Repetitor.Biniko.com
   Образовательный портал


Бесплатный каталог репетиторов
Новости   Профессии   Блоги
Вопросы и ответы   Форум
On-line тестирование






 
Главная
Поиск
Новости
Статьи
Профессии
ЕГЭ - Россия
ВНТ - Украина
ЕНТ - Казахстан
ЦТ - Беларусь
Блоги
Репетиторы
Вопросы и ответы
On-line тестирование
Форум

 




Регистрация:

  Учителя
  Учащиеся
Логин:    Пароль:   


Блоги

Категория: Физика

ВВЕДЕНИЕ

Второй том предлагаемого курса физики, так же как и первый, написан на основе лекций, читавшихся автором на протяжении многих лет (начиная с весеннего семестра 1957 года) для студентов первого курса Московского физико-технического института. Поэтому все с



Второй том предлагаемого курса физики, так же как и первый, написан на основе лекций, читавшихся автором на протяжении многих лет (начиная с весеннего семестра 1957 года) для студентов первого курса Московского физико-технического института. Поэтому все сказанное в предисловии к первому тому относится и ко второму. По сравнению с лекционным курсом книга, естественно, охватывает более широкий круг вопросов. При выборе материала и способа изложения автор стремился к тому, чтобы все изложенное не выходило за пределы того, что способен усвоить студент первого курса. Однако автор надеется, что его книга может оказать пользу и для студентов более старших курсов, а также для всех лиц, изучающих и преподающих физику. Некоторые вопросы моле-кулярной физики, в особенности относящиеся к физике твердого тела, не включены в книгу, так как студенты первого курса еще не подготовлены для их изучения. Эти вопросы предполагается изложить в последующих томах курса.

При выборе вопросов автор не стремился к энциклопедичности изложения. Цель обучения физике заключается не в том, чтобы дать обучающемуся все, а в том, чтобы научить его главному — умению самостоятельно ставить и решать физические вопросы. В соответствии с этим разбор каждого вопроса, включенного в курс, ведется подробно, чтобы всё принципиальное и существенное не прошло мимо внимания изучающего.

Лекционные демонстрации по термодинамике и молекулярной физике осуществлялись лекционными ассистентами Л. Д. Кудря-шевой, В. А. Кузнецовой, М. И. Маклаковым и Г. Н. Фрейбергом. Идеи многих задач, включенных в курс, принадлежат преподавателям физики Московского физико-технического института. Перечислить их всех затруднительно.

Второй том этого курса издавался на ротапринте Московского физико-технического института в двух частях в 1972—1973 гг. Организация ротапринтного издания является заслугой Н. И. Пе-теримовой. По сравнению с ротапринтным изданием настоящее издание несколько исправлено и дополнено главами о растворах, симметрии и строении кристаллов.

Рукопись второго тома была частично просмотрена академиками В. Л. Гинзбургом и М. А. Леонтовичем, профессорами Э. И. Раш-бой и Ю. И. Шиманским и доцентом И. Ф. Классен. Профессор И. А. Яковлев взял на себя труд рецензирования рукописи. Рукопись подверглась также внимательному рецензированию на кафедре экспериментальной физики Киевского государственного университета, возглавляемой профессором И. С. Горбанем. Всем этим лицам, а также профессорам А. 3. Голику и А. М. Федорченко, с которыми консультировался И. С. Горбань при рецензировании рукописи, автор выражает глубокую благодарность. Их критические замечания немало способствовали улучшению рукописи.

Д. В. Сивухин



ВВЕДЕНИЕ





I. Термодинамика и молекулярная физика, которым посвящен настоящий том нашего курса, изучают один и тот же круг явлений, а именно макроскопические процессы в телах, т. е. такие явления, которые связаны с колоссальным количеством содержащихся в телах атомов и молекул. Но эти разделы физики, взаимно дополняя дрг друга, отличаются различным подходом к изучаемым явлениям.

