Молекулярная физика и термодинамика

ФИЗИКА

1. Введение.Краткий очерк истории развития физических представлений об окружающем мире. Предмет физики (Что изучает физика?) Модельность физических представлений. Методы физического исследования. Основные штрихи современной физической картины мира. Роль физики в формировании научного мировоззрения. Краткие сведения о погрешностях измерений и теории обработки результатов измерений.

Механика

2.1. Кинематика материальной точки и твердого тела.Материальная точка и материальное тело. Абсолютно твердое тело. Относительность движения. Система отсчета. Система координат. Способы описания движения (координатная форма, векторная форма, с помощью параметров траектории). Путь. Перемещение. Скорость. Ускорение (тангенциальное и нормальное). Поступательное и вращательное движение. Плоское движение. Угол поворота. Вектор элементарного углового перемещения. Вектор угловой скорости. Вектор углового ускорения.

2.2. Динамика материальной точки.Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Понятия массы и силы. Второй закон Ньютона в дифференциальной форме. Импульс. Импульс силы. Третий закон Ньютона. Гравитационные силы. Понятия инертной и гравитационной массы. Приливы. Упругие силы. Закон Гука. Упругие силы в уравнениях движения. Силы трения.

2.3. Неинерциальные системы отсчета. Определение неинерциальных систем отсчета. Силы инерции. Нахождение сил инерции. Неинерциальные системы отсчета, движущиеся прямолинейно поступательно. Маятник на тележке. Невесомость. Неинерциальные системы ориентации. Неинерциальные вращающиеся системы отсчета. Центробежная сила. Сила Кориолиса. Центрифугирование.

2.4. Динамика системы материальных точек. Внешние и внутренние силы. Импульс и сила, действующие на систему материальных точек. Уравнение движения системы материальных точек. Центр масс системы материальных точек. Момент импульса материальной точки. Момент силы, действующий на материальную точку. Момент импульса системы материальных точек. Момент силы, действующий на систему материальных точек. Уравнение моментов для системы материальных точек.

2.5. Законы сохранения. Изолированная система. Закон сохранения импульса. Законы сохранения отдельных проекций импульса. Применения законов сохранения импульса. Закон сохранения момента импульса. Закон сохранения для отдельных проекций момента импульса. Применения законов сохранения момента импульса

Работа сил. Кинетическая энергия. Потенциальные силы. Критерий потенциальности поля сил. Работа сил тяжести и упругости. Работа в потенциальном поле. Потенциальная энергия. Закон сохранения энергии для материальной точки. Энергия взаимодействия. Закон сохранения энергии для системы материальных точек. Качественное описание движения с помощью потенциальных кривых. Применения закона сохранения энергии.

2.6. Динамика твердого тела. Степени свободы. Число степеней свободы абсолютно твердого тела. Уравнение движения абсолютно твердого тела. Движение тела вокруг неподвижной оси. Момент инерции. Теорема Штейнера. Понятие свободных и главных осей. Главный момент инерции. Работа и кинетическая энергия при вращательном движении. Гироскоп. Условия равновесия твердых тел.

2.7. Механика деформируемых тел.Особенности молекулярного строения газов, жидкостей и твердых тел. Кристаллы (анизотропия, тепловое расширение) Аморфные тела. Полимеры. Жидкие кристаллы. Жидкости.

Типы упругих деформаций. Внутренние напряжения. Закон Гука для упругих деформаций. Диаграмма растяжения. Энергия упругой деформации.

Понятие вязкоупругости. Моделирование вязкоупругих свойств (модели Максвелла и Кельвина-Фойхта). Механические свойства биологических тканей.

2.8. Механика жидкости и газа.Гидростатика. Сжимаемость жидкостей и газов. Давление. Закон Архимеда. Закон Паскаля. Поверхностное натяжение. Капиллярные силы..

Способы описания движения жидкости. Поле скоростей. Линии и трубки тока. Стационарный поток. Уравнение непрерывности. Идеальная жидкость. Уравнение Бернулли.

Силы внутреннего трения. Вязкость. Ламинарное и турбулентное движение. Течение Пуазейля. Движение тел в вязкой жидкости. Закон Стокса.

2.9. Механические колебания.Колебательное движение. Гармонические колебания. Кинематика колебательного движения. Векторные диаграммы. Уравнение колебательного процесса. Сложение одинаково направленных колебаний. Биения. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу.

