4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами

Таблица 4

5. Содержание дисциплины

Модуль 1.

Тема 1. Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов. Предмет молекулярной физики. Методы описания молекулярных систем. Модель идеального газа. Уравнение Клапейрона-Менделеева. Абсолютная шкала температур. Эмпирические шкалы температур. Смеси газов. Закон Авогадро и Дальтона. Движение броуновской частицы как подтверждение непрерывности и хаотичности движения молекул.

Тема 2. Термодинамический метод в молекулярной физике. Термодинамические параметры. Понятие термодинамического равновесия и нулевое начало термодинамики.

Первое начало термодинамики. Работа. Теплота. Внутренняя энергия. Функции состояния и полные дифференциалы. Процессы в идеальных газах. Изменения термодинамических параметров в процессах идеальных газов. Теплоемкость. Классическая теория теплоемкости.

Циклические процессы и тепловые машины. Работа цикла. КПД цикла. Цикл Карно. Тепловые и холодильные машины. Теоремы Карно.

Второе начало термодинамики. Формулировки Кельвина, Клаузиуса и Карно. Их эквивалентность. Неравенство Клаузиуса.

Энтропия и ее изменение в различных процессах. Формулировка второго начала с помощью понятия энтропии.

III-начало термодинамики. Следствия из III-начала термодинамики. Доказательство недостижимости абсолютного нуля.

Термодинамические функции. Устойчивость систем.

Тема 3. Статистический метод в молекулярной физике. Основные понятия теории вероятности. Сложение и умножение вероятностей. Средние значения дискретной и непрерывно меняющейся величины. Понятие о флуктуациях. Относительная величина флуктуаций.

Распределение Больцмана. Понятие об отрицательной абсолютной температуре.

Распределение Максвелла по компонентам скоростей и по скоростям. Наиболее вероятная и средне арифметическая скорость молекул. Поток молекул в данном направлении.

Статистический характер энтропии и второго начала термодинамики.

Тема 4. Процессы переноса в идеальных газах. Обобщенное уравнение переноса. Поток энергии, импульса, массы. Связь между коэффициентами переноса для идеальных газов.

Уравнения диффузии и теплопроводности. Стационарные и нестационарные задачи теплопроводности. Краевые и начальные условия. Решение задач теплопроводности в системах с цилиндрической и сферической симметрией.

Явления переноса в разреженных газах. Определение вакуума. Диффузия через пористую перегородку.

Тема 5. Реальные газы. Силы межмолекулярного взаимодействия. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Фазовый переход газ – жидкость и область двухфазных состояний. Критическая температура. Свойства вещества при критической температуре. Приведенное уравнение Ван-дер-Ваальса. Термодинамические параметры и термодинамические процессы в реальных газах.

Тема 6. Фазовые переходы I и II рода Условия равновесия фаз. Изменение потенциала Гиббса и его производных при фазовых переходах I и II рода. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса для фазовых переходов I рода. Фазовые диаграммы. Примеры фазовых переходов I и II рода.

Тема 7. Конденсированные состояния вещества. Тепловое движение молекул в газах, жидкостях и твердых телах. Понятие о структуре жидких и твердых тел. Радиальные функции распределения молекул в газах, жидкостях и твердых телах. «Газоподобность» и «твердоподобность» жидкостей.

Сопоставление явлений переноса в газах, жидкостях и твердых телах. Ньютоновские и неньютоновские жидкости.

Капиллярные явления. Поверхностное натяжение жидкостей и твердых тел. Термодинамика поверхностного натяжения жидкостей. Лапласовское давление. Явления смачивания и растекания. Уравнение Юнга.

Испарение и кипение жидкостей. Давление пара над плоской и искривленной поверхностью жидкости. Перегретая жидкость и переохлажденный пар.

Растворы и их свойства. Растворимость. Закон Рауля. Закон Генри. Диаграммы состояния растворов. Кипение растворов с нелетучим и летучим компонентом. Диаграммы состояния бинарных смесей. Осмотическое давление. Поверхностное натяжение растворов.

6. Планы семинарских занятий

Модуль 1.

