Основы молекулярной физики и термодинамики

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ

Литература

(рекомендуемая для изучения теоретического курса и решения задач)

1.  Савельев И. В. Курс общей физики, т.1. – М.: Наука, 1989

2.  Трофимова Т. И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1990

3.  Черных А. В. Основы молекулярной физики и термодинамики. Учебное пособие.

4.  Яворский Б. М., Детлаф А. А. Курс физики. — М.: Наука, 1989

5.  Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. М.: Наука, 1985

6.  Кабардин О. Ф. Физика. Справочные материалы. – М.: Просвещение, 1985

7.  Кухлинг Х. Справочник по физике. – М.: Мир, 1982

8.  Кошкин Н. И., Ширкевич М. Г. Справочник по элементарной физике. — М.: Наука, 1975

ТЕМА 1. Основы молекулярно-кинетической теории идеальных газов

·  уровень №1 – «удовлетворительно» (1 балл)

·  уровень №2- «хорошо» (2 балла)

·  уровень №3 –«отлично» (3 балла)

Уровень №3.

А. Вопросы по теории.

1.  Каковы основные положения термодинамического и молекулярно – кинетического (статистического) методов изучения макроскопических систем? Назовите основные параметры термодинамической системы.

2.  Дайте определение единицы вещества 1 моль. Сколько молекул содержится в моле любого вещества? Как можно рассчитать линейные размеры одной молекулы?

3.  Запишите уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева – Клапейрона). Каковы физический смысл, размерность и численное значение универсальной газовой постоянной R? Сформулируйте газовые законы.

4.  На чем основан вывод уравнения молекулярно – кинетической теории идеальных газов для давления? Сравните это уравнение с уравнением Менделеева – Клапейрона.

5.  Получите соотношения и . Каковы физический смысл, численное значение и единицы измерения постоянной Больцмана k?

6.  Каково содержание одного из основных положений статистической физики о равнораспределении энергии по степеням свободы? Считая, что средняя энергия молекулы идеального газа , получите выражение для внутренней энергии произвольной массы идеального газа: .

7.  При каких условиях выполняется закон Максвелла для распределения молекул газа по скоростям? Напишите аналитическое выражение этого закона и изобразите его графически.

8.  Получите соотношения для следующих скоростей молекул: а) наиболее вероятной; б) средней арифметической; в) средней квадратичной.

9.  Проанализируйте выражение зависимости атмосферного давления от высоты (барометрическая формула), считая температуру постоянной.

10.Исходя из барометрической формулы, получите выражение зависимости концентрации молекул от высоты. Сформулируйте закон распределения Больцмана.

11.Что называют длиной свободного пробега молекул? Что такое эффективный диаметр молекул газа? Какова связь между длиной свободного пробега и числом соударений молекул в единицу времени?

12.В чем сущность явлений переноса? Каковы они и при каких условиях возникают? Объяснить физическую сущность законов Фурье? Фика? Ньютона?

В. Лабораторные работы.

№№ 156, 157, 161, 162, 163, 166, 167, 181к, 185к.

Уровень №2.

А. Вопросы по теории.

1.  Почему термодинамический и статистический методы исследования макроскопических систем качественно различны и взаимно дополняют друг друга?

2.  Что такое термодинамические параметры? Какие термодинамические параметры Вам известны?

3.  Какова идеализированная модель идеального газа. Какие законы, описывающие поведение идеальных газов, были установлены опытным путем (сформулируйте, запишите и там где это необходимо, представьте их графически).

4.  Запишите уравнение состояния идеального газа (Менделеева – Клапейрона).

5.  Сформулируйте основные положения молекулярно – кинетической теории газов.

6.  Запишите основное уравнение молекулярно – кинетической теории газов и поясните его.

7.  Что такое энергия теплового движения молекул идеального газа? Чему она равна?

8.  Дайте определение числа степеней свободы молекул газа? Какие значения может принимать число степеней свободы молекул идеального газа? В чем состоит закон распределения энергии по степеням свободы?

9.  Что такое средняя квадратичная, наиболее вероятная и средняя арифметическая скорости молекул? Как они выражаются?

10.Запишите закон Максвелла для распределения молекул идеального газа по скоростям и поясните физический смысл.

11.Дайте определение длины свободного пробега и эффективного диаметра молекулы газа.

12.Запишите барометрическую формулу и поясните ее физический смысл. Запишите и объясните закон Больцмана для распределения частиц во внешнем потенциальном поле.

13.Явления переноса в термодинамически неравновесных системах. Что Вы о них знаете?

В. Лабораторные работы.

№№ 156, 157, 161, 162, 163, 166, 167, 181к, 185к.

Уровень №1.

А. Вопросы по теории.

1.  Основные положения молекулярно – кинетической теории. Явления, подтверждающие молекулярно – кинетическую теорию.

2.  Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа (Менделеева – Клапейрона).

3.  Газовые законы (Бойля – Мариотта, Гей – Люссака, Шарля) (математическая форма записи и графическое представление).

4.  Абсолютная температура. Закон Авогадро.

5.  Чему равно давление смеси газов? Сформулируйте закон Дальтона, поясните его. Что называется парциальным давлением газа?

