ПРЕДИСЛОВИЕ
Наряду с учебниками по общему курсу физики в высшей школе необходимы также и пособия по разным разделам программы. Такое пособие по молекулярной физике и предлагается автором.
Развитие молекулярной кинетической теории, начатое гениальными работами Ломоносова и продолженное трудами крупнейших ученых, среди которых почетное место принадлежит нашим соотечественникам, явилось блестящим подтверждением философии диалектического материализма. Черпая факты из практики и обогащая эту практику новыми идеями, молекулярная теория все глубже и глубже проникала в тайны строения материи, подтверждая реальность ее существования. И недаром проповедники идеализма в науке неоднократно избирали молекулярную теорию предметом своих нападок, пытаясь всячески ее опорочить. Однако все попытки такого рода неизменно разбивались многочисленными данными опыта. Борьба за молекулярную теорию всегда была борьбой материализма с идеализмом. Поэтому в создании молекулярной теории такую большую роль сыграли ученые, твердо стоявшие на позициях материализма. Поэтому так плодотворно работают в нашей стране советские ученые, развивающие и углубляющие молекулярную теорию. Их труды, являясь естественно-научной базой материалистической философии, в то же время непрерывно обогащают нашу социалистическую технику новыми достижениями.
По планировке материала, по методическим установкам и манере изложения предлагаемая книга несколько походит на том I Курса общей физики Н. И. Добронравова, Д. Н. Наследова, Ю. Б. Харитона и Е. А. Штрауфа. Как и там, в интересах читателей, молекулярной физике предпослан раздел, посвященный некоторым вопросам механики, носящий пропедевтический характер. Автор счел возможным позаимствовать из указанной книги некоторую часть из того, что было написано им лично, а также многие рисунки. Совершенно заново написана часть III, посвященная реальным газам, жидкостям и твердым телам.
Было принято во внимание, что согласно измененным учебным планам ВТУЗ'ов преподавание курса физики начинается со второго семестра. Это дало возможность, во-первых, использовать с самого начала дифференциальное исчисление, а со второй половины книги и элементы интегрального исчисления, и, во вторых, опустить изложение некоторых вспомогательных вопросов, как например правил элементарных операций над векторами, усваиваемых в курсе теоретической механики. Учтено также то, что в курсе химии проводится ознакомление с периодической системой элементов Менделеева в свете современных представлений о строении атома. Учитывая важное значение, которое имеет для современного инженерного" образования раздел молекулярной физики, посвященный твердым телам, последнему уделено значительно большее внимание, чем это было сделано в упомянутом выше курсе.
Автор заранее выражает признательность всем, кто пожелает поделиться с ним своими соображениями о недостатках и возможных улучшениях книги.
Автор
19 мая 1949 г.
**
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 9
Введение
§ 1. Об измерении физических величин 11
§ 2. Единицы длины, времени и массы 12
§ 3. Измерение прямое и косвенное 13
§ 4. Основные и производные единицы 14
§ 5. Абсолютные системы физических единиц —
§ 6. Размерность физических величин 16
§ 7. Размерности величин и размерные постоянные в различных системах 19
ЧАСТЬ I. МЕХАНИКА
Глава I. Общие сведения
§ 1. Введение 21
§ 2. Предварительные понятия . 22
§ 3. Абсолютно твердое тело 23
§ 4. Основные виды движения абсолютно твердого тела 24
§ 5. Прямолинейное равномерное движение 25
Глава II. Кинематика точки и поступательного движения твердого тела
§ 1. Средняя скорость и истинная скорость 28
§ 2. Примеры расчета истинной скорости 29
§ 3. Равнопеременное движение —
§ 4. Падение тел 33
§ 5. Среднее ускорение и истинное ускорение
