Физика макросистем

Ю.Е. Милов, П.Ю. Романов

Физика макросистем

Москва

Инфра-М

2017

Ю.Е. Милов, П.Ю. Романов

Физика макросистем

Конспект лекций

Москва

Инфра-М; Znanium.com

2017

Милов, Ю.Е.

Физика макросистем: конспект лекций / Ю.Е. Милов, П.Ю. Романов. –

М.: Инфра-М; Znanium.com, 2017. – 54 с.

ISBN 978-5-16-104772-9 (online)

Учебное пособие включает в себя лекционный материал, читаемый автором 
на механико-машиностроительном факультете МГТУ. Содержит разделы:
введение, физические величины, классическая механика, механические
колебания и волны, релятивистская механика.

Пособие может быть полезно студентам и преподавателям технических
специальностей вузов.

ISBN 978-5-16-104772-9 (online)
© Ю.Е. Милов, П.Ю. Романов, 2017

Оглавление 
Предисловие   (5). 
Введение (6) 
Физические величины (7) 
Физика макросистем  (8). 
1. Макросистемы и методы их изучения (8). 
2. Введение в  термодинамику  (8). 
    2.1  Состояние системы  (8).  
    2.2  Процесс  (9). 
    2.3. Температура  (9).  
    2.4. Идеальный газ  (10).       
    2.5  Внутренняя энергия  (10).  
3. Сохранение и превращение энергии в тепловых процессах  (11).  
    3.1. Первое начало (закон) термодинамики  (11). 
    3.2. Работа  макросистемы  (11).  
    3.3. Теплоемкость идеального газа  (12).  
    3.4. Адиабатический процесс  (13)  
    3.5. Политропические процессы  (13).  
    3.6. Работа  макросистемы  при  политропических  процессах  (14).  
4. Молекулярно-кинетическая теория  (15).  
     4.1. Частота ударов молекул о стенку  (15).  
     4.2. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории  (15).   
     4.3. Распределение энергии по степеням свободы  (16).  
     4.4. Газ Ван-дер-Ваальса  (17).   
5. Статистическая физика  (18).  
    5.1. Функция распределения  (19).  
    5.2. Флуктуации  (19).  
    5.3. Распределение Максвелла по скоростям  (20). 
    5.4. Распределение молекул по модулю скорости  (21).        
    5.5. Характерные скорости  (21).  
    5.6. Формула Максвелла в приведенном виде  (22).   
    5.7. Опыт Ламмерта  (22).  
    5.8. Распределение молекул  по энергиям  (23).  
    5.9. Распределение Больцмана  (23).  
6. Условия и направление протекания тепловых процессов  (24). 
    6.1. Второе начало термодинамики  (24).  
    6.2. Необратимость процессов  (25).  
    6.3. Энтропия  (25).  
       6.3.1. Свойства энтропии  (25).  
 6.3.2. Основное уравнение термодинамики (26) 
       6.3.3. Вычисление энтропии  (26).  
    6.4. Тепловой  двигатель  (26).  
            6.4.1. Цикл Карно  (27).  
    6.5. Статистический смысл второго начала термодинамики  (27). 

6.5.1. Энтропия и вероятность  (28).  
           6.5.2. Энтропия и развитие Вселенной  (30).      
7. Состояния вещества  (30). 
    7.1. Изотермы Ван-дер-Ваальса (30) 
       7.1.1. Теоретические изотермы Ван-дер-Ваальса  (30).  
       7.1.2. Экспериментальные изотермы Ван-дер-Ваальса  (30).  
    7.2. Критическое состояние вещества  (31).  
        7.2.1. Метастабильные состояния  (32).  
     7.3. Кипение  (32).  
     7.4. Фазовые переходы  (32).  
        7.4.1. Диаграмма состояний  (33).  
     7.5. Жидкое состояние  (33).  
        7.5.1. Поверхностное натяжение  (34).  
        7.5.2. Давление под изогнутой поверхностью  (35).  
     7.6. Явления на границе раздела сред  (36).  
        7.6.1. Капиллярные явления  (37).  
     7.7. Кристаллическое состояние  (37).