Тема 1. Решение задач на процессы в идеальных газах и их смесях с использованием уравнения Клапейрона-Менделеева.

Тема 2. Решение задач по расчету работы, теплоты, изменений внутренней энергии газа и теплоемкости в различных процессах.

Тема 3. Решение задач по расчету КПД циклических процессов и тепловых машин.

Тема 4. Решение задач по расчету изменений энтропии в различных процессах.

Контрольная работа №1 по темам 1-4.

Модуль 2.

Тема 5. Решение задач на функцию распределения Больцмана.

Тема 6. Решение задач на функции распределения Максвелла по компонентам скоростей и по скоростям.

Тема 7. Решение задач на расчет длины свободного пробега, число столкновений молекул в идеальных газах, коэффициентов переноса в идеальных газах.

Тема 8. Решение задач на уравнение теплопроводности и расчету распределения температуры внутри и вокруг нагретых тел различной симметрии.

Контрольная работа №2 по темам 5-8.

Модуль 3.

Тема 9. Решение задач по процессам в реальных газах с использованием уравнения Ван-дер-Ваальса.

Тема 9. Решение задач по расчетам изменений внутренней энергии, теплоты и работы в процессах реальных газов.

Тема 10. Решение задач по расчетам изменений параметров систем с фазовыми переходами.

Тема 11. Решение задач на свойства конденсированного состояния вещества, поверхностного натяжения жидкостей и Лапласовское давление.

Контрольная работа №3 по теме 9-11.

Проверка освоения дисциплины по тестам на знание формул и задач Интернет-экзамена.

7. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов

7.1 Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля)

Данной рабочей программой предусмотрена самостоятельная работа в объеме 72 часа. В соответствии с Положением о самостоятельной работе студентов в ГОУ ВПО «Тюменский государственный университет», под самостоятельной работой студентов (далее СРС) понимается «учебная, научно-исследовательская и общественно-значимая деятельность студентов, направленная на развитие общих и профессиональных компетенций, которая осуществляется без непосредственного участия преподавателя, хотя и направляется им».

По дисциплине «Молекулярная физика» студентам предлагаются следующие формы СРС:

· изучение обязательной и дополнительной литературы;

· выполнение самостоятельных заданий на практических занятиях;

· решение заданных для самостоятельного решения задач;

· повышение уровня подготовки путем решения олимпиадных задач повышенной трудности

· поиск информации по заданной теме в сети Интернет;

· самоконтроль и взаимоконтроль выполненных заданий;

· подготовка к написанию контрольных работ, тестов, сдача экзамена.

7.2. Формы текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины

В качестве форм текущей аттестации используются такие формы, как проверка домашних заданий, контрольные работы, устные опросы, коллоквиум.

Промежуточный контроль имеет форму контрольной работы, в которой оценивается уровень овладения обучающимися знаниями по предмету.

В соответствии с Положением о рейтинговой системе оценки успеваемости студентов в ГОУ ВПО «Тюменский государственный университет», во время последней контрольной недели семестра преподаватель подводит итоги работы каждого студента и объявляет результаты студентам. Однако если студент желает улучшить свой рейтинг по дисциплине, ему предоставляется право набрать дополнительные баллы – переписать контрольные работы, коллоквиум, пересдать тесты, выполнить дополнительные задания и т. п.

Поскольку дисциплина преподается в течение одного семестра, для выставления итоговой оценки на экзамене выводится средний балл по дисциплине. В случае если средний балл составляет не менее 61, и студент согласен с итоговой оценкой, ему выставляется оценка согласно шкале перевода:

- от 61 до 75 баллов – «удовлетворительно»;

- от 76 до 90 баллов – «хорошо»;

- от 91 до 100 баллов – «отлично».

В случае несогласия студента с итоговой оценкой, ему предоставляется право сдавать экзамен, и оценка выставляется непосредственно по результатам экзамена.

Итоговый контроль (экзамен) проводится в устно-письменной форме. Экзамен включает письменную часть – ответ по экзаменационному билету. Устная часть экзамена оценивает полученные знания по дисциплине путем собеседования с преподавателем.

Примерные задания для контрольных работ

Примерное задание для контрольной работы № 1.