Термодинамика или общая теория теплоты является аксиоматической наукой. Она не вводит никаких специальных гипотез и конкретных представлений о строении вещества и физической природы теплоты. Ее выводы основаны на общих принципах или началах, являющихся обобщением опытных фактов. Она рассматривает теплоту как род какого-то внутреннего движения, но не пытается конкретизировать, что это за движение.

Молекулярная физика, напротив, исходит из представления об атомно-молекулярном строении вещества и рассматривает теплоту как беспорядочное движение атомов и молекул. Молекулярная физика в широком смысле слова изучает не только макроскопические явления. Она рассматривает также свойства и строение отдельных молекул и атомов. Но эти вопросы мы здесь затрагивать не будем. Они будут рассмотрены в другом разделе, а именно в атомной физике. Молекулярную физику часто называют также молекулярно-кинетической теорией строения вещества.

В 19 веке, когда существование атомов и молекул ставилось под сомнение, гипотетические методы молекулярно-кинетической теории не находили сочувствия среди тех физиков, которые отрицательно относились ко всяким гипотезам и основанным на них теоретическим построениям. В этих условиях строгое разграничение между термодинамикой и молекулярно-кинетической теорией было оправдано; надо было отделить достоверные факты от гипотез, хотя бы и в высшей степени правдоподобных. Но двадцатый век принес окончательные неопровержимые доказательства реальности атомов и молекул. Молекулярно-кинетическая теория в основном утратила гипотетический характер, который был присущ ей в начальный период своего развития. Гипотетический элемент в молекулярно-кинетической теории сохранился лишь постольку, поскольку ей приходится пользоваться упрощенными идеализированными молекулярными моделями, которые не полностью, а лишь частично передают свойства реальных тел. Применять такие модели необходимо либо из-за недостаточности наших знаний молекулярной структуры тел, либо для схематизации и упрощения явлений, без которых теоретическое изучение их было бы вообще невозможно. Поэтому отпала необходимость в том резком разграничении между термодинамикой и молекулярно-кинетической теорией, которое так строго проводилось на ранней стадии развития этих разделов физики. Наш курс мы начнем с аксиоматической термодинамики, но при ее изложении с самого начала будем привлекать и молекулярные представления.

Термодинамика является одной из важнейших частей физики. Ее выводы достоверны в той же мере, в какой достоверны аксиомы, на которых она построена. Эти выводы используются во всех разделах макроскопической физики: гидродинамике, теории упругости, аэродинамике, учении об электрических и магнитных явлениях, оптике и пр. Пограничные дисциплины — физическая химия и химическая физика — в значительной своей части занимаются приложениями термодинамики к химическим явлениям.

2. Термодинамика возникла в первой половине 19 века как теоретическая основа начавшей развиваться в то время теплотехники. Ее первоначальная задача сводилась к изучению закономерностей превращения тепла в механическую работу в тепловых двигателях и исследованию условий, при которых такое превращение является наиболее оптимальным. Именно такую цель преследовал французский инженер и физик Сади Карно (1796—1832) в сочинении О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу (1824 г.), в котором впервые были заложены начатки термодинамики, хотя и сохранились старые ошибочные воззрения на теплоту как на какое-то невесомое вещество, которое не может быть ни создано, ни уничтожено. В дальнейшем термодинамика далеко вышла за пределы указанной технической задачи. Центр тяжести переместился в сторону изучения физических вопросов. Основным содержанием современной физической термодинамики является изучение закономерностей тепловой формы движения материи и связанных с ней физических явлений. Приложения к тепловым двигателям, холодильным установкам и прочим вопросам теплотехники выделились в самостоятельный раздел, называемый технической термодинамикой. В нашем курсе вопросы технической термодинамики практически будут привлекаться лишь для иллюстрации общих физических законов.

