ЗО 04: Термодинаміка та молекулярна фізика
Дисципліна забезпечує формування фундаментальних знань у сфері термодинаміки, молекулярної фізики, молекулярно-кінетичної теорії та статистичної фізики, які необхідні для розуміння фізичних процесів в макроскопічних та мікроскопічних системах. Метою навчальної дисципліни є формування у студентів знань про основи класичної термодинаміки, статистичної фізики та молекулярної фізики, розвиток компетентностей у застосуванні цих знань для аналізу фізичних явищ, явищ переносу, енергетичних перетворень та фазових переходів.
Лектор:
д.ф.-м.н., професор Монастирський Геннадій Євгенович
Зміст дисципліни
Предмет та метод термодинаміки. Основні поняття
- Нульовий принцип термодинаміки
- Термометрія. Поняття температури. Ідеально-газова шкала температур
- Газові закони. Рівняння стану ідеального газу
Перший принцип термодинаміки
- Макроскопічна робота. Визначення роботи для різних термодинамічних систем
- Перший принцип термодинаміки. Внутрішня енергія як функція стану
- Експеримент Гей-Люсака. Ефект Джоуля-Томпсона і залежність внутрішньої енергії газу від об’єму
- Поняття ентальпії. Ізоентальпійні процеси. Використання поняття ентальпії для опису теплових процесів
- Співвідношення Роберта Майєра. Теплоємність реальних речовин. Залежність від температури
- Рівняння адіабати для ідеального газу. Швидкість розповсюдження звуку в газах
- Закон Гесса. Залежність теплоти реакції від температури
- Цикли теплових машин. Практична ефективність двигунів внутрішнього та зовнішнього згорання. Теплові насоси
Другий принцип термодинаміки
- Теплова машина. Лемма Карно
- Другий принцип термодинаміки. Постулат Клаузіуса. Постулат Томпсона-Планка
- Еквівалентність постулатів Клаузіуса та Томпсона-Планка
- Цикл Карно, перша та друга теорема Карно
- Термодинамічна шкала температур. Абсолютний нуль температур
- Рівність Клаузіуса. Ентропія
- Незворотні процеси. Нерівність Клаузіуса. Закон зростання ентропії
- Вираз для ентропії ідеального газу. Парадокс Гіббса
- Термодинамічні потенціали
- Співвідношення взаємності Максвела. Співвідношення калібровки
Третій принцип термодинаміки. Термодинамічна рівновага
- Третій закон термодинаміки (теорема Нернста). Поведінка ентропії та теплоємності тіл за низьких температур
- Хімічний потенціал. Умова термодинамічної рівноваги двох фаз
- Закон діючих мас для реагуючих газів, як приклад виконання принципу Ле Шательє-Брауна
- Закон Ван Гофта, як приклад виконання принципу Ле Шательє-Брауна
Реальні гази
- Експериментальні дані про поведінку реальних газів. Температура Бойля. Ізотерми Ендрюса. Потенціал Ленарда-Джонса
- Рівняння Ван-дер-Ваальса
- Ізотерма реального газу. Критичні параметри. Закон відповідних станів
- Ефект Джоуля-Томпсона. Методи отримання низьких температур
Поверхневі явища
- Термодинаміка поверхневого натягу. Температурна залежність коефіцієнта поверхневого натягу
- Формула Лапласа
- Явища змочування. Кут змочування. Формула Жюрена (капілярні явища)
Фазові перетворення
- Фазові діаграми. Фазові перетворення першого роду та другого роду. Класифікація Еренфеста
- Рівновага фаз. Формула Клайперона-Клаузіуса
- Потрійна точка. Правило фаз Гіббса
- Теорія зародкоутворення. Критичний зародок
- Тиск насиченої пари над викривленою поверхнею. Формула Вільяма-Томсона
Основи молекулярної фізики
- Експериментальні основи молекулярної фізики. Основні положення молекулярно-кінетичної теорії
- Основне рівняння кінетичної теорії газів
- Закон рівнорозподілу енергії за степенями волі. Класична теорія теплоємності. Недоліки класичної теорії
- Максвелівський закон розподілу швидкостей. Середня, середньо-квадратична та найбільш вірогідна швидкість молекул газу
- Температура виродження газу. Принцип детальної рівноваги
- Метод комірок Больцмана. Розподіл Максвела-Больцмана
- Ентропія з молекулярно-кінетичної точки зору. Стала Больцмана
- Розподіл Больцмана та барометрична формула
Елементи кінетики та процеси переносу
- Браунівський рух. Формула Ейнштейна. Рухливість і коефіцієнт дифузії
- Визначення числа Авогадро за спостеріганням браунівського руху. Експерименти Перрена
- Число зіткнень та середня довжина вільного пробігу молекул. Газо-кінетичний діаметр молекули та його визначення
- Дифузія, теплопровідність, внутрішнє тертя та їх молекулярно-кінетичне трактування
- Кінетичні коефіцієнти та їх зв’язок із молекулярними характеристиками газу
- Перший і другий закон Фур’є. Закон Фіка
- Молекулярна течія газу. Особливості явищ переносу в ультрарозріджених газах
Компетенції, що формуються
Загальні компетенції
- ЗК 1: Здатність застосовувати знання у практичних ситуаціях.
- ЗК 2: Знання та розуміння предметної області та розуміння професійної діяльності.
- ЗК 6: Здатність проведення досліджень на відповідному рівні.
Фахові компетенції
- ФК 2: Здатність брати участь у плануванні і виконанні експериментів та лабораторних досліджень властивостей фізичних систем, фізичних явищ і процесів, обробленні й презентації їхніх результатів.
- ФК 3: Здатність брати участь у виготовленні експериментальних зразків, інших об'єктів дослідження.
- ФК 6: Здатність використовувати сучасні теоретичні уявлення в галузі фізики для аналізу фізичних систем.
Програмні результати навчання
- ПРН 1: Знати і розуміти сучасну фізику на рівні, достатньому для розв’язання складних спеціалізованих задач і практичних проблем прикладної фізики.
- ПРН 4: Застосовувати фізичні, математичні та комп'ютерні моделі для дослідження фізичних явищ, розробки приладів і наукоємних технологій.
- ПРН 14: Обирати та використовувати методи та засоби дослідження структури, складу та властивостей речовин і матеріалів.
Останнє оновлення: 2025-09-26