Динамика колебаний. Пружинный маятник. Физический и математический маятники. Квазиупругие силы. Кинетическая и потенциальная энергия колебательного движения. Свободные колебания. Затухающие колебания. Декремент затухания. Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания.

2.10. Механические волны. Волновой процесс. Характеристики волнового движения. Продольные и поперечные волны. Скорость поперечной волны. Скорость продольной волны. Энергия волнового движения. Вектор Умова-Пойтинга. Математическое описание бегущей волны. Уравнение бегущей волны. Принцип суперпозиции. Отражение и интерференция волн. Стоячие волны. Резонатор.

Эффект Доплера. Ударные волны.

2.11. Элементы акустики.Природа звука. Математическое описание звуковой волны. Характеристики звуковых ощущений и их связь с физическими характеристиками звуковой волны. Частотные характеристики звука. Ультразвук. Инфразвук. Энергетические характеристики звука. Звуковые измерения.

Физика слухового восприятия. Физические аспекты функционирования наружного, среднего и внутреннего уха.

Молекулярная физика и термодинамика.

3.1. Состояние веществаСтатистическое и термодинамическое описание состояния вещества. Термодинамические параметры. Равновесные и неравновесные состояния и процессы. Равновесные процессы для идеального газа. Термическое и калорическое уравнения состояния. Уравнение состояния идеального газа.

3.2. Молекулярно-кинетическая теория.Модель идеального газа. Основное уравнение кинетической теории идеального газа. Средняя кинетическая энергия молекул и ее связь с температурой. Равнораспределение энергии молекул по степеням свободы. Распределение молекул по скоростям. Функция распределения Максвелла. Барометрическая формула. Функция распределения Больцмана.

3.3. Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Теплота и работа. Формулировка первого начала термодинамики. Внутренняя энергия идеального газа. Теплоемкость газа при постоянном объеме и давлении. Адиабатный процесс. Политропный процесс. Изопроцессы как частный случай политропного процесса Работа идеального газа в различных изопроцессах. Первое начало термодинамики и обмен веществ в организме.

3.4. Второе начало термодинамики.Обратимые и необратимые процессы. Циклические процессы. КПД циклических процессов. Цикл Карно и его КПД. Формулировки Кельвина и Клаузиуса второго начала термодинамики.

Теоремы Карно. Неравенство Клаузиуса. Энтропия. Общая формулировка второго начала термодинамики. Изменение энтропии в равновесных и неравновесных процессах. Энтропия идеального газа. Изменение энтропии в различных изопроцессах. Физический смысл энтропии.

3.5. Термодинамические потенциалы.Условия протекания процессов в замкнутых системах. Функция Гиббса, свободная энергия, энтальпия, внутренняя энергия. Полезная работа как разность потенциалов. Понятие термодинамического потенциала Химический и электрохимический термодинамические потенциалы. Потенциал Нернста. Термодинамическая устойчивость. Принцип Ле-Шателье.

3.6. Элементы неравновесной термодинамики.Изолированная, замкнутая и открытая системы. Стационарные состояния. Принцип минимума производства энтропии. Организм как открытая система.

3.7. Элементы физкинетики. Поперечное сечение молекул. Частота столкновений и средняя длина свободного пробега. Экспериментальное определение поперечного сечения. Средняя длина свободного пробега для модели твердых сфер. Средняя длина свободного пробега в данном направлении после последнего столкновения.

Процессы переноса. Время релаксации. Процессы теплопроводности, жидкого трения и диффузии и их феноменологические уравнения. Общее уравнение переноса молекулярных признаков в газах. Теплопроводность, вязкость и самодифузия в газах. Взаимная диффузия в газах. Связь коэффициентов переноса в газах.

Перенос молекул и ионов через мембраны. Пассивный и активный транспорт. Уравнение Нернста-Планка. Потенциал покоя.

3.8. Реальные газы.Силы взаимодействия между молекулами. Изотермы реальных газов. Уравнение состояния Ван-дер-Ваальса.

Фазовые переходы. Насыщенные пары и их свойства. Критические состояния и его параметры.

3.9. Жидкости и твердые тела.Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение. Давление пара над изогнутой поверхностью жидкости. Смачивание. Капиллярные явления.

Теплоемкость твердых тел. Фазовые переходы (возгонка, плавление). Зависимость температуры плавления, кипения и возгонки от давления. Тройная точка.