7.7.1. Симметрия кристаллов  (38). 
        7.7.2.Типы кристаллов  (39).  
      7.8. Плазма  (39).  
8. Явления переноса  (41).  
    8.1. Эмпирические уравнения  явлений переноса в газах  (41).  
    8.2. Молекулярно-кинетическое обоснование явлений переноса в газах  (43).    
       8.2.1. Частота столкновений молекулы с другими молекулами  (43).   
    8.3. Общее  уравнение  переноса  (44).  
       8.3.1. Диффузия  (44).  
       8.3.2. Внутреннее трение  (45).  
       8.3.3. Теплопроводность  (45).

8.4. Анализ коэффициентов переноса  (46).  
    8.5. Ультраразреженные газы (вакуум)  (46).  
 
Заключение (47).  
Библиографический список (48).  
Приложение 1 Список сокращений  ( 50 ). 
Приложение 2 Список определяемых понятий (51). 

Предисловие 
        Данный конспект издан  благодаря    студентам. За  20 лет лекционной 
работы  авторы не встретили ни одного студента, который отказался получить 
готовый конспект лекций. Наличие такого конспекта всегда принимается 
студентами весьма одобрительно и к этому есть немало причин. Вот некоторые 
из них: 
1) многие студенты имеют нарушение зрения и слуха, что снижает     
    эффективность и  комфортность их работы на лекции; 

 
2) на лекции главное внимание студент уделяет предмету , а не тому, чтобы     
    успеть   списать материал с доски . При этом студент сам составляет  
    конспект без   боязни   допустить ошибку; 
3) в случае отсутствия на лекции (даже неоднократного) студент  может    
    оставаться «в теме» и продолжать работать по графику учебного процесса; 
4) конспект четко очерчивает круг лекционного материала и глубину его  
    проработки,  что может быть весьма существенным при возникновении    
    спорных вопросов   между самооценкой студента и оценкой его знаний   
    преподавателем; 
5) наиболее заинтересованные студенты по конспекту могут готовиться к    
    предстоящей лекции . Научно установлено , что на подготовленную почву  
    знания  ложатся значительно эффективней. 
        Опираясь на свой опыт работы в аудитории авторы уверены, что рано или 
поздно получение конспекта лекций в начале курса станет для студента не 
счастливой случайностью, а  его неотъемлемым правом. 
        Отдельно следует отметить, что конспект не заменяет собой учебники , при 
этом он: 
1) содержит достаточный минимум знаний , позволяющий  освоить   
    предмет с высокой оценкой; 
2) составлен по нескольким источникам . Чтение всех источников для   
    студента   просто невозможно ( велик  объем материала и не всегда    
    студент обладает  достаточным уровнем математической подготовки ).  
 
        Все вышеизложенное учтено  при составлении конспекта. Авторы 
постарались изложить материал предмета  максимально доступно. 
        Чтение  литературы из библиографического списка  является весьма 
желательным для более глубокого понимания предмета, создания как можно 
более полной физической картины мира и путей гармоничного существования 
человека в природе. 

 

 
 