6.  Запишите основное уравнение молекулярно – кинетической теории газов. Что такое концентрация молекул?

7.  Запишите закон распределения молекул идеального газа по скоростям.

8.  Запишите барометрическую формулу, поясните ее физический смысл.

9.  Запишите и объясните закон Больцмана для распределения частиц во внешнем потенциальном поле.

10.Какие явления переноса Вам известны?

В. Лабораторные работы.

№№ 156, 157, 161, 162, 163, 166, 167, 181к, 185к.

ТЕМА 2. Основы термодинамики

·  уровень №1 – «удовлетворительно» (0,5 балла)

·  уровень №2- «хорошо» (1 балл)

·  уровень №3 –«отлично» (2 балла)

Уровень №3.

А. Вопросы по теории.

1.  Какие состояния термодинамической системы и какие термодинамические процессы называются: а)равновесными; б)неравновесными? Дайте определение внутренней энергии термодинамической системы как функции ее состояния.

2.  В чем сходство и различие между понятиями работы и количества теплоты?

3.  Чем определяется внутренняя энергия идеального газа и от чего зависит ее изменение?

4.  Что называют теплоемкостью вещества? Какие виды теплоемкости Вам известны, и какая существует между ними связь? Запишите уравнение Майера, что оно показывает?

5.  Сформулируйте первое начало термодинамики и примените его к различным изопроцессам в идеальном газе.

6.  Какой процесс называется адиабатическим? Запишите уравнение адиабатического процесса. Чему равен показатель адиабаты. Примените первое начало термодинамики к данному процессу.

7.  Изобразите графически изотермический и адиабатический процессы на диаграмме p – V и сравните эти зависимости. Как по графику можно определить работу газа?

8.  Какие процессы называются круговыми (циклами)? Каков принцип действия: теплового двигателя; холодильной машины?

9.  Из каких процессов состоит цикл Карно? Изобразите на диаграмме p–V прямой равновесный цикл Карно и получите выражение для его коэффициента полезного действия. Зависит ли КПД идеального обратимого теплового двигателя от свойств рабочего тела?

10.Сформулируйте второе начало термодинамики.

11.Что такое термодинамическая вероятность состояния? В чем состоит статистический смысл второго начала термодинамики? Запишите связь изменения энтропии с термодинамическими вероятностями начального и конечного состояний газа?

В. Лабораторные работы.

№№ 150, 151, 155, 171, 182к, 183к, 184к, 401.

Уровень №2.

А. Вопросы по теории.

1.  Что такое внутренняя энергия идеального газа? В результате, каких процессов она может изменяться?

2.  Что называют теплоемкостью вещества? Что такое удельная теплоемкость? Что называется молярной теплоемкостью? Какая существует между ними связь?

3.  Какая из теплоемкостей при постоянном объеме или при постоянном давлении больше и почему?

4.  Сформулируйте первое начало термодинамики, поясните его физический смысл. Какой вид принимает первое начало термодинамики применительно к изохорному процессу?

5.  Запишите первое начало термодинамики для изобарного процесса, поясните его. Чему равна работа при изобарическом расширении и изобарическом сжатии газа?

6.  Запишите первое начало термодинамики применительно к изотермическому процессу и поясните его смысл. Как определить работу при изотермическом расширении и изотермическом сжатии?

7.  Какой процесс называется адиабатическим? Что представляет собой показатель степени адиабаты. Запишите уравнения адиабаты, описывающие связь между параметрами р и V, р и Т, V и Т.

8.  Запишите первое начало термодинамики применительно к адиабатическому процессу и поясните его физический смысл. Как подсчитать работу, совершаемую газом при адиабатическом процессе?

9.  Какие процессы называют обратимыми, а какие – необратимыми? Что такое круговой процесс (цикл)? Как определить КПД тепловой машины?

10.Что представляет собой цикл Карно? Как определить КПД цикла Карно?

11.Сформулируйте второе начало термодинамики. Объясните, что называется энтропией. Чему равно изменение энтропии при переходе вещества из одного состояния в другое?

12.Каково статистическое толкование второго начала термодинамики?

В. Лабораторные работы.

№№ 150, 151, 155, 171, 182к, 183к, 184к, 401.

Уровень №1.

А. Вопросы по теории.

1.  Что понимают под внутренней энергией тела? В результате, каких процессов может изменяться внутренняя энергия тела?

2.  Что называют теплоемкостью вещества? Какие виды теплоемкости Вам известны?

3.  Закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах.

4.  Первый закон термодинамики. Применение его к различным изопроцессам.

5.  Адиабатный процесс. Применение первого закона термодинамики к адиабатному процессу.

6.  Принцип действия тепловых двигателей. КПД теплового двигателя.

7.  Что представляет собой цикл Карно? Как определить КПД цикла Карно?

8.  Сформулируйте второй закон термодинамики.

9.  Что такое приведенное количество теплоты? Что такое энтропия? Чему равно изменение энтропии обратимого и необратимого цикла?

10.Как связана термодинамическая вероятность состояния с энтропией (уравнение Больцмана)?

В. Лабораторные работы.

№№ 150, 151, 155, 171, 182к, 183к, 184к, 401.