Примерное содержание курса

ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИЙ, СЕМИНАРСКИХ
ЗАНЯТИЙ И ВОПРОСОВ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
Тема 1. Введение
Лекция 1
Предмет молекулярной физики. Атомистическая гипотеза Демокрита-Левкиппа.
Размеры молекул и атомов. Доказательство движения молекул – броуновское
движение. Число Авогадро. Агрегатные состояния и фазы вещества. Методы
описания явлений (динамический, статистический, термодинамический). Роль
молекулярной физики в развитии естествознания и философии.
Тема 2. Термодинамический метод – I
Лекция 2
Определение микро- и макросостояния. Определение термодинамического
состояния и термодинамических параметров. Стационарные и равновесные
состояния. Свойства равновесных состояний. Фазовая плоскость и изображение
равновесных состояний на ней. Число термодинамических параметров для
неравновесных систем.
Лекция 3
Понятие теплового контакта между системами. Его рассмотрение в рамках
термодинамического метода. Термодинамическое определение температуры.
Эмпирические шкалы температур.
Семинарское занятие 1
Повторение элементарных понятий молекулярной физики из курса средней
школы (моль вещества, молекулярная масса, число Авогадро и др.). Задачи 6.16.10 из [3].
Тема 3. Статистический метод
Лекция 4
Основные понятия теории вероятностей и математической статистики.
Понятие вероятности. Вероятность и физические законы. Свойства
вероятностей. Сложение и умножение вероятностей. Средние значения
случайных величин. Дисперсия. Флуктуации. Распределение случайных
величин. Функция распределения. Микро- и макроскопические состояния
системы с точки зрения статистического метода.
Семинарское занятие 2
Основные понятия теории вероятностей. Задачи Глава 2, 2.1 – 2.6 из [6].
Семинарское занятие 3
Распределения случайных величин, функция распределения, вычисление
статистических средних. Биномиальное распределение и его физический смысл.
Задачи Глава 2, 2.7 , 2.8, 2.15 из [6].
Лекция 5
Постулат равновероятности и эргодическая гипотеза. Вероятность
макросостояния. Число возможных микроскопических состояний, его
зависимость от энергии системы. Флуктуации.
Тепловой контакт между системами – статистическое рассмотрение.
Статистическое определение температуры.
Лекция 6
Понятие термостата. Система в контакте с термостатом. Вывод канонического
распределения Гиббса.
Лекция 7
Вывод распределения Максвелла на основе канонического распределения
Гиббса. Свойства распределения Максвелла, вычисление с его помощью
средних значений. Вывод распределения Максвелла на основе рассмотрения
столкновений молекул, принцип детального равновесия.
Семинарское занятие 4
Вычисление нормировочных интегралов для распределения
Свойства распределения Максвелла. Задачи 6.88-6.94 из [3].
Максвелла.
Семинарское занятие 5
Свойства и применения распределения Максвелла. Задачи 6.96-6.109 из [3].
Семинарское занятие 6
Свойства и применения распределения Максвелла. Задачи 6.66-6.77 из [3].
Лекция 8
Газ во внешнем потенциальном поле. Распределение Больцмана (непрерывное
и дискретное). Универсальный характер распределения Больцмана.
Барометрическая формула. Распределение Максвелла-Больцмана.
Семинарское занятие 7
Свойства и применения распределения Больцмана. Задачи 6.116-6.126, 6.18-6.21
из [3].
Тема 4. Кинематические характеристики молекулярного движения
Лекция 9
Кинематические характеристики молекулярного движения. Распределение
энергии по степеням свободы. Броуновское движение. Случайные блуждания.
Теория Эйнштейна – Смолуховского. Опыты Перрена по определению числа
Авогадро.
Семинарское занятие 8
Кинематические характеристики молекулярного
движение. Задачи 6.191-6.204 из [3].
движения,
броуновское
Тема 5. Термодинамический метод – II
Лекция 10
Первое начало термодинамики. Функции состояния. Обратимые и необратимые
процессы. Изотермический и изобарический процессы в разреженных газах.
