2020-06-12
1822
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КЕРЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра математики, физики и информатики
Кузьменко С.Н., Попова Т.Н.
ФИЗИКА
РАЗДЕЛ
«ТЕРМОДИНАМИКА.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»
Курс лекций
для студентов и курсантов специальностей:
| 26.05.05 | «Судовождение», |
| 26.05.07 | «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики», |
| 26.05.06 | «Эксплуатация судовых энергетических установок» |
и для студентов направлений подготовки:
| 13.03.02 | «Электроэнергетика и электротехника», |
| 15.03.02 | «Технологические машины и оборудование», |
| 19.03.03 | «Продукты питания животного происхождения» |
очной и заочной форм обучения
Керчь, 2017 г.
Содержание
| Введение…….……………………………………………………………………….. | 5 |
| ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ. ЗАКОНЫ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА …………… | 7 |
| 1 История развития термодинамики …………………………………….. 2 Предмет и основные понятия термодинамики и молекулярной физики …………………………………………………….. 3 Идеальный газ. Термодинамические параметры газа …………….. 4 Уравнение состояния идеального газа ………………………………… 5 Изопроцессы. Газовые законы ………………………………………….. 6 Закон Дальтона ……………………………………………………………… 7Примеры использования газовых законов …………………………… | 7 8 9 11 13 15 16 |
| УРАВНЕНИЕ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА …………………………………… | 29 |
| 1 Реальные газы ………………………………………………………………. 2 Учет собственного объема молекул …………………………………… 3 Учет взаимодействия молекул …………………………………………. 4 Уравнение Ван-дер-Ваальса и изотермы реального газа ………… 5Примеры использования уравнения Ван-дер-Ваальса …………… | 29 29 30 30 32 |
| ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ……………………………… | 37 |
| 1 Внутренняя энергия ………………………………………………………. 2 Работа в термодинамике ………………………………………………….. 3 Теплопередача. Количество теплоты. Энтропия …………………… 4 Первый закон термодинамики ………………………………………….. 5 Первый закон термодинамики для различных процессов ……….. 6Применение первого закона термодинамики ………………………. | 37 37 39 40 40 41 |
| ТЕПЛОЕМКОСТЬ. ПОЛИТРОПНЫЕ ПРОЦЕССЫ. РАБОТА. ЭНТРОПИЯ……………………………………………………… | 48 |
| 1 Определение теплоемкости ……………………………………………… 2 Изохорная и изобарная теплоемкости ………………………………… 3 Политропные процессы ………………………………………………….. 4 Работа при различных изопроцессах ………………………………….. 5 Энтропия ……………………………………………………………………… 6Применение политропных процессов ………………………………… | 48 49 50 52 52 53 |
| ВТОРОЙ И ТРЕТИЙ ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ. ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ ……………………………………….………….. | 66 |
| 1 Обратимые и необратимые процессы ………………………………… 2 Второй закон термодинамики …………………………………………… 3 Третий закон термодинамики …………………………………………… 4 Тепловые машины и их КПД …………………………………………… 5 Теорема Карно. КПД идеальной тепловой машины ………………. 6 Примеры применения и проявления второго и третьего законов термодинамики ………………………………………………….. 7 Примеры использования тепловых машин ………………………….. | 66 67 67 68 70 72 77 |
| ОСНОВЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ …………………………………………… | 86 |
| 1 Элементы математической статистики ………………………………. 2 Число ударов молекул о стенки сосудов. Основное уравнение МКТ ……………………………………………….. 3 Число степеней свободы молекул. Теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы ………………. 4 Внутренняя энергия. Теплоемкости идеальных газов и кристаллов с точки зрения теоремы о равнораспределении …….. 5 Распределение молекул по скоростям. Распределение Максвелла ……………………………………………………………………. 6 Барометрическая формула. Распределение молекул по потенциальным энергиям ………………………………………………… 7 Статистический вес (термодинамическая вероятность). Энтропия. Второй и третий законы термодинамики с точки зрения МКТ ……………………………………………………….. 8 Явления переноса ………………………………………………………….. 9 Примеры применения элементов статистической термодинамики …………………………………………………………….. | 86 87 89 91 92 97 99 101 103 |
| Список использованной и рекомендованной литературы ………….. | 111 |
| Ресурсы ………………………………………………………………………………. | 111 |
ВВЕДЕНИЕ
|
|
|
|
|
|
Современная физика является многопрофильной наукой, охватывающей чрезвычайно большое число различных по содержанию научных направлений, представляющих фундамент естественных и технических дисциплин.
