4. В чем состоит преимущество цикла Карно перед другими? Как изменится КПД цикла, если рабочее тело охлаждать не за счет адиабатического процесса, а непосредственно в холодильнике? Почему?
5. Изобразите цикл Карно в координатах TS. Определите с помощью графика КПД цикла.
6. Возможен ли процесс, при котором вся теплота, заимствованная от резервуара, превращается в работу?
7. Как изменится температура воздуха в комнате, если бытовой холодильник будет работать с открытой дверцей?
8. Докажите теорему Карно, используя свойства энтропии как функции состояния.
9. Каков физический смысл площади, ограниченной кривой цикла, на диаграммах состояния в различных переменных?
Домашнее задание:
[0.1.] № 6.172-6.175
Тема 14: Второе начало термодинамики (2 ч). Две теоремы Карно. Термодинамическая шкала температур и ее тождественность идеально-газовой шкале. Нестандартные единицы измерения температуры. Неравенство Клаузиуса. Второе начало термодинамики: формулировка Клаузиуса и Томсона (Кельвина).
Вопросы для самопроверки:
1. Как понимать смысл «сама собой» в формулировке второго начала, данной Клаузиусом?
2. Возможно ли передать теплоту от охладителя к нагревателю, не совершая работу?
3. Поясните следующее определение энтропии: «Энтропия есть мера неупорядоченности системы».
4. Что такое приведенное количество теплоты? Какому условию удовлетворяют приведенные количество теплоты для цикла Карно? Какому условию они удовлетворяют для произвольного кругового процесса?
5. Как и в каких переменных можно записать дифференциал функции энтропии dS? Как записать второе начало термодинамики с помощью функции энтропии?
6. Как изменяется энтропия для обратимых и необратимых процессов?
7. Изменяется ли энтропия при адиабатическом процессе?
8. Можно ли осуществить в какой-нибудь системе круговой необратимый адиабатический1 процесс?
9. В каком направлении изменяется энтропия системы при приближении этой системы к состоянию термодинамического равновесия для изолированной и неизолированной системы?
Домашнее задание:
[0.1.] № 6.147, 6.151,6.153
Тема 15: Понятие энтропии термодинамической системы (2 ч). Закон возрастания энтропии в неравновесной изолированной системе. Энтропия и вероятность. Микро- и макросостояния системы. Термодинамическая вероятность. Принцип Больцмана. Статистическая интерпретация второго начала термодинамики.
Вопросы для самопроверки:
1. В чем состоит отличие понимания необратимости в термодинамике и в молекулярно - кинетической теории?
2. Укажите границы применимости первого и второго начал термодинамики.
3. Почему нельзя вычислить макроскопические свойства молекулярной системы методами механики?
4. Может ли энтропия убывать в ходе необратимого процесса?
5. Можно ли утверждать, что живые организмы не подчиняются второму началу термодинамики?
6. Что понимают под вечным двигателем второго рода?
7. Назовите известные вам формулировки второго начала термодинамики.
8. В чем состоит парадокс Гиббса и какие обстоятельства необходимо принять во внимание при его обсуждении?
Домашнее задание:
[0.1.] № 6.153,6.155, 6.160, 6.175, 6.178
Тема 16: Реальные газы и жидкости (2 ч). Реальные газы. Изотермы Амага. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Критическое состояние. Область двухфазных состояний. Метастабильные состояния.
Вопросы для самопроверки:
1. В чем состоят основные отличия модели реального газа от модели идеального газа?
2. Можно ли экспериментально обнаружить существование сил молекулярного взаимодействия?
3. От каких параметров состояния зависит внутренняя энергия ван-дер-ваальсова газа?
4. Можно ли , не охлаждая вещество ниже критической температуры, перевести его в жидкое состояние?
5. Почему переохлажденный пар и перегретая жидкость называются метастабильными состояниями?
6. Какие соображения позволяют выбрать давление, при котором должна быть проведена горизонтальная изотерма реального газа, соответствующая двухфазному состоянию?
7. Каким способом можно получить пересыщенный пар?
8. Находится ли в состоянии равновесия со своим паром вода в стакане, находящемся в комнате?
9. Изобразите зависимость давления от температуры для случая нагревания жидкости в герметически закрытом жестком сосуде. (Сосуд был герметизирован при нормальных условиях, над жидкостью находится некоторое количество воздуха).
Домашнее задание :
[0.1.] № 6.60-6.62, 6.179
Тема 17: Критические параметры газа Ван-дер-Ваальса (2 ч). Закон соответственных состояний. Силы межмолекулярного взаимодействия. Потенциал Леннарда - Джонса. Эффект Джоуля - Томсона. Методы получения низких температур.
Вопросы для самопроверки:
1. Как наглядно объяснить зависимость знака дифференциального эффекта Джоуля-Томсона от давления газа?
