Глава 4. Основы молекулярной физики 163

и термодинамики 163

4.1. Общие понятия 163

4.2. Статистический и термодинамический методы изучения термодинамических явлений 164

4.2.1. Понятийный аппарат (микропараметры молекул и их связь с макропараметрами термодинамического состояния вещества) 165

4.2.2. Статистические законы 169

4.2.3. Термодинамические законы 173

4.3. Превращение внутренней энергии в механическую. Принцип действия тепловой машины 177

4.4. Примеры решения задач по термодинамике 179

5. Задачи для самостоятельного решения 193

Заключение 229

Библиографический список 230

Приложение 231

Предисловие

Предлагаемое учебное пособие предназначено для организации самостоятельной и аудиторной работы на практических занятиях по курсу физики со обучающимися по направлениям бакалавриата: «Теплоэнергетика и теплотехника» – 13.03.01, «Химия» – 04.03.01, «Электроэнергетика и электротехника» – 13.03.02, «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» – 23.03.03, «Технология транспортных процессов» – 23.03.01, «Информатика и вычислительная техника» – 09.03.01, «Прикладная информатика» – 09.03.03, «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» - 35.03.02, «Строительство» – 08.03.01, «Природообустройство и водопользование» – 20.03.02, «Техносферная безопасность» – 20.03.01.

Пособие состоит из двух частей. Часть первая включает учебно-методические и информационно справочные материалы по следующим разделам: «Основы классической механики», «Основы релятивистской механики», «Основы электродинамики», «Основы молекулярной физики и термодинамики». Остальные разделы курса составляют содержание второй части.

Каждый раздел содержит специально подобранные задачи, как оригинальные, составленные авторами, так и известные методически ценные из разных пособий. В начале каждого раздела кратко характеризуется предмет изучения и формулируются общие задачи. Далее в единообразной форме формируется понятийный аппарат и излагаются основные законы, необходимые для полного описания рассматриваемых в разделе явлений. Методика использования законов при анализе конкретных задачных ситуаций подробно рассмотрена на примерах решения типовых задач. В заключительной части пособия приведены задания для контрольных работ и требования к их оформлению.

Введение

Согласно Федеральному государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования (ФГОС) для получения квалификации «бакалавр» по направлениям инженерно-технического профиля студенты, изучившие курс физики, должны

знать:

‒ фундаментальные понятия и теории классической и современной физики;

‒ основные физические явления, описывающие их законы и границы их применимости;

уметь:

‒ использовать математические методы при решении физических задач;

‒ анализировать влияние разных факторов на протекание физических явлений;

‒ проводить расчеты на основе построенных математических моделей и оценивать правдоподобность полученных результатов;

‒ использовать возможности вычислительной техники и программного обеспечения для поиска недостающей информации и для её обработки;

‒ применять полученные знания при изучении других дисциплин, выделять конкретное физическое содержание в прикладных задачах профессиональной деятельности;

владеть:

‒ первичными навыками и основными методами решения задач из разных разделов физики;

‒ методами выполнения лабораторного физического эксперимента и обработки экспериментальных результатов.

Кроме того, бакалавр должен обладать следующими междисциплинарными общекультурными и профессиональными компетенциями:

‒ владением культурой мышления, способностью к восприятию, обобщению и анализу информации, к постановке цели и выбору путей её достижения (ОК-1);

‒ умением логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь (ОК-2);

‒ стремлением к саморазвитию и самоконтролю, способностью самостоятельно приобретать и использовать в практической деятельности новые знания и умения (ОК-6);

‒ осознанием социальной значимости своей будущей профессии, обладанием высокой мотивацией к выполнению учебной и профессиональной деятельности (ОК-8);

‒ готовностью применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования при решении прикладных задач (ПК-1);

‒ способностью выявлять естественно научную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, и привлекать для их решения соответствующий физико-математический аппарат (ПК-2).

Возможности, предоставляемые данным учебным пособием для достижения целей, обозначенных в ФГОС

Первое. По каждому разделу, включенному в программу курса физики, указан список рекомендованной учебной литературы. Для облегчения ориентации студентов в обширном информационном поле в пособии приведен краткий глоссарий основных понятий и законов, который удобно использовать при подготовке к экзаменам и зачетам. При этом следует обратить внимание на единообразную форму представления информации. Например, определение любой физической величины должно содержать ответы на следующие вопросы: что характеризует данная величина, какого рода информацию об изучаемом явлении она дает; каков способ определения её численного значения (т.е. соответствующая формула и единицы измерения); каково правило для определения направления рассматриваемой величины (если величина векторная).

Второе. В пособии выделено ограниченное количество типовых задач, методы решения которых должны освоить студенты. По каждому типу задач приведены примеры, в которых подробно описана методика использования основных законов для построения математической модели конкретной задачной ситуации. Эти примеры необходимо разобрать перед выполнением контрольных заданий.

Третье. В приложении к пособию, студенты могут найти необходимые для решения задач справочные материалы, а именно: числовые значения физических констант, а также табличных коэффициентов, характеризующих физические свойства вещества (табл. А.1. – А.10.), размерности и единицы измерения некоторых физических величин (табл. А.11.), множители и приставки для образования кратных и дольных единиц (табл. А.12.), названия и обозначения букв греческого алфавита (табл. А.13.)

Четвертое. Самостоятельное выполнение контрольных работ является основным средством освоения теоретического материала курса, поскольку только применение знаний обеспечивает их глубокое понимание. Поэтому рекомендуется следующий порядок работы с учебным материалом по курсу физики:

а) прочитайте задачу и выделите то физическое явление, о котором идет речь;

б) по учебнику и глоссарию, приведенному в пособии, выясните сущность явления, выпишите и выучите основные понятия и законы, используемые при описании данного явления (полезно в отдельной тетради составить словарик терминов и законов, используемых в тексте и в решении задачи), ответьте на контрольные вопросы, приведенные в конце каждого раздела;

в) разберите приведенные в пособии примеры решения аналогичных задач, чтобы убедиться, что методика решения Вам понятна, попытайтесь воспроизвести логическую последовательность основных этапов решения разобранных задач;

г) вернитесь к контрольной задаче своего варианта и выясните, что известно о частных особенностях рассматриваемого явления по условию задачи; составьте математическую модель задачной ситуации, то есть запишите законы с учетом конкретных условий; проверьте полноту полученной системы уравнений и при необходимости используйте дополнительные законы или определения неизвестных величин;

д) решите полученную систему в общем виде и в числах, попытайтесь оценить правдоподобность полученного результата.

Пятое. Освоение методов математического моделирования простейших физических задачных ситуаций и сформированность компетенций ОК-1, ОК-2 является основным критерием при оценке контрольных работ, выполняемых студентами. Представленное в контрольной работе решение должно продемонстрировать понимание студентом сущности физического явления, описанного в тексте задачи, владение понятийным аппаратом, относящимся к рассматриваемому явлению, знание основных законов, описывающих явление, и – самое главное – умение обосновать особенности применения того или иного закона к условиям конкретной задачи. В связи с этим решение должно сопровождаться краткими, но исчерпывающими словесными пояснениями. В качестве образца используйте раздел пособия «Примеры решения задач».