МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» С.И. Кузнецов КУРС ФИЗИКИ С ПРИМЕРАМИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА 3-е издание, переработанное и дополненное Допущено Научно-методическим Советом по физике Министерства образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям подготовки и специальностям Издательство Томского политехнического университета 2011 УДК 53(075.8) ББК 22.3я73 К89 Кузнецов С.И. <...> Молекулярная физика и термодинамика: учебное пособие / С.И. Кузнецов; под ред. <...> ISBN 978-5-98298-894-2 В пособии рассмотрены основные вопросы молекулярно-кинетической теории вещества и термодинамики. <...> Температура и средняя кинетическая энергия теплового движения молекул . <...> Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева – Клапейрона) . <...> Вывод закона Ньютона для силы вязкого трения* . <...> Применение первого начала термодинамики к изопроцессам идеальных газов . <...> Проанализированы круговые процессы, дано определение энтропии, её термодинамический и статистический смысл. <...> Основными единицами являются: единица длины – метр (м); массы – килограммы (кг); времени – секунда (с); силы электрического тока – ампер (А); термодинамической температуры – кельвин (К); количества вещества – моль (моль); силы света – кандела (кд). <...> ). Молекулярная физика, или молекулярно-кинетическая теория строения вещества, как наука начала развиваться в XIX веке. <...> Однако, число молекул в любом теле невероятно велико: в газах ~1025 м–3, в жидкостях и твердых телах ~1028 м–3. <...> Карно открыл соотношение общего типа – второе начало термодинамики. <...> О тепловом движении можно говорить только в тех случаях, когда рассматриваемая система является макроскопической <...>
Курс_физики_с_примерами_решения_задач._Молекулярная_физика_и_термодинамика.pdf
УДК 53(075.8)
ББК 22.3я73
К89
Кузнецов С.И.
К89
Курс физики с примерами решения задач. Молекулярная
физика и термодинамика: учебное пособие / С.И. Кузнецов;
под ред. В.В. Ларионова; Томский политехнический университет.
– 3-е изд., перераб. и доп. – Томск: Изд-во Томского политехнического
университета, 2011. – 178 с.
ISBN 978-5-98298-894-2
В пособии рассмотрены основные вопросы молекулярно-кинетической
теории вещества и термодинамики. Особое внимание уделено раскрытию
физического смысла основных законов, явлений и понятий. Показано,
что закономерности и соотношения между физическими величинами,
к которым приводит молекулярная физика и термодинамика, имеют
универсальный характер.
В пособии учитываются наиболее важные достижения в современной
науке и технике, уделяется большое внимание физике различных природных
явлений. Кроме того, пособие ориентировано на организацию самостоятельной
работы студентов. Анализируется решение многих физических задач и
приводятся задачи для самостоятельного решения и ответы к ним.
Предназначено для межвузовского использования студентами технических
специальностей очной и дистанционной форм обучения.
УДК 53(075.8)
ББК 22.3я73
Рецензенты
Доктор физико-математических наук, профессор
зав. кафедрой теоретической физики ТГУ
А.В. Шаповалов
Доктор физико-математических наук, профессор
зав. кафедрой общей информатики ТГПУ
А.Г. Парфенов
ISBN 978-5-98298-894-2
© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2011
© Кузнецов С.И., 2011
© Оформление. Издательство Томского
политехничсекого университета, 2011
2
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................. 6
КАК ПОЛЬЗОВАТЬСЯ КНИГОЙ ..................................................................... 8
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ .............................. 10
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................ 11
ГЛАВА 1. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ........................ 13
1.1. Основные понятия и определения молекулярной
физики и термодинамики ........................................................................... 13
1.2. Давление. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории .... 15
1.3. Температура и средняя кинетическая энергия теплового
движения молекул ...................................................................................... 18
1.4. Законы идеальных газов ............................................................................. 21
1.5. Уравнение состояния идеального газа (уравнение
Менделеева – Клапейрона) ........................................................................ 24
Контрольные вопросы. Упражнения ............................................................... 25
Примеры решения задач .................................................................................... 26
Задачи для самостоятельного решения ........................................................... 31
ГЛАВА 2. СТАТИСТИЧЕСКИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ................................. 34
2.1. Скорости газовых молекул. Опыт Штерна .............................................. 34
2.2. Вероятность события .................................................................................. 35
2.3. Функция распределения Максвелла ......................................................... 38
2.4. Средние скорости распределения Максвелла .......................................... 43
2.5. Барометрическая формула ......................................................................... 44
2.6. Распределение Больцмана .......................................................................... 45
2.7. Закон распределения Максвелла – Больцмана* ...................................... 47
2.8. Квантовые газы* ......................................................................................... 48
Примеры решения задач .................................................................................... 51
Задачи для самостоятельного решения ........................................................... 53
ГЛАВА 3. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ ............................... 56
3.2. Явления переноса в газах ........................................................................... 58
3.3. Диффузия газов. Вывод закона Фика* ..................................................... 60
3.4. Вывод закона Ньютона для силы вязкого трения* ................................. 61
3.5. Теплопроводность газов. Вывод закона Фурье* ..................................... 63
3.6. Коэффициенты переноса и их зависимость от давления ........................ 64
3.7. Понятие о вакууме ...................................................................................... 66
Контрольные вопросы. Упражнения ............................................................... 68
Примеры решения задач .................................................................................... 69
Задачи для самостоятельного решения ........................................................... 71
3
Стр.3
ГЛАВА 4. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ.