Термодинамическое определение модели идеального газа. Квазистатические
изопроцессы. Уравнение политропического процесса.
Семинарское занятие 9
Первое начало термодинамики. Изопроцессы. Задачи 6.26-6.38 из [3].
Семинарское занятие 10
Политропические процессы. Задачи 6.39-6.43, 6.12-6.13 из [3].
Коллоквиум N 1 (по материалам лекций 1-10).
Лекция 11
Работы Карно по тепловым двигателям. Циклические процессы и тепловые
(холодильные) машины. Принципы построения тепловых машин. КПД. Цикл
Карно и его КПД. Второе начало термодинамики (формулировка Клаузиуса и
Кельвина). Роль второго начала термодинамики в развитии естествознания.
Семинарское занятие 11
Цикл Карно. Расчет КПД циклических процессов. Задачи 6.137-6.142 из [3].
Семинарское занятие 12
Расчет КПД циклических процессов. Задачи 6.143 -6.150 из [3].
Контрольная работа по решению задач N 1 (практические занятия 1-12).
Лекция 12
Построение
абсолютной
термодинамической
шкалы
температур.
Отрицательные температуры. Неравенство Клаузиуса.
Термодинамическое определение энтропии. Изменение энтропии в обратимых и
необратимых процессах.
Семинарское занятие 13
Энтропия и второе начало термодинамики. Задачи 6.153-6.160 из [3].
Семинарское занятие 14
Энтропия и второе начало термодинамики. Задачи 6.161-6.163, 6.167-6.174 из
[3].
Лекция 13
Статистическое определение энтропии. Энтропия как мера беспорядка. Связь
между статистическим и термодинамическим определениями энтропии.
Статистическая формулировка II начала термодинамики. Теорема Нернста (III
начало термодинамики).
Семинарское занятие 15
Статистическое определение энтропии. Задачи 6.183-6.190 из [3].
Лекция 14
Метод
термодинамических
потенциалов,
преобразование
Лежандра.
Термодинамическая
устойчивость.
Принцип
Ле
Шателье-Брауна.
Статистическая сумма состояний и термодинамические потенциалы.
Лекция 15
Молекулярно-кинетическая теория. Принцип детального равновесия.
Основное уравнение кинетической теории. Молекулярно-кинетический смысл
температуры. Закон Дальтона.
Лекция 16
Теплоемкость, внутренняя энергия идеального газа. Теплоемкость идеального
газа. Общие положения квантовой теории теплоемкости газа.
Семинарское занятие 16
Теплоемкость идеального газа. Задачи 6.49-6.57 из [3].
Тема 6. Межмолекулярное взаимодействие
Лекция 17
Электромагнитный характер сил межмолекулярного взаимодействия. Силы
Ван-дер-Ваальса. Потенциал Леннарда-Джонса. Типы химических связей.
Описание структуры и свойств вещества.
Тема 7. Реальные газы и жидкости
Лекция 18
Особенности поведения реальных молекул (изотермическое сжатие, длина
свободного пробега, отклонения от уравнения Клапейрона-Менделеева).
Уравнения состояния реальных газов. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Вириальное
уравнение состояния.
Экспериментальные изотермы Ван-дер-Ваальса. Критическое состояние.
Сжижение газов. Пример фазового перехода газ-жидкость. Теоретические
изотермы Ван-дер-Ваальса. Метастабильные состояния. Критические
параметры.
Семинарское занятие 17
Свойства газа Ван-дер-Ваальса. Задачи 6.59-6.62 из [3].
Семинарское занятие 18
Свойства газа Ван-дер-Ваальса. Задачи 6.164-6.166 из [3].
Коллоквиум N 2 (по материалам лекций 11-19).
Лекция 19
Эффект Джоуля-Томсона. Методы сжижения газов. Получение сверхнизких
температур. Метод адиабатического размагничивания
Семинарское занятие 19
Эффект Джоуля-Томсона. Задачи 6.63-6.65 из [3].