Основной целью изучения дисциплины «Физика» для будущих специалистов и инженеров является как закрепление теоретических знаний, полученных в процессе освоения школьной программы, так и получение новых теоретических знаний для решения практических проблем, связанных, прежде всего, с энергетикой и технологиями.
К другимважным целям изучения дисциплины относятся:
© раскрытие ключевой роли физики в научно-техническом прогрессе цивилизации;
© развитие умений и навыков научного исследования;
© формирование научно-культурного мировоззрения студентов;
© воспитание у студентов аналитического физического мышления с приложением фундаментальных законов физики к объяснению естественных явлений и научно-технических проблем цивилизации;
© формирование целостного (системного) представления о природе и обществе.
Задачи курса:
© овладение студентами и курсантами научными методами познания окружающего мира;
© усвоение важнейших теоретических физических законов;
© обучение методам решения практических физических задач;
© освоение всей программы курса и приобретение навыков самостоятельной познавательной деятельности.
Дисциплина «Физика» входит в состав базовой части математического и естественнонаучного цикла ООП для студентов и курсантов очной и заочной форм обучения специальностей 26.05.05 «Судовождение», 26.05.07 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики», 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок» и направлений подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 19.03.03 «Продукты питания животного происхождения». Дисциплина изучается во втором и третьем семестрах.
|
|
|
Дисциплина «Физика» раздел «Механика» является базовой для изучения общеинженерных и профессиональных дисциплин: безопасность жизнедеятельности, механика, материаловедение, метрология, теория и устройство судна, технические средства судовождения, радиосвязь и телекоммуникации, гидрометеорологическое обеспечение судоходства, процессы и аппараты, автоматизированные системы, участия в НИР и выполнения выпускной квалификационной работы.
После изучения дисциплины студенты и курсанты должны:
знать:
© смысл основных физических понятий изучаемых разделов дисциплины;
© содержание и физический смысл фундаментальных законов;
© физический смысл основных единиц физических величин и физических постоянных;
© основное содержание физических принципов функционирования промышленных, технических и экологических объектов;
уметь:
© анализировать физические явления и выделять «управляющие» этими явлениями законы;
© применять математические формы физических законов для решения практических задач;
© находить взаимосвязь и взаимообусловленность физических понятий и законов;
© использовать физические принципы и методы для объяснения природных явлений, искать пути решения технологических проблем;
владеть:
© основными способами и навыками решения практических задач;
© навыками работы с научной и справочной литературой;
© методами проведения физических измерений и корректной оценки погрешностей;
© основными приемами обработки экспериментальных данных.
Курс лекций по дисциплине «Физика» раздел «Механика» содержит ответы на все вопросы тематического плана дисциплины. В конце каждой лекции даются вопросы и задания для самостоятельной работы и самопроверки студентов, а также список использованной и рекомендуемой литературы по данной теме.
|
|
|
ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ. ЗАКОНЫ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА
План
1 История развития термодинамики.
2 Предмет и основные понятия термодинамики и молекулярной физики.
3 Идеальный газ. Термодинамические параметры газа.
4 Уравнение состояния идеального газа.
5 Изопроцессы. Газовые законы.
6 Закон Дальтона.
7 Примеры использования газовых законов.