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ. РАБОТА И ТЕПЛОТА ................. 73
4.1. Внутренняя энергия. Работа и теплота ..................................................... 73
4.2. Теплоёмкость идеального газа .................................................................. 76
4.3. Вывод уравнения Майера* ........................................................................ 77
4.4. Закон о равномерном распределении энергии по степеням свободы .. 78
4.5. Теплоемкость одноатомных и многоатомных газов ............................... 79
4.6. Применение первого начала термодинамики
к изопроцессам идеальных газов ............................................................... 82
Контрольные вопросы. Упражнения ............................................................... 84
Примеры решения задач .................................................................................... 86
Задачи для самостоятельного решения ........................................................... 88
ГЛАВА 5. КРУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ. ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ .............. 90
5.1. Круговые обратимые и необратимые процессы ...................................... 90
5.2. Тепловые машины ...................................................................................... 92
5.3. Цикл Карно .................................................................................................. 93
5.4. Работа и КПД цикла Карно ........................................................................ 95
5.5. Необратимый цикл. Холодильная машина .............................................. 96
5.6. Циклы Отто, Дизеля и Стирлинга ............................................................. 98
Контрольные вопросы. Упражнения ............................................................. 100
Примеры решения задач .................................................................................. 101
Задачи для самостоятельного решения ......................................................... 105
ГЛАВА 6. ЭНТРОПИЯ. ВТОРОЕ И ТРЕТЬЕ НАЧАЛА
ТЕРМОДИНАМИКИ ...................................................................... 108
6.1. Приведенная теплота. Энтропия ............................................................. 108
6.2. Изменение энтропии в изопроцессах ...................................................... 110
6.3. Поведение энтропии в процессах изменения агрегатного состояния*
..................................................................................................................... 111
6.4. Второе начало термодинамики ................................................................ 114
6.5. Свободная и связанная энергии ............................................................... 115
6.6. Статистический смысл энтропии ............................................................ 116
6.7. Третье начало термодинамики ................................................................ 118
Контрольные вопросы. Упражнения ............................................................. 119
Примеры решения задач .................................................................................. 120
Задачи для самостоятельного решения ......................................................... 124
ГЛАВА 7. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ ....................................................................... 127
7.1. Реальные газы ............................................................................................ 127
7.2. Силы межмолекулярного взаимодействия ............................................. 128
7.3. Качественный анализ уравнения Ван-дер-Ваальса* ............................. 130
7.4. Изотермы реальных газов. Фазовые переходы ...................................... 133
7.5. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса ............................................ 135
7.6. Процесс Джоуля – Томсона. Сжижение газов* ..................................... 136
4
Стр.4
Контрольные вопросы. Упражнения ............................................................. 140
Примеры решения задач .................................................................................. 141
Задачи для самостоятельного решения ......................................................... 143
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................... 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .................................................................................... 145
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И ФОРМУЛЫ ............................................................. 147
ГЛОССАРИЙ ........................................................................................................ 153
ПЕРСОНАЛИИ ..................................................................................................... 160
ПРИЛОЖЕНИЯ .................................................................................................... 164
5
Стр.5