Молекулярная физика и термодинамика Допущено Научно-методическим Советом по физике Министерства образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям подготовки и специальностям Издательство Томского политехнического университета 2012 53(075.8) 22.373 89 89 . <...> Приведены классические формулировки законов молекулярно-кинетической теории вещества. <...> Показано, что закономерности и соотношения между физическими величинами, к которым приводит молекулярная физика и термодинамика, имеют универсальный характер. <...> Бертран Рассел ОБОЗНАЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Основные физические величины Длина Масса Время Термодинамическая температура Плоский угол Гравитационная постоянная Давление l, м Т, К Дополнительные физические величины α, φ, рад Телесный угол Производные физические величины γ, м3кг–1с–2 Работа Длина свободного пробега молекул, длина волны Добротность, количество тепла Импульс Индекс суммирования, число степеней свободы Концентрация молекул Коэффициент диффузии Коэффициент жесткости Коэффициент трения КПД цикла Модуль Юнга Момент импульса Момент инерции Момент силы Мощность Напряжение упругое Объем Период колебаний Плотность Площадь, энтропия р, кг·м·с–1 Скорость центра инерции υс, м·с–1 CP, Р, Па Сила λ, м Q i n D, м2с–1 Скорость угловая Теплоемкость при постоянном давлении k, Н·м–1 Ускорение Теплоемкость при постоянном давлении Угол поворота μ Ускорение нормальное η Ускорение свободного падения Е, Па Ускорение тангенциальное L, кг·м2·с–1 Ускорение угловое J, кг·м2 Частота М, Н·м Частота круговая N, Вт Энергия внутренняя σ, Па Энергия кинетическая V, м3 Энергия покоя ρ, кг·м–3 Энергия потенциальная S Т, с Энергия полная Энергия удельная Скорость Ω , ср υ, м·с–1 А, Дж F, Н ω, рад·с–1 Дж/моль·К СV, Дж/моль·К φ, рад а, м·с–2 ап, м·с–2 ε, рад· <...>
Физика,__Ч._1_Механика._Механические_колебания_и_волны._Молекулярная_физика_и_термодинамика.pdf
53(075.8)
22.373
89
89
..
. . I. -. - .
- : /
.. , .. ; .
– : - ,
2012. – 234 .
ISBN 978-5-98298-927-7 (. 1)
ISBN 978-5-4387-0044-9
,
,
.
,
,
, .
.
- 53(075.8)
22.373
- ,
.. -
- ,
..
ISBN 978-5-98298-927-7 (. 1) © , 2012
ISBN 978-5-4387-0044-9
© .., .., 2012
© .
, 2012
2
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 7
ОБОЗНАЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН .................................................... 9
1. МЕХАНИКА .................................................................................................. 10
1.1. Предмет физики и ее связь с другими науками ...................................... 10
1.1.1. Предмет физики ................................................................................. 10
1.1.2. Теория и эксперимент в физике ........................................................ 10
1.1.3. Физика и другие науки ...................................................................... 12
1.1.4. Пространственно-временные отношения ......................................... 13
1.2. Кинематика материальной точки ............................................................ 15
1.2.1. Понятие механики. Модели в механике ........................................... 15
1.2.2. Система отсчета, тело отсчета. Сведения о векторах ...................... 16
1.2.3. Кинематика материальной точки. Путь, перемещение ................... 19
1.2.4. Ускорение и его составляющие ........................................................ 22
1.2.5. Кинематика твердого тела. Виды движения .................................... 25
Контрольные вопросы. Упражнения .......................................................... 28
1.3. Основные уравнения классической динамики ....................................... 29
1.3.1. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы ............................ 29
1.3.2. Масса и импульс тела ........................................................................ 30
1.3.3. Второй закон Ньютона. Принцип суперпозиции ............................. 31
1.3.4. Третий закон Ньютона ...................................................................... 32
1.3.5. Импульс произвольной системы тел ................................................ 33
1.3.6. Основное уравнение динамики поступательного движения ........... 34
1.3.7. Закон сохранения импульса .............................................................. 35
Контрольные вопросы. Упражнения .......................................................... 37
1.4. Силы в механике ...................................................................................... 38
1.4.1. Виды и категории сил в природе ...................................................... 38
1.4.2. Сила тяжести и вес тела .................................................................... 38
1.4.3. Упругие силы. Механические свойства твердых тел ...................... 39
1.4.4. Силы трения ....................................................................................... 43
Контрольные вопросы. Упражнения .......................................................... 45
1.5. Неинерциальные системы отсчета .......................................................... 47
1.5.1. Уравнение Ньютона для неинерциальных систем ........................... 47
1.5.2. Центростремительная и центробежная силы ................................... 48
1.5.3. Вклад вращения Земли в ускорение свободного падения ............... 49
1.5.4. Сила Кориолиса ................................................................................. 50
Контрольные вопросы. Упражнения .......................................................... 53
1.6. Энергия. Работа. Мощность. Законы сохранения .................................. 54
1.6.1. Кинетическая энергия. Работа и мощность ...................................... 54
1.6.2. Консервативные силы и системы ..................................................... 56
1.6.3. Потенциальная энергия ..................................................................... 57
1.6.4. Закон сохранения механической энергии ........................................ 60
1.6.5. Условие равновесия механической системы.................................... 60
3
Стр.3
1.6.6. ........................................................ 62
. ............................................................ 65
1.7. ................................. 66
1.7.1. .......... 66
1.7.2. ................ 69
1.7.3. . ....... 71
1.7.4. ....................................... 73
1.7.5. ................................................. 73
1.7.6.
