Лекторы

1. Д.ф.-м.н., проф., Сысоев Николай Николаевич, кафедра молекулярных процессов и экстремальных состояний вещества физического факультета МГУ, sysoev@phys.msu.ru, +7(495)939-10-97

2. Д.ф.-м.н., профессор., Уваров Александр Викторович, кафедра молекулярных процессов и экстремальных состояний вещества физического факультета МГУ, uvarov@phys.msu.ru, 8(495)9392694.

Аннотация дисциплины

Для студентов, выбравших в качестве специализации физику молекулярных процессов, необходимо вспомнить основы молекулярной физики, более углубленно рассмотреть базовые вопросы этой науки, а также ознакомиться с современными направлениями развития. Преподавание курса молекулярной физики на первом курсе бакалавриата является компромиссным вариантом и по ряду причин более подробное знакомство с предметом лучше проводить после знакомства с теорией электромагнетизма и основ квантовой механики. В какой-то степени эта идея и реализуется в данном курсе для студентов, выбравших специализацию, связанную с этим направлением науки.

Цели освоения дисциплины.

Подробнее познакомиться с проблематикой бакалавриата и магистратуры по данному направлению и повторить основы.

Задачи дисциплины

Лучше подготовить студентов к восприятию программы бакалавриата и магистратуры в области физики молекулярных процессов и экстремальных состояний вещества..

 Компетенции

1. Компетенции, необходимые для освоения дисциплины -  ОНК-1.

2. Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины - ОНК-4, ПК-2.

Требования к результатам освоения содержания дисциплины

В результате освоения дисциплины студент должен

знать основные фундаментальные вопросы, а также наиболее известные проблемы, рассматриваемые в современной молекулярной физике;

уметь сформулировать основные темы исследований и используемые подходы к решению задач;

 Содержание и структура дисциплины.

Вид работы	Семестр			Всего
	6
Общая трудоёмкость, акад. часов	34	…	…	72
Аудиторная работа:	…	…	…	…
Лекции, акад. часов	34	…	…	34
Семинары, акад. часов	…	…	…	…
Лабораторные работы, акад. часов	…	…	…	…
Самостоятельная работа, акад. часов	38	…	…	38
Вид итогового контроля (зачёт, зачёт с оценкой, экзамен)	зачет	…	…	…

 

Содержание

Введение.

1. Основные принципы.

1.1. Атомы и молекулы. Межмолекулярное взаимодействие. Число Авогадро.

1.2. Агрегатные состояния вещества. Фазовая диаграмма. Критическая и тройная точки. Фазовые переходы. Сверхкритический флюид. Равновесные и неравновесные состояния. Метастабильные состояния.

2. Термодинаминамический подход.

2.1. Первое и второе начала термодинамики.

2.2. Термодинамические потенциалы при постоянном составе смеси – почему их так много.

2.3. Переменный состав смеси и химический потенциал. Изменение химического потенциала.

2.4. Уравнения состояния и основные термодинамические соотношения.

2.5. Понятие о линейной неравновесной термодинамике. Перекрестные эффекты и соотношение Онсагера.

3. Идеальный газ

3.1 Противоречивое приближение. Столкновения, длина пробега, время между столкновениями. Термодинамический и статистический подходы.

3.2. Термодинамика идеального газа – основные приближения и используемые переменные. Уравнение состояния.

3.3. Роль столкновений. Больцмановский газ и кнудсеновский газ. Распределение Максвелла и следствия нарушения равновесия. Слабое и сильное отклонение функции распределения от максвелловской.

4. Реальный газ.

4.1. Межмолекулярные взаимодействия. Ориентационные, дисперсионные и индукционные взаимодействия. Модельные потенциалы. Ограниченность использования изотропных потенциалов для дипольных и квадрупольных молекул.

4.2. Вириальное разложение. Приближение парных взаимодействий.

4.3. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Закон соответственных состояний. Притяжение и отталкивание. Метастабильные состояния.

4.4.   Эффект Джоуля-Томсона. Термодинамика реального газа.

4.5. Параметры уравнения Ван-дер Ваальса и приведенный потенциал изотропного взаимодействия.

5. Конденсированные среды.

5.1. Особенности конденсированных сред, малое изменение плотности и сильное изменение структуры.

5.2. Жидкость

5.3. Жидкие кристаллы

5.4. Твердое тело. Дальний порядок.

5.6. Наноструктуры. Основные особенности. Фуллерены, нанотрубки, графен, графан.

6. Физика плазмы и физика электролитов.

6.1. Особенности потенциала взаимодействия при наличии свободных зарядов. Плазма и электролиты как системы со свободными зарядами.

6.2. Дебаевский радиус. Слабоионизированный газ и сильно разбавленные электролиты. Законы Кольрауша.