2. Чем объясняется, что в процессе дросселирования при комнатной температуре водород нагревается, а кислород охлаждается?
3. Каков в опыте Джоуля-Томсона знак приращения внутренней энергии газа? Энтропии?
4. Запаянную ампулу, емкость которой равна критическому объему находящейся в ней жидкости, нагревают от температуры ниже критической до температуры выше критической. Во время эксперимента ведут наблюдения за теневой проекцией трубки. Что наблюдается в момент наступления критического состояния вещества?
5. Какие физические явления лежат в основе методов Линде и Клода для сжижения газов и получения низких температур?
6. От каких параметров зависит температура инверсии? Каков физический смысл температуры инверсии?
7. Приведите примеры газов, для которых при нормальных условиях эффект Джоуля-Томсона имеет различный знак.
8. Каково соотношение между температурой инверсии и критической температурой данного газа?
Домашнее задание:
[0.1.] № 6.338-6.342
Тема 18: Поверхностные явления в жидкостях (2 ч). Коэффициент поверхностного натяжения. Краевой угол. Давление под искривленной поверхностью жидкости. Формула Лапласа. Капиллярные явления.
Вопросы для самопроверки:
1. Молекулы жидкости, подобно частицам твердого тела, совершают колебания около некоторых положений равновесия. В чем же отличие в поведении молекул жидких тел от поведения молекул в газах и твердых телах
2. Два мыльных пузыря с радиусами r1 и r2 сливаются в один пузырь радиуса r. Определите атмосферное давление. Коэффициент поверхностного натяжения мыльной пленки равен s.
3. Oцените размер атома ртути, если известны коэффициент поверхностного натяжения, плотность и удельная теплота парообразования ртути.
4. Сосуд с горячей водой опущена капиллярная трубка. Сохранится ли уровень воды в трубке при остывании жидкости?
5. Чем обусловлено стремление жидкостей к сокращению своей поверхности?
6. В опыте Плато капля оливкового масла помещается в смесь спирта с водой такой плотности, что капля масла находится во взвешенном состоянии. Какова форма капли масла?
7. В две одинаковые горизонтальные стеклянные трубки, расширяющиеся к одному концу, ввели различные жидкости. При каком условии капли жидкости в трубках перемешаются в противоположные стороны?
8. Почему структуру жидкостей называют квазикристаллической?
Домашнее задание:
[0.1.] № 6.295-6.298, 6.302
Тема 19: Твердые тела (2 ч). Кристаллические и аморфные состояния. Кристаллы. Симметрия кристаллов. Элементы точечной симметрии: ось симметрии, плоскость симметрии, центр инверсии, инверсионная ось симметрии, зеркально-поворотная ось симметрии. Трансляция и трансляционная симметрия.
Вопросы для самопроверки:
1. Каков физический смысл понятия «твердое тело»?
2. Как доказать, что свинец - кристаллическое, а не аморфное тело?
3. Какие эксперименты подтвердили предположение о существовании кристаллических решеток твердых тел?
4. Какие специфические свойства кристаллов связаны с их симметрией и анизотропией?
5. Железо, медь, алюминий и другие металлы являются твердыми телами. Почему же практически не наблюдаются явления, объясняемые анизотропией этих тел?
6. Как принято классифицировать кристаллы по типам сил связи частиц в кристалле?
Домашнее задание:
1. Сколько молекул NaCl входит в элементарную ячейку поваренной соли?
2. Постоянная кристаллической решетки поваренной соли равна а=5,64×10-10 м . Определите плотность монокристалла NaCl.
Тема 20: Кристаллическая решетка (2 ч). Элементарная ячейка. Сингонии. Решетка Браве. Индексы Миллера. Изоморфизм и полиморфизм. Фазы переменного состава. Дефекты в кристаллах. Дислокации. Понятие о жидких кристаллах.
Вопросы для самопроверки:
1. Что такое примитивная решетка?
2. Что такое приведенная примитивная решетка?
3. Сводится ли, вообще говоря, кристаллическая решетка к одной примитивной решетке?
4. Сколько типов кристаллических систем имеется? Сколько имеется типов примитивных параллелепипедов Браве?
5. Как обозначаются направления и плоскости в кристаллах?
6. Реальный кристалл не имеет идеальной структуры кристаллической решетки. Перечислите и дайте схемы точечных и одномерных дефектов кристаллической решетки.
7. Какие физические свойства монокристалла зависят от числа дислокаций в единице объема, а какие не зависят?
Домашнее задание:
[0.1.] № 6.247-6.252.
Тема 21: Фазовые переходы первого и второго рода (2 ч). Фазовые переходы первого рода. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса. Скрытая теплота перехода. Тройная точка. Фазовые переходы второго рода. Аномалии теплового расширения при фазовых переходах.
Вопросы для самопроверки:
1. Могут ли существовать в равновесии жидкая вода, ее пар и две кристаллические модификации льда?