....................................................................... 75
1.7.7. ........................... 76
. ............................................................ 78
1.8. . ........................................... 79
1.8.1. .................................................................. 79
1.8.2. . ................................................ 81
1.8.3. . ........................ 82
1.8.4. .......................................................... 85
1.8.5. . ............................................ 86
. ............................................................ 89
1.9. ...................................................... 90
1.9.1. .................................................... 90
1.9.2. .............................................. 91
1.9.3. ..................................................................... 92
1.9.4. .............................................. 93
1.9.5. ........................................................ 95
1.9.6. ..................................................................... 96
1.9.7. ................................................... 99
. .......................................................... 103
2. ........................................ 105
2.1. ........................................................................ 105
2.1.1. .............................................................. 105
2.1.2. ............................................. 107
2.1.3. ....................................... 108
2.1.4. ........... 109
2.1.5. .................................................. 110
2.1.6. ............................................................. 112
. .......................................................... 116
2.2. ...................................................... 116
2.2.1. .................................................. 116
2.2.2. . ................................. 118
2.2.3. ......................... 121
2.2.4. ( ) ................................................... 121
. .......................................................... 123
4
Стр.4
2.3. ............................... 124
2.3.1. .......................... 124
2.3.2.
..................................................................................... 125
2.3.3. .......................................... 126
. .......................................................... 128
2.4. ........................................................................................... 129
2.4.1. ............................................ 129
2.4.2. .......................................... 130
2.4.3. .
. .................................................. 132
2.4.4. . .............................................. 135
2.4.5. ........................................................................... 136
2.4.6. .................................................................................. 137
. .......................................................... 142
3. . - ............................ 143
3.1. -- ......................................................... 143
3.1.1.
................................................................................ 143
3.1.2. .
- ................................................... 145
3.1.3.
............................................................. 146
3.1.4. ..................................................................... 147
. .......................................................... 149
3.2. ................................................................ 150
3.2.1. ................................................................ 150
3.2.2. .......................................................................... 151
3.2.3. - ................................................. 152
3.2.4. ................................................................. 154
3.2.5. .................................................................. 155
. .......................................................... 156
3.3. .............................................................. 157
3.3.1.
..................................................................... 157
3.3.2. ................................................................... 158
3.3.3. .............................................................................. 160
. .......................................................... 161
3.4. .
. ......................................................................... 162
3.4.1. . ............................................. 162
3.4.2. .......................................................... 164
3.4.3.
........................................................................... 165
5
Стр.5
3.4.4. Теплоемкость одноатомных и многоатомных газов ...................... 166
3.4.5. Применение первого начала термодинамики
к изопроцессам ................................................................................ 168
Контрольные вопросы. Упражнения ........................................................ 170
3.5. Круговые процессы. Тепловые машины ............................................... 171
3.5.1. Круговые обратимые и необратимые процессы ............................ 171
3.5.2. Тепловые машины ........................................................................... 173
3.5.3. Цикл Карно ...................................................................................... 174
3.5.4. Циклы Отто, Дизеля и Стирлинга .................................................. 176
Контрольные вопросы. Упражнения ........................................................ 178
3.6. Энтропия. Второе и третье начала термодинамики ............................. 179
3.6.1. Приведенная теплота. Энтропия ..................................................... 179
3.6.2. Изменение энтропии в изопроцессах и в фазовых переходах......... 180
3.6.3. Поведение энтропии в процессах изменения
агрегатного состояния ..................................................................... 181
3.6.4. Второе начало термодинамики ....................................................... 182
3.6.5. Термодинамические потенциалы. Свободная
и связанная энергии ......................................................................... 183
3.6.6. Статистический смысл энтропии. Третье начало
термодинамики ................................................................................ 184
Контрольные вопросы. Упражнения ........................................................ 186
3.7. Термодинамические свойства реальных газов ..................................... 187
3.7.1. Реальные газы .................................................................................. 187
3.7.2. Силы межмолекулярного взаимодействия ..................................... 188
3.7.3. Изотермы уравнения Ван-дер-Ваальса ........................................... 191
3.7.4. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса .................................... 192
3.7.5. Процесс Джоуля–Томсона. Сжижение газов ................................. 192
Контрольные вопросы. Упражнения ........................................................ 195
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................ 197
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................ 198
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И ФОРМУЛЫ .......................................................... 199
ГЛОССАРИЙ ................................................................................................... 218
ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................ 230
6
Стр.6