УДК 536.7+531.19 ББК 22.317 Деривативное электронное издание на основе печатного аналога: Физика макросистем. <...> Гипотеза о равнораспределении энергии по степеням свободы . <...> Принятое в нем расположение материала (механика, электромагнетизм, волновые процессы, квантовая физика и физика макросистем) является по глубокому убеждению автора наиболее логически последовательным и оправданным в методическом отношении. <...> Но именно колоссальное число частиц в системе привело к разработке двух радикально отличающихся друг от друга методов изучения макросистем — термодинамики и молекулярной (статистической) физики. <...> Например, идеальный газ в состоянии равновесия характеризуют объемом, давлением и температурой. <...> То обстоятельство, что число частиц в макросистеме весьма велико, приводит к новому типу закономерностей, имеющих статистический, т.е. вероятностный характер. <...> Состояние макросистемы характеризуют величинами, которые называют термодинамическими параметрами (давление р, объем V, температура T и др.) <...> При изменении состояния приращение внутренней энергии определяется только конечным и начальным состояниями и не зависит от процесса, который перевел системуиз одного состояния в другое. <...> 12 Глава 1 Заметим, что в отличие, например, от температуры T, которая характеризует равновесное состояние макросистемы, внутренняя энергия U присуща как равновесным, так и неравновесным состояниям. <...> Если макросистема состоит из нескольких частей, то энергией межмолекулярного взаимодействия на границах этих частей (в тонком слое) можно пренебречь и считать, что внутренняя энергия всей системы практически равна сумме внутренних энергий ее частей. <...> Это значит, что внутренняя энергия является величиной аддитивной. <...> Первое начало термодинамики утверждает, что приращение внутренней энергии макросистемы при ее переходе из начального состояния 1 в конечное 2 равно сумме совершенной над системой работы А всех внешних макроскопических <...>
Физика_макросистем._Основные_законы.pdf
И. Е. ИРОДОВ
МАКРОСИСТЕМ
ФИЗИКА
основные
законы
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
8-е издание, электронное
Москва
Лаборатория знаний
2 0 2 0
Стр.2
УДК 536.7+531.19
ББК 22.317
И83
Иродов И. Е.
И83 Физика макросистем. Основные законы : учебное
пособие / И. Е. Иродов.—8-е изд., электрон.—М. : Лаборатория
знаний, 2020.—210 с. —(Технический университет.
Общая физика).—Систем. требования: Adobe Reader XI ;
экран 10".— Загл. с титул. экрана.—Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-826-1
Учебное пособие содержит теоретический материал, связанный
с методами изучения свойств и поведения макросистем—
систем, состоящих из очень большого числа частиц. Это
термодинамика, молекулярно-кинетическая теория и статистика
(как классическая, так и квантовая). Помимо довольно большого
числа примеров, в конце каждой главы приведены задачи
на соответствующий материал. Показано, как, по мнению
автора, следует подходить к их решению. Задачи тесно связаны
с основным текстом, часто являясь его дополнением и развитием.
Для студентов физических специальностей вузов.
УДК 536.7+531.19
ББК 22.317
Деривативное издание на основе печатного аналога: Физика
макросистем. Основные законы : учебное пособие /
И. Е. Иродов.—7-е изд.—М. : Лаборатория знаний, 2018.—
207 с. : ил.—(Технический университет. Общая физика).—
ISBN 978-5-00101-113-2.
В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении
ограничений, установленных техническими средствами защиты
авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя
возмещения убытков или выплаты компенсации
ISBN 978-5-00101-826-1
○c Лаборатория знаний, 2015
Стр.3
Содержание
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Принятые обозначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Глава 1. Первое начало термодинамики . . . . . . . . . . . . 9
§ 1.1. Состояние системы. Процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
§ 1.2. Первое начало термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
§ 1.3. Теплоемкость идеального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
§ 1.4. Политропические процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
§ 1.5. Молекулярно-кинетическая теория . . . . . . . . . . . . . . 21
§ 1.6. Гипотеза о равнораспределении энергии по степеням
свободы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
§ 1.7. Газ Ван-дер-Ваальса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Глава 2. Статистическая физика. Распределения
Максвелла и Больцмана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
§ 2.1. Вероятность. Средние значения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
§ 2.2. Распределение Максвелла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
§ 2.3. Опытная проверка распределения Максвелла . . . . . 57
§ 2.4. Распределение Больцмана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Глава 3. Второе начало термодинамики. Энтропия . 77
§ 3.1. Второе начало термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
§ 3.2. Энтропия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
§ 3.3. О вычислении и применении энтропии . . . . . . . . . . . 82
§ 3.4. Статистический смысл второго начала термодинамики
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
§ 3.5. Энтропия и вероятность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
§ 3.6. Термодинамические соотношения . . . . . . . . . . . . . . . 96
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Глава 4. Квантовые статистики и их применения . . 106
§ 4.1. Квантовые статистики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
§ 4.2. Распределение Ферми–Дирака для электронов в
металлах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
§ 4.3. О зонной теории. Электропроводность . . . . . . . . . . . . 115
§ 4.4. Распределение Бозе–Эйнштейна для фотонного
газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
§ 4.5. Теплоемкость твердого тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Стр.4
4
Содержание
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Глава 5. Состояния вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
§ 5.1. Изотермы Ван-дер-Ваальса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
§ 5.2. Фазовые переходы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
§ 5.3. Жидкое состояние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
§ 5.4. Кристаллическое состояние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
§ 5.5. Плазма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Глава 6. Неравновесные макросистемы . . . . . . . . . . . . . 169
§ 6.1. Инверсная среда. Лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
§ 6.2. Явления переноса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
§ 6.3. Молекулярно-кинетическая интерпретация явлений
переноса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
1. Единицы физических величин в СИ и СГС . . . . . . . . . . . . 196
2. Десятичные приставки к названиям единиц . . . . . . . . . . 197
3. Греческий алфавит . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
4. Плотности веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5. Постоянные газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
6. Постоянные жидкостей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7. Постоянные твердых тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8. Фундаментальные физические константы . . . . . . . . . . . . 199
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Стр.5