1. В сосуде объемом V=15л находится смесь азота и водорода при температуре Т=23оС и давлении р=200 кПа. Определить массу смеси и ее компонентов, если доля азота по массе равна 0,7. Ответ: масса смеси 6,97 г; масса азота 4,87г; масса водорода 2,1г .

2. Водород массой 10г нагрели на DТ=200К, причем газу было передано количество теплоты Q=40 кДж. Найти изменение внутренней энергии газа DU и совершенную им работу А.

Ответ: DU≈20,8к Дж ; А≈19,2 кДж .

3. Идеальный газ совершает цикл Карно. Температура Т1нагревателя в n=4 раза выше температуры холодильника Т2. Какая часть получаемой от нагревателя теплоты Q+ в данном цикле отдается холодильнику. Ответ: ¼ часть.

Примерное задание для контрольной работы № 2.

1. Во сколько раз плотность распределения молекул вблизи наиболее вероятной скорости больше их плотности вблизи среднеквадратичной скорости? Ответ: в 1,1раза.

2. Вблизи поверхности Земли отношение концентраций кислорода и азота в воздухе равно 0,268. Найти это отношение на высоте h= 10км при температуре воздуха 0оС.

Ответ: 0,224 .

3. Найти температуру в однородном веществе на расстоянии 20см от сферического источника накаливания диаметром d=5см, если температура на его поверхности равна То=200оС, а вдали от него Т∞=20оС. Ответ: T= (То - Т∞) · d /r+ Т∞=42,5 оС.

Примерное задание для контрольной работы № 3.

1. Какой слой воды можно носить в решете с отверстиями диаметром 3мм, покрытом парафином. Ответ: в 9,3 мм.

2. Найти давление насыщенного водяного пара при Т=101,1оС, если удельная теплота парообразования воды q= 2,25кДж/г. Ответ: в 1,039атм.

3. Газ находится в критическом состоянии. Во сколько раз изменится давление р газа при одновременном увеличении температуры T и объема V газа в n=2раза. Ответ: в 3,05раз.

8. Вопросы к экзамену

1. Модель идеального газа. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа. Уравнение Клапейрона-Менделеева. Температура. Абсолютная шкала температур. Смеси газов. Закон Дальтона.

2. Броуновское движение.

3. Нулевое и первое начало термодинамики. Процессы. Расчет работы, теплоты и изменений внутренней энергии в различных процессах.

4. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона.

5. Теплоемкость. Соотношение Майера. Классическая теория теплоемкости. Число степеней свободы.

6. Политропический процесс. Частные случаи политропического процесса.

7.Различные формулировки II-начала термодинамики. Теоремы Карно.

8. Энтропия и ее физический смысл.

9. Обратимые циклические процессы. Тепловые машины. К. п.д. тепловых машин. Цикл Карно. Холодильная машина.

10. Обратимые и необратимые процессы. Неравенство Клаузиуса.

11. Связь энтропии с вероятностью. Вероятностный характер II-начала термодинамики.

12.Термодинамические функции. Соотношения Максвелла. Устойчивое состояние систем.

13.Расчет изменений энтропии в процессах идеального газа, при фазовых переходах и теплообмене.

14.III-начало термодинамики (Теорема Нернста ).

15.Основные понятия теории вероятностей. Сложение и умножение вероятностей. Условие нормировки. Статистически среднее значение.

16.Распределение Больцмана. Барометрическая формула.

17. Распределение Максвелла по компонентам скоростей и по скоростям.

18. Наиболее вероятная, средне-арифметическая и среднеквадратичная скорость молекул.

19. Длина свободного пробега и среднее число столкновений молекул идеального газа. Поток молекул газа в данном направлении.

20. Обобщенное уравнение переноса. Коэффициенты вязкости, диффузии и теплопроводности идеального газа. Поток импульса, массы и энергии.

21. Явления переноса в вакууме. Относительность понятия вакуума.

22. Уравнение теплопроводности и диффузии, зависящие от времени. Граничные и начальные условия. Расчет распределения тепла между пластинами, вокруг нагретой сферы и цилиндра.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4