Молекулярная физика и термодинамика в вопросах и задачах, Миронова Г.А., Брандт Н.Н., Салецкий А.М., 2012

Молекулярная физика и термодинамика в вопросах и задачах, Миронова Г.А., Брандт Н.Н., Салецкий А.М., 2012.
  В учебном пособии изложены методические основы решения задач раздела «Молекулярная физика и термодинамика» из курса общей физики. Приводятся подробное решение ряда стандартных задач, анализ и интерпретация полученных результатов, оценка правильности полученных решений. Каждая глава начинается с краткого изложения теории, в котором акцентируется внимание на физической сущности законов и принципов решения задач. Приводятся четкие формулировки законов и определений физических величин. В пособие включены элементы статистической, химической и иерархической термодинамики, где обсуждаются вопросы термодинамики полимеров и живых систем. Книга предназначена для студентов ВУЗов, изучающих общую физику, и для преподавателей, ведущих семинарские и практические занятия по разделу «Молекулярная физика и термодинамика», а также может
быть полезна для широкого круга специалистов и лиц, занимающихся самообразованием.

О ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ СТАТИСТИЧЕСКОМ ЗАКОНЕ.
Предположим, что у вас: в руках кусок кинопленки, на которой заснят фильм, демонстрирующий абсолютно упругое соударение двух шариков (рис. 2.1). Можете ли вы определить, какие скорости были у шариков в начале и каковы они стали после взаимодействия? Другими словами, как правильно расположить ось времени (или в каком направлении рассматривать этот обрывок ленты), чтобы она соответствовала поставленному в демонстрации эксперименту?
Оказывается, это невозможно, так как абсолютно упругие удары обратимы во времени.
Теперь предположим, что у нас имеется достаточно большой объем W с газом, молекулы которого обозначены белыми шариками на рис. 2.2. В сосуд W помещен небольшой объем w с другим газом (темные шарики). Молекулы газов соударяются друг с другом, и эти удары можно считать абсолютно упругими. Удалим одну из стенок маленького сосуда w и снимем на видеопленку процесс распространения темных молекул по объему W.
Молекулы в сосуде совершают тепловое хаотическое (случайное) движение. Система «забывает» о начальных условиях. Наблюдаемый процесс, как смена состояний системы, описывается статистическими (вероятностными) законами. Один из таких законов (II закон термодинамики) определяет направление («путь»), по которому система движется к своему наиболее вероятному равновесному макроскопическому состоянию.
Хотя каждое отдельное взаимодействие молекул является обратимым, весь процесс необратим, так как трудно себе представить, что в каком-нибудь реально обозримом будущем все темные молекулы вновь соберутся в маленьком объеме w,, так как вероятность такого события мала.
Понять рассматриваемые в молекулярной физике процессы невозможно, не используя статистические законы.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Элементы комбинаторики. Вероятность. Биномиальное распределение
1.1. Элементы комбинаторики
1.2. Случайная величина. Вероятность
1.3. Вероятность сложных событий
1.4. Статистическая система. Микро- и макросостояния. Биномиальное распределение
1.5. Наиболее вероятное и среднее значения. Дисперсия случайной величины. подчиняющейся биномиальному закону
1.6. Непрерывная случайная величина. Функция плотности вероятности
1.7. Предельные формы биномиального распределения. Распределения Пуассона и Гаусса
Задачи для самостоятельного решения
Глава 2. Статистическое описание термодинамических систем. Равновесное состояние. Температура
2.1. О термодинамическом статистическом законе
2.2. Описание изолированной системы дискретных случайных величин
2.3. Микросостояния изолированной системы молекул идеального газа
2.4. Неизолированные системы. Условие теплового равновесия. Температура
2.5. Вероятность микросостояния термодинамической системы. Распределение Гиббса
2.6. Вероятность макросостояния термодинамической системы
Приложение 2.1. Примеры применения распределения Гиббса
Задачи для самостоятельного решения
Глава 3. Распределение Максвелла
3.1. Идеальный газ в термостате. Распределение молекул идеального газа по кинетической энергии поступательного движения
3.2. Флуктуации
3.3. Распределение молекул идеального газа по скоростям
3.4. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов. Уравнение состояния идеального газа
3.5. Броуновское движение
Задачи для самостоятельного решения
Глава 4. Распределение Больцмана
Задачи для самостоятельного решения
Глава 5. Первое начало термодинамики. Теплоемкость
5.1. Термодинамическая система. Равновесные процессы
5.2. Первое начало термодинамики. Составляющие энергетического баланса: внутренняя энергия, работа и теплота
5.3. Калорические и термические коэффициенты
5.4. Теплоемкость и составляющие энергетического баланса в процессах с идеальным газом
Приложение 5.1. Теплоемкость твердых тел
Задачи для самостоятельного решения
Глава 6. Энтропия. Второе и третье начала термодинамики
6.1. Статистическое определение энтропии.