3. Тепловая форма движения материи — это хаотическое движение атомов и молекул макроскопических тел. Ее специфичность связана с необычайной колоссальностью чисел молекул и атомов во всяком макроскопическом теле. Так, в одном кубическом сантиметре воздуха при нормальных условиях содержится около 2,7 х X 1019 молекул. При тепловом движении молекулы сталкиваются между собой и со стенками сосуда, в который заключена система. Столкновения сопровождаются резкими изменениями величины и направления скоростей молекул. В результате возникает вполне беспорядочное движение, в котором с равными вероятностями представлены все направления скоростей молекул, а сами скорости меняются в широких пределах от очень малых до очень больших значений.

Чтобы получить предварительное представление о характере движения молекул газа, приведем некоторые результаты кинетической теории газов.

Средняя скорость теплового движения газовых молекул весьма велика. Для молекул воздуха она составляет при комнатной температуре почти 500 м/с, возрастая с повышением температуры. Столкновения между молекулами газа происходят чрезвычайно часто. Например, молекула воздуха при нормальной плотности успевает в среднем пройти всего около Ю-8 см от одного столкновения до следующего. Зная среднюю скорость молекулы, нетрудно подсчитать, что при нормальных температуре и плотности молекула воздуха за одну секунду испытывает до 5000 миллионов столкновений, причем число столкновений возрастает с увеличением температуры и плотности газа. Еще чаще сталкиваются молекулы внутри жидкостей, так как они распределены в пространстве значительно более тесно, чем молекулы газа. Помимо поступательного движения совершаются беспорядочные вращения молекул, а также внутренние колебания атомов, из которых они состоят. Все это создает картину чрезвычайно хаотического состояния, в котором находится совокупность громадного числа молекул газов, а также жидких и твердых тел. Такова природа теплоты с точки зрения молекулярно-кинетической теории строения вещества.

О тепловом движении можно говорить только в тех случаях, когда рассматриваемая физическая система является макроскопической. Не имеет смысла говорить о тепловом движении, когда система состоит из одного или нескольких атомов.

) В начале 30-х годов возникла и стала развиваться термодинамика нерав-новесных процессов. Однако этот раздел физики мы здесь рассматривать не будем.

4. Термодинамика изучает только термодинамически равновесные состояния тел и медленные процессы, которые могут рассматриваться как практически равновесные состояния, непрерывно следующие друг за другом ). (Понятие термодинамического равновесия дается в § 1.) Она изучает также общие закономерности перехода систем в состояния термодинамического равновесия. Круг задач молекулярно-кинетической теории значительно шире. Она изучает не только термодинамически равновесные состояния тел, но и процессы в телах, идущие с конечными скоростями. Та часть молеку-лярно-кинетической теории, которая изучает свойства вещества в состоянии равновесия, называется статистической термодинамикой или статистической механикой. Та же часть, в которой изучаются процессы в телах, идущие с конечными скоростями, называется физической кинетикой. Аксиоматическая термодинамика называется также феноменологической или формальной. Достоинством термодинамики является то, что ее выводы характеризуются большой общностью, так как они обычно получаются без использования упрощенных моделей, без чего не может обойтись молеку-лярно-кинетическая теория. Однако последняя, по крайней мере в принципе, позволяет решать и такие вопросы, теоретическое рассмотрение которых невозможно методами одной только аксиоматической термодинамики. Сюда относятся, например, выводы термического и калорического уравнений состояния вещества. Знание таких уравнений необходимо, чтобы придать общим выводам термодинамики законченный конкретный характер. Аксиоматическая термодинамика заимствует эти уравнения из опыта. Кроме того, опыты, поставленные в связи с различными проблемами моле-кулярной физики, показали, что принципы аксиоматической термодинамики не в такой степени незыблемы и универсальны, как это считали ее основоположники. Как и для большинства законов физики, область их применимости ограничена. Так, аксиоматическая термодинамика оставляет в стороне самопроизвольные нарушения состояний термодинамического равновесия или флуктуации, которые проявляются тем отчетливее, чем меньше размеры системы. Статистическая термодинамика охватывает и этот круг явлений, устанавливая тем самым границы применимости формальной термодинамики.

