, ,
Физика. Молекулярная физика. Термодинамика
Учебное пособие. 1-е изд.
Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям и специальностям в области техники и технологий
ISBN 0825-2
Год выпуска 2008
Тираж 2000 экз.
Формат 12,8 ´ 20 см
Переплет: твердый
Страниц 288
Курс лекций по физике для студентов технических университетов, читаемый авторами в течение многих лет студентам Томского политехнического университета, включает молекулярную физику и термодинамику. Основное внимание уделено раскрытию физического смысла основных законов и выработке у студентов практических навыков их использования при решении профессиональных задач. Учебник содержит многочисленные примеры, упражнения и задачи.
Для студентов, бакалавров, магистров технических университетов.
Рецензенты:
кафедра общей и экспериментальной физики Томского государственного университета (зав. кафедрой — д-р физ.-мат. наук, профессор В. П. Демкин); кафедра физики Московского государственного индустриального университета (зав. кафедрой — д-р физ.-мат. наук, профессор Н. П. Калашников).
Предисловие
Существует настоятельная потребность в курсе лекций по физике для технических университетов, который бы сочетал разумную глубину и академичность изложения наряду с широтой и практической направленностью включенного в него материала. Выпускник технического университета обязан профессионально владеть одной из основных фундаментальных дисциплин — физикой и твердо усвоить принципы и подходы естественных наук, обеспечившие ускоренное продвижение человечества по пути прогресса на протяжении многих веков.
Успешное применение фундаментальных физических понятий, воспитание уверенности в незыблемости физических законов, в пределах выполнения условий их применимости, понимание принципа преемственности и естественности развития физической науки происходят в процессе творческого развития у студентов практических навыков. Формирование и закрепление практических навыков возможно при пояснении на разнообразных примерах наиболее сложных физических понятий, самостоятельном разборе упражнений и решении задач, ясных и понятных по своей постановке, актуальных по значению и вместе с тем имеющих далеко не очевидные решения. Физика является профессиональным рабочим инструментом в руках инженера. Использование физики в повседневной практической деятельности не только не должно пугать выпускника технического университета, но напротив, должно доставлять ему эстетическую и профессиональную радость творчества и сознание собственной значимости и состоятельности. Достижение этой цели предполагает продолжительный, нелегкий и вдумчивый путь познания. На этом пути студент не только учится ориентироваться в современном мире, но и вырабатывает навык получения новых научных результатов, решения практических проблем и формирует уверенную позицию по отношению к псевдонаучным откровениям.
Решение поставленных проблем в курсе лекций для технических университетов возможно, на наш взгляд, при использовании в нем лучших достижений и находок замечательных учебников физики российских, советских и зарубежных ученых и педагогов, преломленных через призму многолетнего личного опыта преподавания физики и активной творческой научно-практической работы в техническом университете. При написании данного курса физики мы старались использовать интересные научно-методические результаты известных авторов: Д. В. Сивухина, А. Н. Матвеева, И. В. Савельева, Р. Фейнмана, Дж. Орира, К. А. Путилова, Л. Д. Ландау, Я. Б. Зельдовича и других. Нашей целью была не «патентная чистота» и новизна курса, а его повседневная практическая польза и удобство для преподавателя и студента, возможность выбора для преподавателя и студента в рамках одного учебника различных траекторий обучения в техническом университете. Нам хотелось совместить в учебнике разумную фундаментальность подходов с выработкой практических навыков использования физической теории для решения научно-исследовательских, инженерно-технических и мировоззренческих задач современного мира. По мере возможности мы старались показать ясность и даже очевидность многих физических результатов, но стремились не загромождать пути движения к физически верному результату безукоризненностью терминологии и отточенностью методологии. Это, на наш взгляд, отличает живую научную дисциплину от начетничества, живую науку — физику от канонизированного подхода. Вначале студент должен понять, о чем идет речь, а затем придет время и строгого доказательного изложения.
Авторы признательны В. М. Толмачеву, взявшему на себя огромный труд по научно-методическому редактированию рукописи, и с пониманием и благодарностью воспримут замечания и предложения, способствующие улучшению курса.
