Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«Северный (Арктический) федеральный университет
имени М.В. Ломоносова»
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
И ТЕРМОДИНАМИКА
Учебно-методическое пособие
по курсу общей физики
Архангельск
САФУ
2017
1
Стр.1
УДК 53(075)
ББК 22.3 я 73
А424
Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом
Северного Арктического федерального университета
имени М.В. Ломоносова
Составители:
В.В. Аксенов, доц., канд. техн. наук;
В.М. Юлкова, доц., канд. ф.-м. наук
Рецензенты:
Е.И. Кольцова, доц., канд. техн. наук;
В.К. Любов, проф., д-р техн. наук;
А.В. Соловьёв, доц., канд. техн. наук
Молекулярная физика и термодинамика: учебно-методичесА424
кое
пособие по курсу общей физики / сост.: В.В. Аксенов,
В.М. Юлкова; Сев. (Арктич.) федер. ун-т. – Архангельск: САФУ,
2017. – 108 с.
ISBN 978-5-261-01254-2
Приведены теоретический материал по молекулярной физике и
термодинамике, необходимый для практического решения задач по
курсу общей физики при выполнении самостоятельной работы, справочный
материал, примеры решения задач, а также варианты контрольных
работ.
Предназначено для студентов бакалавриата высшей школы естественных
наук и технологий, обучающихся по направлениям подготовки
19.03.01 «Биотехнология», 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие
процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»,
04.03.01 «Химия», 12.03.04 «Биотехнологические системы и
технологии».
ISBN 978-5-261-01254-2
© Аксенов В.В., Юлкова В.М., составление,
2017
© Северный (Арктический) федеральный
университет им. М.В. Ломоносова, 2017
2
Стр.2
ВВЕДЕНИЕ
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов
инженерно-технических направлений подготовки высшей школы
естественных наук и технологий и соответствует действующей
программе по курсу общей физики.
Целью учебно-методического пособия является оказание помощи
студентам в освоении материала программы по разделу молекулярной
физики и термодинамики.
Предметом изучения молекулярной физики и термодинамики
являются физические свойства и агрегатные состояния тел или систем,
состоящих из очень большого количества молекул.
Молекулярная физика опирается на представление о молекулярной
структуре вещества, в то время как термодинамика базируется
на фундаментальных законах, определяющих возможные
преобразования энергии в телах или системах. Следовательно, молекулярная
физика и термодинамика взаимно дополняют друг друга,
различаясь лишь методами исследования одной и той же совокупности
процессов и явлений.
В пособии отражены следующие темы: основы молекулярнокинетической
теории, статистические распределения, первое и
второе начала термодинамики, классическая теория теплоемкости,
явления переноса, реальные газы.
Структура пособия включает теоретическое введение, примеры
решения задач по всем темам раздела «Молекулярная физика и
термодинамика». Изложенный теоретический материал позволяет
студентам решать конкретные задачи по молекулярной физике и
термодинамике. Для лучшего восприятия изучаемого материала
имеется достаточное количество иллюстраций, поясняющих излагаемый
материал. В конце пособия приведены задачи для самостоятельного
решения и необходимый справочный материал.
3
Стр.3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................
1. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ...............
1.1. Масса атомов и молекул ...............................................................
1.2. Количество вещества. Число Авогадро. Молярная масса .........
1.3. Идеальный газ. Законы идеального газа … .................................
1.3.1. Закон Авогадро…..................................................................
1.3.2. Закон Бойля-Мариотта. ........................................................
1.3.3. Закон Гей-Люссака ...............................................................
1.3.4. Закон Шарля ..........................................................................
1.4. Уравнение состояния идеального газа .........................................
1.5. Закон Дальтона ..............................................................................
1.6. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов
3
4
4
4
5
5
6
6
7
8
8
9
1.7. Понятие о числе степеней свободы. Теорема Больцмана ......... 10
1.8. Внутренняя энергия идеального газа ........................................... 12
1.9. Примеры решения задач ............................................................... 13
2. СТАТИСТИЧЕСКИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ .......................................... 21
2.1. Распределение Максвелла ............................................................ 21
2.2. Барометрическая формула ............................................................ 24
2.3. Распределение Больцмана ............................................................ 24
2.4. Примеры решения задач ............................................................... 25
3. РАБОТА ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА. ПЕРВОЕ НАЧАЛО
ТЕРМОДИНАМИКИ. ТЕПЛОЕМКОСТЬ. АДИАБАТНЫЙ
ПРОЦЕСС. .................................................................................................. 34
3.1. Работа идеального газа .................................................................. 34
3.2. Первое начало термодинамики .................................................... 35
3.3. Элементы классической теории теплоемкости ........................... 35
3.4. Адиабатный процесс ..................................................................... 37
3.5. Примеры решения задач ............................................................... 38
4. ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ЭНТРОПИЯ ................... 51
4.1. Второе начало термодинамики ..................................................... 51
4.2. Работа и КПД теплового двигателя. Цикл Карно ....................... 51
4.3. Энтропия. Теорема Нернста ......................................................... 53
4.4. Примеры решения задач ............................................................... 55
5. ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА ......................................................................... 62
5.1. Диффузия ....................................................................................... 62
5.2. Вязкость (внутреннее трение) ...................................................... 64
107
Стр.107
5.3. Теплопроводность ......................................................................... 65
5.4. Столкновения молекул. Длина свободного пробега .................. 67
5.5. Коэффициенты переноса .............................................................. 68
5.6. Примеры решения задач ............................................................... 69
6. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ ................................................................................ 79
6.1. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса .............................. 79
6.2. Примеры решения задач ............................................................... 80
7. ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО
ИХ РЕШЕНИЮ ......................................................................................... 85
8. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ............................. 87
ПРИЛОЖЕНИЕ ......................................................................................... 104
Рекомендуемая литература ....................................................................... 106
Печатается в авторской редакции
Оригинал-макет и дизайн обложки Е.А. Банниковой
Подписано в печать 05.07.2017. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 6,3. Тираж 50 экз. Заказ № 4908.
Издательский дом им. В.Н. Булатова САФУ
163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56
108
Стр.108