История развития термодинамики
Зарождение термодинамики как науки связано с именем Г. Галилея (1564-1642), который ввёл понятие температуры и сконструировал первый прибор, реагирующий на изменения температуры окружающей среды – термоскоп (1597).
К. Ренальдини (1615-1698) предложил градуировать термометр по реперным точкам. В 1714 г. Г.Д. Фаренгейт (1686-1736), в 1730 г. Р. Реомюр (1683-1757) и в 1742 г. А. Цельсий (1701-1744) создали температурные шкалы в соответствии с принципом К. Ренальдини. Реперные – это точки, на которых основывается шкала измерений. На реперных точках построена Международная практическая температурная шкала. Реперные точки на шкале Цельсия температура замерзания (0 оС) и кипения воды (100 оС) на уровне моря.
В 1744 г. в результате работ российского физика Г.В. Рихмана (1711-1753) и шотландского ученого Джозефа Блэка (1728-1799) пришли к разделению понятий теплоты и температуры. Для объяснения природы теплоты использовались две теории: по одной теплота связывалась с движением частиц, а по другой рассматривалась специальная материя – теплород.
Дж. Блэк ввёл понятия скрытой теплоты плавления (1757) и теплоемкости (1770). В 1772 г. И. Вильке (1732-1796) ввёл определение калории как количества теплоты, необходимой для нагревания 1 г воды на 1 оС. В 1780 г. А. Лавуазье (1743-1794) и П. Лаплас (1749-1827) сконструировали калориметр и впервые экспериментально определили удельные теплоёмкости ряда веществ.
В 1824 Н. Карно (1796-1832) опубликовал работу, посвящённую исследованию принципов работы тепловых двигателей.
В 1834 г. Б. Клапейрон (1799-1864) ввёл графическое представление термодинамических процессов и развил метод бесконечно малых циклов. В 1842 году Ю. Майер (1814-1878) сформулировал принцип взаимопревращаемости теплового и механического движений, теоретически вычислил термомеханический эквивалент, который в 1843 г. экспериментально определил Дж. Джоуль (1818-1889).
В 1847 г. немецкий ученый, иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1868) Г. Гельмгольц (1821-1894) отметил универсальный характер закона сохранения энергии. Впоследствии Р. Клаузиус (1822-1888) и У. Томсон – лорд Кельвин – (1824-1907) систематически развили теоретический аппарат термодинамики, в основу которого положены первое начало термодинамики и второе начало термодинамики. В 1854 г. развитие второго начала термодинамики привело Р. Клаузиуса к определению энтропии и в 1865 г. к формулировке закона возрастания энтропии. В 1872 г. Л. Больцманом (1844-1906) была дана статистическая интерпретация энтропии. Начиная с работ Дж. Гиббса (1839-1903), предложившего в 1873 г. метод термодинамических потенциалов, развивается теория термодинамического равновесия.
Во 2-й половине XIX в. проводились исследования термодинамики реальных газов. Особую роль сыграли эксперименты Т. Эндрюса (1813-1885), который в 1861 г. впервые обнаружил критическую точку системы жидкость-пар. Её существование на год раньше предсказал Д.И. Менделеев (1834-1907).
К концу XIX в. достигнуты большие успехи в получении низких температур, в результате чего были получены сжиженный кислород, азот, водород, а затем и гелий. Экспериментальные исследования в области низких температур в 1906 г. позволили В. Нернсту (1864-1941) сформулировать третье начало термодинамики.
В 1902 г. Дж. Гиббс опубликовал работу, в которой все основные термодинамические соотношения были получены в рамках статистической физики. В 1931 г. Л. Онсагером (1903-1976) была установлена связь между кинетическими свойствами тела и его термодинамическими характеристиками.
В XX в. интенсивно исследовали термодинамику твёрдых тел, а также квантовых жидкостей и жидких кристаллов, в которых имеют место многообразные фазовые переходы. В 1935-1937 гг. Л.Д. Ландау (1908-1968) развил общую теорию фазовых переходов, основанную на концепции спонтанного нарушения симметрии.
