически для всех основных соотношений приводится подробный вывод.
Ввиду ограниченности объема книги в ней почти не обсуждаются кон-
конкретные эксперименты. По сравнению с предыдущим, 2-м изданием (М:
МФТИ, 2004), внесены исправления и уточнения, а также сделан целый
ряд дополнений, развивающих те или иные положения общей теории.
Пособие может быть полезным студентам при подготовке к семестро-
вомоу и заключительному экзаменам по общей физике, а также как спра-
справочный материал студентам старших курсов и преподавателям.
Для более подробного изучения предмета можно рекомендовать ли-
литературу . Полезной будет также книга }