Модуль 2. Основы термодинамики - Статистика
Учебные материалы


Модуль 2. Основы термодинамики - Статистика



Рабочая программа курса «Молекулярная физика»

Модуль 1. Основы молекулярной статистики

1. Предмет молекулярной физики и ее методы0,06 (2 ч).

Предмет молекулярной физики. Исходные определения и экспериментальные факты. Масштабы физических величин в молекулярном мире. Макросистема как совокупность частиц и как сплошная среда. Теоретические и экспериментальные методы изучения макросистем. Цели и задачи дисциплины.

Определения системы. Классификация систем. Микроскопические и макроскопические параметры молекулярного движения. Термодинамическое равновесие. Эволюция молекулярных систем. Порядок и хаос. Границы предметной области изучаемой дисциплины. Примеры самоорганизации в открытых системах. Исторический аспект развития молекулярной физики.

Принципы организации статистического и термодинамического методов изучения макросистем. Модель материального тела. Статистические закономерности. Термодинамические постулаты. Задачи молекулярной статистики и термодинамики.

2. Статистический подход к описанию молекулярных явлений 0,11 (4 ч).

2.1. Модели молекулярных систем и их вероятностное описание. Классические и квантовые модели молекулярных систем. Критерий применимости модели. Идеальные статистические системы. Модели идеального газа. Модели гармонического осциллятора. Модели идеального ротатора. Квантовая модель системы идеальных спинов.

Элементарные сведения из теории вероятностей. Аксиоматика теории вероятностей. Теоремы сложения и умножения вероятностей. Условие нормировки вероятностей. Процедура усреднения случайных величин. Расчет флуктуаций случайных величин.

Основные понятия молекулярной статистики: микроскопическое и макроскопическое состояния системы, статистический ансамбль, вероятность состояний, статистические постулаты.

2.2. Биноминальное распределение и его предельные случаи в описании молекулярных систем. Вывод закона Бернулли, анализ области его применимости. Количественные характеристики биномиального распределения. Графическое представление биномиального распределения. Предельные случаи биномиального распределения: распределение Гаусса и Пуассона. Флуктуации концентрации молекул. Явление эффузии.

3. Распределение Максвелла и Больцмана 0,17 (6 ч).

3.1. Распределение Максвелла. Распределение энергии в статической системе. Вывод распределения Максвелла (распределения молекул газа по абсолютным скоростям). Плотность вероятности и характерные скорости распределения Максвелла. Графическое представления распределения. Распределение Максвелла по компонентам скорости. Экспериментальная проверка закона Максвелла.

3.2. Микроскопическая теория и макроскопические измерения. Теория давления идеального газа. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Газовые законы. Уравнение эффузии. Измерение давления. Определение и измерение температуры. Термометры. Эмпирические шкалы температур. Шкала температур на основе свойств идеального газа. Термодинамическая шкала температур (шкала Кельвина).

3.3. Распределения Больцмана. Распределение молекул по энергиям во внешнем потенциальном поле. Формула Больцмана для концентрации молекул в потенциальном поле. Зависимость концентрации молекул газа от координат в однородном гравитационном поле и поле центробежных сил. Экспериментальное подтверждение распределения Больцмана (опыты Перрена). Барометрическая формула. Закон распределения Максвелла-Больцмана.

4. Теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы и её приложения 0,06 (2 ч).

Распределение средней энергии по степеням свободы статистической системы. Формулировка теоремы и её доказательство. Статистические степени свободы. Область применимости теоремы о равнораспределении. Броуновское движение и его статистическое описание. Броуновский критерий точности физических измерений.

Классическая теория теплоёмкости многоатомных газов и твердых тел (кристаллов). Экспериментальное исследование области её применимости. Характеристические температуры. Закон Дюлонга и Пти. Применение квантовых моделей в теории теплоёмкости твёрдых тел.

Модуль 2. Основы термодинамики

5. Термодинамический подход к описанию молекулярных явлений 0,06 (2 ч).

Четыре постулата термодинамики (общая характеристика). Нулевое (общее) начало термодинамики. Макроскопические процессы, их типология. Функция состояния. Внутренняя энергия системы. Макроскопическая работа и теплота. Калорическое и термическое уравнения состояния. Термические коэффициенты.

6. Первое начало термодинамики 0,06 (2 ч).

Формулировка и уравнение первого начала термодинамики. Теплоёмкость процесса. Связь между теплоёмкостями Ср и Сv (общий случай). Уравнение Майера. Политропические процессы в идеальном газе. Расчет теплоёмкости политропического процесса.

Работа цикла. Принципиальная схема работы тепловой машины. Двигатель и холодильная машина. Показатели эффективности тепловых машин.

7. Теоремы Карно и их приложения 0,06 (2 ч).

Цикл Карно, его коэффициент полезного действия. Теоремы Карно. Пять приложений теорем. Абсолютная термодинамическая шкала температур. Метод циклов. Неравенство Клаузиуса. Определение энтропии в термодинамике. Оценка эффективности тепловых машин сверху.

8. Второе начало термодинамики 0,06 (2 ч).

Вечный двигатель первого и второго рода. Различные формулировки второго начала. Энтропийная формулировка второго начала. Закон возрастания энтропии в изолированных системах. Область применимости второго начала термодинамики. Статистическая интерпретация второго начала термодинамики. Концепция тепловой смерти Вселенной. Энтропия и её изменение в различных процессах. Изменение энтропии в процессах самоорганизации открытых систем.

9.Термодинамические функции и условия равновесия 0,06 (2 ч).

Основное термодинамическое тождество. Термодинамические функции. Метод термодинамических потенциалов. Соотношения Максвелла и другие дифференциальные равенства. Условия термодинамической устойчивости макроскопических систем. Принцип Ле Шателье-Брауна. Проведение полного термодинамического анализа вещества на полуэмпирической основе. Третье начало термодинамики (теорема Нернста-Планка) и его следствия.


Последнее изменение этой страницы: 2018-09-09;


dommodels.ru 2018 год. Все права принадлежат их авторам! Главная