5. Мы изучаем молекулярную физику после классической механики. В этом содержится известная научно-педагогическая трудность. Молекулярная физика должна основываться на законах, которым подчиняются атомы и молекулы. Это законы квантовой механики, которые будут изучаться нами позднее. Без знания этих законов полное и строгое изложение современной молекулярной физики невозможно. Тем не менее, мы излагаем молекулярную физику после классической механики, и вот почему. Широкий круг макроскопических явлений обусловлен не столько деталями строения атомов и характером управляющих ими законов, сколько необычайно большим числом самих атомов в макроскопических системах. При изучении такого рода явлений знание квантовой механики не всегда обязательно. Правда, молекулярная физика, построенная на основе классической механики, охватывает не весь диапазон экспериментальных фактов. Квантовая природа атомов и молекул рано или поздно даст о себе знать, например, в вопросах о теплоемкости тел или в явлениях вблизи абсолютного нуля температуры. Но в этих случаях, по крайней мере для понимания самого основного и существенного, достаточно небольших предварительных сведений из квантовой физики, которые можно сообщить в ходе изложения. Систематическое же изложение квантовой механики, хотя бы и в элементарной форме, непосредственно после классической механики педагогически не оправдано. Начинающий должен ознакомиться с широким кругом экспериментальных фактов, которые одни только могут по-настоящему убедить его в недостаточности классических представлений и необходимости введения представлений квантовых.

6. Изложению феноменологической термодинамики необходимо предпослать следующее замечание. Физики 18-го и отчасти первой половины 19-го века рассматривали теплоту как особое невесомое вещество, содержащееся в телах. Оно не может быть ни создано, ни уничтожено. Это гипотетическое веиество называлось теплородом. Нагревание тел объяснялось увеличением, а охлаждение — уменьшением содержащегося внутри них теплорода. Теория теплорода несостоятельна. Она не может объяснить простейшие явления, например, нагревание тел при трении. Нет необходимости рассматривать эту теорию. Мы упомянули о ней только потому, что терминология, употребляющаяся в учении о теплоте, исторически сложилась под влиянием теории теплорода. Основным понятием теории теплорода было количество теплоты. С точки зрения этой теории оно само собой понятно и не нуждалось в определении. Этим понятием пользуются и теперь, хотя оно неудачно, так как с ним ассоциируется неправильное представление о физической природе теплоты. Терминология всегда более живуча, чем физические представления, сменяющие друг друга. Физикам сплошь и рядом приходится пользоваться не вполне рациональной исторически сложившейся терминологией. Особо большой беды в этом нет, если только каждый термин понимать в смысле данного ему точного определения и не связывать с ним никаких представлений, которые не вытекают из этого определения. В учении о теплоте нет ничего более опасного, как отнести количество тепла к числу первоначальных понятий, не требующих определения. Термином количество теплоты можно пользоваться только при условии, что ему дано ясное и четкое определение, никак не связанное с представлениями теории теплорода. То же относится к таким понятиям, как теплоемкость, скрытая теплота и пр., которые наука получила в наследство также от теории теплорода.



Автор: Диков Александр Дата: 2010-05-17 00:42:25 Просмотров: 533


Комментарии отсутствуют


 

Добавить комментарий:


Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

 

    Репетиторы, математика, русский язык, физика, сдать ЕГЭ, ЕГЭ 2012, тестирование ЕГЭ, ответы по ЕГЭ, репетитор, карта сайта,


    Все права защищены и принадлежат авторам размещающих материалы на сайте. Данный сайт ни какой ответственности за размещенный материал не несет. Копирование материалов возможна только с указанием URL ссылки на исходный материал.