Второе и третье начала термодинамики
6.2. Термодинамическое определение энтропии
6.3. Энтропия и теплоемкость
6.4. Энтропия идеального газа
6.5. Энтропия смешения
6.6. Энтропия парамагнитной системы
Приложение 6.1. Об энтропии и стационарных состояниях биологических систем
Задачи для самостоятельного решения
Глава 7. Элементы технической термодинамики. Циклические процессы
7.1. Типы тепловых механизмов и их эффективность
7.2. Двигатели внутреннего сгорания
7.3. Принцип динамического отопления
Задачи для самостоятельного решения
Глава 8. Термодинамические потенциалы
8.1. Введение
8.2. Термодинамические потенциалы для систем с постоянным числом частиц
8.3. Свободная энергия Гельмгольца
8.4. Потенциал Гиббса
8.5. Открытые системы. Химический потенциал
8.6. Термодинамические потенциалы и параметры равновесного состояния. Соотношения Максвелла
8.7. Дифференциалы термодинамических функций в р-, V-, T-переменных
8.8. Закрытые системы, обменивающиеся энергией с окружающей средой
8.9. Самопроизвольные процессы
8.10. Стандарты термодинамики
8.11. Энтальпия образования химического соединения из простых веществ
8.12. Термодинамические потенциалы простейших систем
Задачи для самостоятельного решения
Глава 9. Реальные газы. Жидкости
9.1. Введение
9.2. Газ Ван-дер-Ваальса. Состояние равновесия. Процессы
9.3. Калорические и термические коэффициенты газа Ван-дер-Ваальса
9.4. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Критическая точка
Приложение 9.1. Вириальное уравнение состояния
Приложение 9.2. Жидкости
Приложение 9.3. О воде и ее свойствах
Задачи для самостоятельного решения
Глава 10. Поверхностное натяжение. Капиллярные явления
10.1. Фаза
10.2. Поверхностное натяжение
10.3. Давление Лапласа. Пузыри и капли
10.4. Физическая поверхность раздела фаз
10.5. Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления
Приложение 10.1. Поверхностно-активные вещества
Задачи для самостоятельного решения
Глава 11. Фазовые переходы
11.1. Введение
11.2. Классификация фазовых переходов по П. Эренфесту
11.3. Основные особенности фазовых переходов I рода
11.4. Условия равновесия фаз
11.5. Уравнение Клапейрона — Клаузиуса
11.6. Термодинамические характеристики вдоль кривых фазового равновесия
11.7. Изменение энтропии и молярного объема при фазовых переходах I рода
11.8. Фазовые переходы II рода
Приложение 11.1. Процесс образования водяных паров на Т-S- и H-S-диаграммах
Приложение 11.2. О пленочном режиме кипения воды
Приложение 11.3. Термодинамика образования зародышей новой фазы
Приложение 11.4. Конформационные фазовые переходы I рода в биологических структурах
Приложение 11.5. О самопроизвольных процессах самоорганизации в живых организмах
Задачи для самостоятельного решения
Глава 12. Элементы иерархической термодинамики. Растворы. Осмос
12.1. Введение
12.2. Идеальный раствор газов
12.3. Влажность
12.4. Жидкие растворы
12.5. Идеальные растворы. Закон Рауля
12.6. Осмос. Водные растворы
12.7. Коллигативные свойства растворов
12.8. Вода универсальный растворитель
Приложение 12.1. Термодинамический вывод закона Рауля
Приложение 12.2. Адсорбция в поверхностном слое раствора
Приложение 12.3. Полимеры
Задачи для самостоятельного решения
Глава 13. Энтальпия и эффект Джоуля — Томсона
13.1. Термодинамика ламинарного течения газа по трубе
13.2. Детандирование и дросселирование
13.3. Дифференциальный эффект Джоуля — Томсона. Температура инверсии
13.4. Интегральный эффект Джоуля Томсона
Задачи для самостоятельного решения
Глава 14. Явления переноса
14.1. Стационарные процессы переноса
14.2. Кинетические характеристики процессов переноса в газах
14.3. Одномерные стационарные процессы переноса в газах
14.4. Коэффициент вязкости в жидкостях
14.5. Вакуум
14.6. Задачи на стационарные процессы переноса
14.7. Одномерные нестационарные процессы
Задачи для самостоятельного решения
Глава 15. Элементы химической термодинамики. Химические реакции
15.1. Введение
15.2. Уравнение химического процесса
15.3. Тепловой эффект реакции
15.4. Энтальпия химической реакции
15.5. Стандартное изменение энергии Гиббса AG
15.6. Энтальпия растворения
15.7. Калориметрические измерения энтальпии. Энтальпия сгорания
15.8. Энтальпия и потенциал Гиббса как функции температуры и давления
15.9. Химическое равновесие
Задачи для самостоятельного решения
Справочные материалы
Литература
Алфавитный указатель.