Введение 
           Физика – наука, изучающая наиболее общие вопросы движения и 
превращения  материи. 
           Материя – объективная реальность, существующая независимо от 
нашего  сознания . 
Материя:    а) может быть отмечена с помощью  органов чувств или  
                        измерительных  приборов; 
                    б) представлена в двух видах: вещество и поле; 
         в) находится в  непрерывном  движении. 
          Движение – форма существования материи, обнаруживающая себя через 
любые  ее  изменения. 
          Движение: механическое, молекулярно-тепловое, электромагнитное и пр.,   
соответствует наблюдаемому явлению природы ( ЯПр ). 
           Систематизация ЯПр по объединяющему признаку (движения  тел, 
электромагнитные  явления, оптические и пр.) привела к появлению разделов 
физики: механика, электромагнетизм, оптика и пр. 
На определенном уровне познания границы разделов становятся 
условными, что приводит к пониманию  единства материи, взаимосвязи  ее 
многообразных проявлений и раздвигает горизонты науки. 
Основные функции науки: а) описание; б) объяснение; в) предсказание. 
Научное познание реализуется путем  перехода от конкретного явления к 
его абстрактной модели, что происходит с некоторой погрешностью. При 
обратном переходе  также возникает погрешность (расхождение теории с 
экспериментом). 
           Эксперимент - важнейший научный критерий достоверности знания,   
призванный  проверить устойчивость  выявленных взаимосвязей, лежащих в 
основе    закономерностей, законов и теорий. 
Всякая научная теория имеет границы применимости, т.е. условия, в 
которых она описывает явления с допустимой погрешностью. При создании 
новой теории с более широкими границами применимости и претендующей на 
более глубокое описание физической реальности, чем старая,  следует 
соблюдать принцип соответствия: новая теория должна включать старую как 
предельный случай, наблюдаемый в границах применимости старой теории. 
Развитие науки приближает теоретические  расчеты к результатам   
экспериментов. 
Физика тесно связана с математикой и техникой. С одной стороны 
физика является базой для прикладных наук и инженерного дела, с другой  –  
техника и технология во многом определяют уровень и направление развития 
физики.                                                                             
Таким образом, физика неразрывно связана с другими науками и 

является базовой наукой при подготовке инженерных кадров.
 

 
 

Физические величины 
 
            Физическая величина – характеристика, в качественном отношении 
общая для   множества объектов или явлений, а в количественном –  индиви- 
дуальная для каждого из них. 
Законы физики устанавливают количественные соотношения между 
физическими величинами, для чего физические величины необходимо измерять. 
           Измерение –  сравнение  физической величины с мерой  (единицей 
измерения). 
Совокупность единиц измерения образует систему, где часть единиц – 
основные, остальные – получаются из основных на основе физических законов. 
• Системы единиц (СИ, СГС, МКГСС и пр.) 
• В каждой системе эталоны единиц измерения устанавливают специальным  
образом. 
• В  международной  системе    «СИ»  основные  единицы измерения: ампер,  
кандела, кельвин, килограмм, метр, моль, секунда.                                        
• Физические законы не могут зависеть от системы единиц измерения. 
                                 
                                               
 
 
 

Физика макросистем 

1.  Макросистемы и методы их изучения 

Макросистема (МС)  -  система, состоящая из очень большого числа  
элементов  (например, газ). 
• Мы рассматриваем только изотропные МС. 
Рассмотрение МС с позиций динамики невозможно (число  элементов 
слишком велико). 
При изучении тепловых процессов в  МС  применяют методы : 
1) термодинамический – термодинамика (общая теория теплоты). 
2) статистический – молекулярно-кинетическая теория и статистическая  
    физика. 
                                   Термодинамика: 
а) постулативная наука (её выводы строятся на общих принципах     
    (началах), которые  есть обобщение опытных фактов ); 
б) оперирует понятиями, относящимися к МС в целом ( не интересуется  
     строением МС и физической природой теплоты). 
         
                                   Статистическая физика: 
а) объясняет свойства МС и раскрывает физическую природу   термо-   
    динамических  величин с позиций молекулярного  строения вещества; 
б) носит вероятностный характер ( учитывает средние значения   
     параметров молекул). 
        Термодинамический и статистический методы дополняют друг    
друга. 

 
2. Введение в термодинамику 

2.1. Состояние системы 

            Термодинамические параметры – величины, характеризующие  
      термодинамическое  состояние МС. 
   
             Равновесное состояние МС – состояние, при котором термодинамические параметры МС неизменны и   одинаковы по всему ее объему. 
             Неравновесное состояние – состояние, при котором  термодинамические параметры    МС не одинаковы по  всему ее объему либо 
изменяются. 
           Замкнутая термодинамическая система (ЗТС) – система, не    
обменивающаяся с окружающей средой ни энергией ни веществом.