МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И
ТЕРМОДИНАМИКА
СБОРНИК
ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ ПО ФИЗИКЕ
Новосибирск 2016
УДК: 53(075)
Составители: доц. И.М. Дзю, д.т.н., проф. С.В. Викулов, ст. преп. А.П. Минаев
Рецензент: к.т.н., доц., Е.П. Матус, НГАСУ (Сибстрин)
Молекулярная физика и термодинамика. Сборник индивидуальных заданий по физике / Новосиб.гос.аграр.ун-т. Инженерный ин-т; сост.:И.М. Дзю, С.В. Викулов, А.П. Минаев – Новосибирск: НГАУ, 2016. – 84 с.
Сборник индивидуальных заданий по физике (Молекулярная физика и термодинамика): составлен в соответствии с действующей программой курса физики. Каждое индивидуальное задание содержит 11 задач, охватывающие основные понятия молекулярной физики и термодинамики.
Предназначенно для студентов обучающихся по всем направлениям и формам обучения, реализуемым в НГАУ.
Утверждено и рекомендовано к изданию методическим советом Инженерного института протокол №7 от 1 марта 2016 г.
@ Новосибирский ГАУ,2016
ВВЕДЕНИЕ
В учебном пособии рассмотрены три темы: «Молекулярная физика», «Основы термодинамики» и «Реальные газы и жидкости».Материал тем изложен следующим образом. Кратко изложена суть рассматриваемых тем, по каждой из них в систематизированной форме приведены основные законы и формулы. Приведены примеры решения типовых задач и двенадцать вариантов индивидуальных заданий.
Пособие может быть использовано на практических и контрольных занятиях, при выполнении домашних заданий, а также при самостоятельном изучении курса физики.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
Молекулярная физика – раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя из молекулярно – кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из атомов и молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении. Атомы и молекулы взаимодействуют между собой с силами притяжения и отталкивания.
|
|
Законы поведения огромного числа молекул, являясь статистическими закономерностями, изучаются с помощью статистического метода.
Агрегатные состояния вещества: 1) твёрдое тело; 2) жидкость; 3) газ; 4) плазма.
Модель идеального газа: 1) собственный объём молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объёмом сосуда; 2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия; 3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.
Основные законы и формулы
Количество вещества однородного газа (моль)
(1.1)
где N - число молекул газа; 
число Авогадро; 
масса газа, кг; 
молярная масса, кг/моль; M - молярная масса.
Количество вещества смеси газов
(1.2)
где 
соответственно количество вещества, число молекул, масса, молярная масса i - й компоненты смеси.
Уравнение Клапейрона – Менделеева
(1.3)
(1.4)
где 
универсальная газовая постоянная; 
термодинамическая температура, К; 
молярный объём, м3/моль; 
постоянная Больцмана; 
концентрация молекул (число молекул в единице объема).
Число Лошмидта – число молекул, содержащихся в 1 м3 газа при нормальных условиях (
давление; 
термодинамическая температура)
(1.5)
Основное уравнение молекулярно - кинетической теории газов
(1.6)
где 
средняя квадратичная скорость, м/с; 
средняя кинетическая энергия молекулы газа.
Распределение молекул идеального газа по скоростям (закон Максвелла)
|
|
где 
функция распределения, которая определяет относительное число молекул 
, скорости которых лежат в диапазоне от 
до 
.
Функция 
удовлетворяет условию нормировки
Характерные скорости функции распределения 
1) наиболее вероятная
, (1.7)
2) средняя арифметическая
, (1.8)
3) средняя квадратичная
. (1.9)
Распределение молекул идеального газа по энергиям теплового движения
. (1.10)
Средняя кинетическая энергия 
молекулы идеального газа
. (1.11)
Барометрическая формула
(1.12)
Распределение Больцмана
(1.13)
где 
- концентрация молекул в том месте, для которого 
принята равной нулю, 
- концентрация молекул в том месте, где потенциальная энергия молекулы равна .
Средняя длина свободного пробега молекул
(1.14)
Среднее число столкновений молекулы за 1 с
(1.15)
Закон диффузии Фика
(1.16)
(1.17)
где 
плотность потока массы – величина, определяемая массой вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х; 
градиент плотности; 
коэффициент диффузии.
Закон теплопроводности Фурье
(1.18)
(1.19)
где 
плотность теплового потока – величина, определяемая энергией, переносимой в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х; 
градиент температуры; 
коэффициент диффузии, где 
удельная теплоёмкость газа при постоянном объёме.
Закон внутреннего трения (вязкости) Ньютона
(1.20)
(1.21)
где 
плотность потока импульса – величина, определяемая полным импульсом, переносимым в единицу времени в положительном направлении оси х через единичную площадку, перпендикулярную оси х; 
градиент скорости; 
коэффициент внутреннего трения (динамическая вязкость).
|
|
ОСНОВЫТЕРМОДИНАМИКИ
Термодинамика – раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика не рассматривает микропроцессы, которые лежат в основе этих превращений. Этим термодинамический метод отличается от статистического метода. Термодинамика базируется на двух началах – фундаментальных законах, установленных в результате обобщения опытных данных.
Молекулярно-кинетическая теория и термодинамика взаимно дополняют друг друга, образуя единое целое, но отличаясь различными методами исследования. Термодинамика имеет дело с термодинамической системой – совокупностью макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией, как между собой, так и с другими телами (внешней средой).