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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Понятие о фазовых переходах.
7.1. Фазовые переходы первого рода.
7.2.Фазовые переходы второго рода.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- Обязательный.
- Вариативная часть, профессиональный блок, дисциплина профиля.
- 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
- Фазовая диаграмма и фазовые переходы.
- Сверхкритический флюид и его свойства.
- Первое и второе начала термодинамики.
- Идеальный газ-особенности приближения.
- Реальный газ. Межмолекулярные взаимодействия и их влияние на уравнение состояния.
- Эффект Джоуля-Томсона.
- Диффузия и теплопроводность- механизмы в газах, жидкостях и твердых телах.
- Основные отличия слабоионизированного газа и сильно разбавленных электролитов от плазмы и сильных электролитов с точки зрения межмолекулярного взаимодействия.
- Сверхкритический флюид и его свойства
- Двойной электрический слой.
- Релаксация-иерархия времен.
Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
- . А.К. Кикоин, И.К. Кикоин. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976.
- Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Т. 2. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1990.
- А.Н. Матвеев. Молекулярная физика. М.: Высшая школа, 1987.
- В.А.Караваев, А.И.Осипов,А.В.Уваров. Лекции по термодинамике.М:Физический факультет МГУ, 2011.
- В.А.Караваев, А.И.Осипов,А.В.Уваров. Лекции по физике газов.М:Физический факультет МГУ, 2013.
Дополнительная литература
- Д.Гиршфельдер , Ч.Кертисс, Р.Берд. Молекулярная теория газов и жидкостей,М: Изд-во иностр.лит-ры, 1961.
- Д.Израелашвили. Межмолекулярные и поверхностные силы, М:Научный мир, 2011.
- 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.