6.3. Влияние эффекта самосогласованного поля. Плазма и электролиты. Теория Дебая-Хюккеля. Законы Фарадея.

7. Понятие о фазовых переходах.

7.1. Фазовые переходы первого рода.

7.2.Фазовые переходы второго рода.

8. Базовые диссипативные процессы: вязкость, теплопроводность, диффузия.

8.1.Уравнение Навье-Стокса. Вязкость газов, жидкостей и сверхкритических флюидов.

8.2. Уравнение теплопроводности. Теплопроводность газов, жидкостей, твердых тел и сверхкритических флюидов.

8.3. Уравнение диффузии. Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах.

8.4. Параметры подобия диссипативных процессов. Числа Прандтля, Шмидта и Льюиса.

8.4. Ограниченность применения моделей молекулярного переноса. Конвекция и гидродинамический перенос.

8.5. Перекрестные эффекты. Термодиффузия и эффект Дюфура.

9. Растворы.

9.1. Идеальные и неидеальные растворы.

9.2 Диффузия в слабых и в концентрированных растворах. Влияние неидеальности.

9.3. Водородный коэффициент. Замещение ионов водорода другими ионами. Буферные растворы. Проводимость растворов. Деионизация воды.

10. Поверхность раздела жидкость-газ и жидкость-жидкость.

10.1. Анизотропная составляющая взаимодействия и коэффициент поверхностного натяжения.

10.2. Монослой Гиббса и слой Гуггенхайма. Избытки. Уравнение Гиббса.

10.3. Испарение и конденсация. Законы Рауля.

10.4. Понятие о двойном электрическом слое.

11. Кинетические процессы в газах.

11.1. Поступательная и вращательная релаксация.

11.2. Колебательная релаксация.

11.3. Химические реакции

11.4. Электронное возбуждение и ионизация. Свойства молекул в электронно-возбужденном состоянии.

11.5. Влияние колебательной неравновесности и электронного возбуждения на скорость химических реакций.

 Место дисциплины в структуре ООП ВПО

1. Обязательный.
2. Вариативная часть, профессиональный блок, дисциплина профиля.
3. Курс опирается на базовые курсы по общей физике.

• К началу освоения данного курса необходимы знания, полученные учащимися в рамках общего курса физики на физическом факультете МГУ.
• Освоение курса необходимо для выполнения научно-исследовательской работы.

Образовательные технологии

Материалы курса размещены на сайте кафедры. Лекции, контрольные работы.

Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации

Проводятся промежуточные контрольные работы по определению уровня усвоения материала.

Примеры вопросов и задач

1. Фазовая диаграмма и фазовые переходы.
2. Сверхкритический флюид и его свойства.
3. Первое и второе начала термодинамики.
4. Идеальный газ-особенности приближения.
5. Реальный газ. Межмолекулярные взаимодействия и их влияние на уравнение состояния.
6. Эффект Джоуля-Томсона.
7. Диффузия и теплопроводность- механизмы в газах, жидкостях и твердых телах.
8. Основные отличия слабоионизированного газа и сильно разбавленных электролитов от плазмы и сильных электролитов с точки зрения межмолекулярного взаимодействия.

1. Сверхкритический флюид и его свойства
2. Двойной электрический слой.
3. Релаксация-иерархия времен.

 Учебно-методическое обеспечение дисциплины

 Основная литература

1. . А.К. Кикоин, И.К. Кикоин. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976.
2. Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Т. 2. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1990.
3. А.Н. Матвеев. Молекулярная физика. М.: Высшая школа, 1987.
4. В.А.Караваев, А.И.Осипов,А.В.Уваров. Лекции по термодинамике.М:Физический факультет МГУ, 2011.
5. В.А.Караваев, А.И.Осипов,А.В.Уваров. Лекции по физике газов.М:Физический факультет МГУ, 2013.

 Дополнительная литература

1. Д.Гиршфельдер , Ч.Кертисс, Р.Берд. Молекулярная теория газов и жидкостей,М: Изд-во иностр.лит-ры, 1961.
2. Д.Израелашвили. Межмолекулярные и поверхностные силы, М:Научный мир, 2011.
3. А.И.Осипов, Н.Н.Сысоев, А.В.Уваров. Термодинамика вчера, сегодня, завтра, М.:МГУ, физический факультет, 2003.

Интернет-ресурсы

Материалы курса доступны на сайте кафедры молекулярной физики http://molphys.phys.msu.ru

Материально-техническое обеспечение

В соответствии с требованиями п.5.3. образовательного стандарта МГУ по направлению подготовки «Физика».

Аудитория 2-44.

В наличии есть проектор и компьютер для презентации.