МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Физико-технический институт Кафедра теоретической физики и волновых процессов В.А. Михайлова, Е.А. Михайлова ТЕРМОДИНАМИКА, СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. <...> УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ НАПРАВЛЕНИЙ ПОДГОТОВКИ 011200 Физика 011800 Радиофизика 200500 Лазерная техника и лазерные технологии 010708.65 Биохимическая физика Волгоград 2013 УДК 536.75 ББК 22.317 М69 Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного университета Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, профессор М. Б. Белоненко; канд. физ.-мат. наук, доцент С. А. Куценко М69 Михайлова, В. А. Термодинамика, статистическая физика [Текст] : учеб. пособие для студентов направлений подгот. <...> Поэтому попытки понять (описать) свойства макроскопических систем с использованием только законов классической (законы Ньютона) или квантовой механики (уравнение Шредингера) обречены на провал. <...> Другими словами, статистический метод основан на знании нами законов движения отдельных частиц (законы Ньютона, уравнение Шредингера) и умении вычислять средние значение параметров (теория вероятностей и математическая статистика). <...> T температура, V объем, P давление, E (или U ) – внутренняя энергия, F – свободная энергия Гельмгольца, G – термодинамический потенциал Гиббса, W – тепловая функции (энтальпия), N – полное число частиц, n = N/V – концентрация. <...> Фазовое пространство и его элементы Определим фазовое (конфигурационное) пространство классической механической системы с N степенями свободы как обобщенных координат (q1, q2 .qN) и -мерное пространство, координатами которого являются обобщенных импульсов (p1, p2, ., pN). <...> Микроскопическое состояние системы – это состояние, определяемое одновременным заданием координат и импульсов всех составляющих систему частиц <...>
Термодинамика,_статистическая_физика__Учебное_пособие.pdf
УДК 536.75
ББК 22.317
М69
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного университета
Рецензенты:
д-р физ.-мат. наук, профессор М. Б. Белоненко;
канд. физ.-мат. наук, доцент С. А. Куценко
М69
Михайлова, В. А.
Термодинамика, статистическая физика [Текст] : учеб. пособие для
студентов направлений подгот. 011200 Физика, 011800 Радиофизика,
200500 Лазерная техника и лазерные технологии, 010708.65
Биохимическая физика / В. А. Михайлова, Е. А. Михайлова ; Федер. гос.
авт. образоват. учреждение высш. проф. образования «Волгогр. гос. ун-т»,
Физ.-техн. ин-т, Каф. теорет. физики и волновых процессов. – Волгоград :
Изд-во ВолГУ, 2013. – 102 с.
ISBN 978-5-9669-1128-7
Учебное пособие содержит методику решения задач по курсу «Термодинамика,
статистическая физика» и предназначено для проведения практикума в объеме не
менее 36 часов аудиторной работы. Пособие включает более 100 примеров решения
задач и более 100 задач для самостоятельного решения.
Предназначено для студентов направлений подготовки 011200 Физика, 011800
Радиофизика, 200500 Лазерная техника и лазерные технологии, 010708.65
Биохимическая физика высших учебных заведений.
УДК 536.75
ББК 22.317
ISBN 978-5-9669-1128-7
© Михайлова В. А., Михайлова Е. А., 2013
© ФГАОУ ВПО «Волгоградский
государственный университет», 2013
© Оформление. Издательство Волгоградского
государственного университета, 2013
2
Стр.2
Введение
Предметом изучения данного раздела физики служат макроскопические системы, под
которыми мы будем понимать системы, состоящие из чрезвычайно большого числа
структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов и т.д.). В обычных условиях
макроскопические системы содержат 1025 1029 частиц в 1 м3. Поэтому попытки понять
(описать) свойства макроскопических систем с использованием только законов классической
(законы Ньютона) или квантовой механики (уравнение Шредингера) обречены на провал.
Например, при числе частиц N = 1026 нам потребуется написать 1026 «вторых законов
Ньютона», ввести 2N начальных условий, решить систему уравнений и проанализировать
результат (а ведь средняя продолжительность жизни человека всего 2,2109 секунд). Но
даже, если предположить наличие сверхмощной ЭВМ, способной решить поставленную
задачу, то, что делать с 1026 решениями задачи? А если несколько начальных условий были
заданы не точно, то какова ценность полученных решений?
Для анализа макроскопических систем был разработан статистический метод, в основе
которого лежит описание макросистем с помощью макроскопических параметров
(макропараметров). Под последними понимают усредненные по всем частицам значения
некоторых микропараметров. Например, средняя энергия молекул, средний импульс,
передаваемый молекулами площадке в 1м2 стенки сосуда в 1 секунду и другие. Другими
словами, статистический метод основан на знании нами законов движения отдельных частиц
(законы Ньютона, уравнение Шредингера) и умении вычислять средние значение параметров
(теория вероятностей и математическая статистика).
Перечислим некоторые макропараметры: температура, давление, химический
потенциал, намагниченность, поляризация и т.п. Большая часть макропараметров известна из
общего курса физики, некоторые вводятся впервые, и отнестись к их определениям нужно
примерно так же, как к определениям радиус-вектора частицы, скорости, ускорения и т.д., то
есть – "попытаться понять" и запомнить, привыкнуть.
В настоящем пособии всюду, где это не оговорено особо, используются следующие
обозначения. T температура, V объем, P давление, E (или U ) – внутренняя энергия,
F – свободная энергия Гельмгольца, G – термодинамический потенциал Гиббса, W –
тепловая функции (энтальпия), N – полное число частиц, n = N/V – концентрация.
Приведем численные значения фундаментальных физических констант (в системе
СИ), упомянутых в настоящем пособии:
постоянная Больцмана kB=1.38 •10-23 Дж/К;
постоянная Планка =1.055 • 10-34 Дж с;
масса электрона me = 9.11 10-31 кг;
масса протона mp = 1.67 10-27 кг;
элементарный заряд e = 1.602 10-19 кг;
скорость света в вакууме c = 2.998 108 м/с.
3
Стр.3