Самостоятельная работа студентов:
1. Расчет дифференциального и интегрального эффектов Джоуля-Томсона.
Параграф 46 [2], 33 [1], 111 [7].
2. Основные свойства и характеристики жидкостей. Параграф 36 [1], 95-98 [7].
3. Жидкие растворы (растворимость, теплоты растворения). Закон Рауля и закон
Генри для идеальных растворов. Свойства бинарных смесей. Осмос. Глава XI
[2], параграф 37 [1], 39 [1], 108 [7], 109 [7].
4. Структура жидкостей. Функции распределения. Уравнения состояния.
Модель жидкости Френкеля. Параграф 36 [1], методические указания к
лабораторной работе 32 [4].
Тема 8. Фазовые переходы
Лекция 20
Определение фазы. Равновесие фаз. Классификация Эренфеста фазовых
переходов. Правило Гиббса. Тройная точка. Полиморфизм и полиморфные
превращения.
Семинарское занятие 20
Фазовые переходы. Задачи 6.326 – 6.336 из [3].
Семинарское занятие 21
Фазовые переходы. Задачи 6.342 – 6.352 из [3].
Лекция 21
Теория Ландау фазовых переходов второго рода.
сверхпроводимость.
Поверхностные явления. Свободная энергия поверхности.
Сверхтекучесть
и
Самостоятельная работа студентов:
1. Поверхностное натяжение на границе жидкость-пар, жидкость-жидкость,
жидкость-твердое тело. Краевые углы, смачивание и несмачивание. Параграф
106-109 [2], 34 [1],
2. Капиллярные явления. Параграф 108 [2], 34 [1], 101 [7]
3. Поверхностно-активные вещества. Параграф 34 [1].
Семинарское занятие 22
Поверхностное натяжение. Задачи 6.295- 6.306 из [3].
Семинарское занятие 23
Поверзностное натяжение. Задачи 6.307-6.320 из [3].
Тема 9. Твердые тела
Лекция 22
Признаки кристаллического состояния (анизотропия физических свойств,
дальний порядок, фазовые переходы). Симметрия и элементы симметрии.
Кристаллическая решетка и ее симметрия. Классификация кристаллов.
Кристаллические классы и физические типы кристаллов.
Лекция 23
Тепловые свойства твердых тел. Теплоемкость, модель Эйнштейна, ЭйнштейнаДебая. Теорема Дебая. Тепловое расширение. Фазовые переходы I-го рода:
кристаллизация, плавление, сублимация.
Тема 10. Процессы переноса
Лекция 24
Кинематические характеристики молекулярного движения (эффективное
сечение рассеяния, длина свободного пробега). Общее определение и виды
процессов переноса. Эмпирические законы для газов (закон Фика для
диффузии, Ньютона для внутреннего трения, закон Фурье для
теплопроводности). Процессы переноса в жидкостях и твердом теле.
Семинарское занятие 24
Кинематические характеристики молекулярного движения. Задачи 6.194-6.201
из [3].
Семинарское занятие 25
Процессы переноса. Задачи из 6.202-6.214 [3].
Контрольная работа по решению задач N 2 (по практическим занятиям 1325).
Самостоятельная работа студентов:
1. Процессы переноса в разреженных газах. Параграф 95-96 [2], 54 [1], глава IV
[7]
2. Вакуум. Получение и измерение вакуума. Глава IV [7]
Тема 11. Современные материалы
Лекция 25
Жидкие
кристаллы.
Общая
характеристика
жидких
кристаллов.
Межмолекулярное взаимодействие и тепловые свойства жидких кристаллов.
Использование жидких кристаллов в электронике. Полимеры. Общая
характеристика и классификация.
Понятие о наносистемах. Новые материалы электроники.
Самостоятельная работа студентов:
1. Свойства и применение жидких кристаллов. Параграф 36 [1].
2. Свойства и применение полимеров. Параграф 49 [1].
Коллоквиум N 3 (по материалам лекций 20-26 и самостоятельной работы
студентов).