Оглавление
Предисловие.......... 3
Глава 1. Молекулярная физика.......... 5
1.1. Введение.......... 5
1.2. Давление и гидростатика.......... 7
1.3. Барометр.......... 10
1.4. Закон Архимеда.......... 12
1.5. Атомная и молекулярная массы.......... 14
1.6. Число Авогадро. Гипотеза Авогадро.......... 16
1.7. Давление газа.......... 18
1.8. Температура и средняя кинетическая энергия теплового движения атомов и молекул.......... 22
1.9. Термометры.......... 24
1.10. Уравнение состояния идеального газа. Равнораспределение энергии.......... 27
1.11. Кинетическая теория тепла.......... 31
1.12. Тепловая энергия.......... 32
1.13. Механический эквивалент теплоты.......... 33
Основные выводы.......... 34
Упражнения.......... 36
Задачи.......... 39
Глава 2. Принципы статистической механики. Распределения Максвелла и Больцмана.......... 43
2.1. Введение.......... 43
2.2. Распределение Максвелла.......... 44
2.3. Распределение по абсолютным скоростям. Средние скорости молекул .......... 49
2.4. Распределение Максвелла и определение скорости протекания химической реакции.......... 54
2.5. Экспериментальная проверка распределения Максвелла.......... 56
2.6. Распределение Больцмана.......... 58
2.7. Смесь газов в сосуде.......... 62
2.8. Разделение вещества на центрифуге.......... 64
2.9. Экспериментальная проверка распределения Больцмана и измерение числа Авогадро в опытах Перрена.......... 66
Основные выводы.......... 69
Упражнения и решения.......... 71
Задачи.......... 76
Глава 3. Процессы переноса.......... 81
3.1. Введение.......... 81
3.2. Средняя длина свободного пробега.......... 83
3.3. Процессы переноса в газах.......... 87
3.4. Вязкость или внутреннее трение в газах.......... 89
3.5. Теплопроводность.......... 94
3.6. Диффузия в газах.......... 99
3.7. Электропроводность и перенос заряда.......
3.8. Уравнения диффузии и теплопроводности.......
3.9. Время релаксации для концентраций и температуры.......
3.10. Явления переноса в твердых телах и жидкостях.......
Основные выводы.......
Упражнения и решения.......
Задачи.......
Глава 4. Термодинамика.......
4.1. Введение.......
4.2. Температура и термодинамическое равновесие.......
4.3. Равновесные и неравновесные состояния.......
4.4. Обратимые и необратимые процессы.......
4.5. Первое начало термодинамики.......
4.6. Теплоемкость.......
4.7. Основные термодинамические процессы и их уравнения.......
4.8. Бензиновый двигатель.......
4.9. Второе начало термодинамики.......
4.10. Цикл Карно.......
4.11. Тепловое загрязнение окружающей среды.......
4.12. Холодильники и тепловые насосы.......
4.12.1. Холодильники.......
4.12.2. Кондиционеры воздуха.......
4.12.3. Тепловые насосы.......
4.13. Эквивалентные формулировки второго закона термодинамики .......
4.13.1. Термодинамическая шкала температур.......
4.14. Неравенство Клаузиуса.......
4.15. Энтропия.......
4.16. Закон возрастания энтропии.......
4.17. Энтропия и вероятность.......
4.18. Второе начало термодинамики и обращение времени.......
4.19. Теорема Нернста.......
Основные выводы.......
Упражнения.......
Задачи.......
Глава 5. Реальные газы и жидкости.......
5.1. Введение.......
5.2. Уравнение Ван-дер-Ваальса.......
5.3. Изотермы уравнения Ван-дер-Ваальса.......
5.4. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса.......
5.5. Эффект Джоуля–Томсона.......
5.6. Методы охлаждения и сжижения газов.......
5.7. Поверхностное натяжение.......
5.8. Свободная энергия жидкой поверхности.......
5.9. Термодинамика поверхностного натяжения.......
5.10. Формула Лапласа.......
5.11. Явления капиллярности и смачивания.......
5.12. Поверхностно-активные вещества.......
5.13. Испарение и кипение жидкостей.......
Основные результаты.......
Упражнения.......
Задачи.......