§ 6. Примеры на вычисление истинного ускорения 34
§ 7. Равномерное движение точки по окружности —
§ 8. Нормальное ускорение 38
§ 9. Тангенциальное и полное ускорения 39
Глава III. Кинематика вращательного движения твердого тела
§ 1. Угловой путь. 41
§ 2. Угловая скорость 42
§ 3. Угловое ускорение. 43
§ 4. Соотношение между соответственными линейными и угловыми величинами 44
Глава IV. Динамика материальной точки
§ 1. Механика Ньютона 46
§ 2. Закон инерции
§ 3. Инерциальные системы отсчета 47
§ 4. Принцип относительности в механике. 48
§ 5. О втором законе Ньютона 50
§ 6. Сила и масса 51
§ 7. Единицы массы и силы в системах С08 и МК$ 54
§ 8. Технические единицы силы и массы . . 55
§ 9. Третий закон Ньютона 57
§ 10. Принцип независимости действия сил 58
§11. Примеры на применение законов движения 59
§ 12. Примеры движений под действием нескольких не уравновешивающихся сил 64
§ 13. Импульс силы и количество движения 68
§ 14. Закон сохранения количества движения 70
§ 15. Примеры применения закона сохранения количества движения 72
§ 16. Центр масс. Центр инерции 73
Глава V. Работа. Энергия. Условия равновесия
§ 1. Работа и кинетическая энергия. 77
§ 2. Работа силы, действующей под углом к перемещению. . . 79
§ 3. Работа нескольких сил 81
§ 4. Работа поднятия тяжелого тела 82
§ 5. Потенциальная энергия 84
§ 6. Некоторые общие свойства энергии. Закон сохранения энергйи 85
§ 7. Примеры превращения и сохранения энергии 87
§ 8. Удар упругих шаров 90
§ 9. Общие условия равновесия 94
§ 10. Мощность 97
Глава VI. Вращение твердого тела — динамика
§ 1. Энергия тела, вращающегося вокруг неподвижной оси ... 99
§ 2. О моменте инерции 100
§ 3. Работа и мощность при вращении тела 102
§ 4. Уравнение энергии вращающегося тела 103
§ 5. Уравнение движения вращающегося твердого тела 104
§ 6. Обобщение результатов на некоторые случаи вращения не абсолютно твердых тел V. —
§ 7. Закон сохранения момента количества и движения 105
§ 8. Условия равновесия твердого тела, могущего вращаться вокруг неподвижной оси " 109
§ 9. Полная кинетическая энергия 110
Глава VII. Всемирное тяготение
§ 1. Закон всемирного тяготения Ш
§ 2. Притяжение шаром и шаровым слоем 112
§ 3. Определение гравитационной постоянной 114
§ 4. Масса инертная и масса тяготеющая 115
§ 5. Измерение ускорения силы тяжести 118
§ 6. Проверка закона всемирного тяготения 119
§ 7. Законы Кеплера 120
§ 8. Работа силы тяготения 124
§ 9. Поле тяготения 127
Глава VIII. Наблюдение явлений в неинерциальных системах
§ 1. Инерциальные силы 128
§ 2. Сходство инерциальных сил с силами тяготения 130
§ 3. Центробежные силы. . 133
§ 4. Поворотные ускорения и силы 134
ЧАСТЬ II. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ
Глава I. Состояние идеального газа
§ 1. Состояния вещества. Уравнения состояния 138
§ 2. Идеальный газ как предельное состояние —
§ 3. Основные газовые законы 139
§ 4. Уравнение состояния идеального газа 141
§ 5. Размерности и единицы величин, входящих в уравнение состояния 144
§ 6. Применение уравнения состояния. Смеси газов 146
§ 7. Сжатие и разрежение газов 148
§ 8. Убывание давления с высотой. Барометрическая формула . 152
Глава II. Температура и ее измерение
§ 1. Понятие о температуре 155
§ 2. Газовый термометр . 158
§ 3. Постоянные термометрические точки 159
§ 4. Термометры, основанные на расширении тел 161
§ 5. Электрические и оптические способы измерения температуры 164
Глава III. Основы молекулярной теории
§ 1. Молекулярная теория 166
§ 2. Броуново движение 169
§ 3. Давление газа 172
§ 4. Основное уравнение кинетической теории газов для давления 173
§ 5. Число молекул в граммолекуле — число Авогадро ...... 177
§ 6. Постоянная Больцмана 179
§ 7. Зависимость давления от концентрации молекул и температуры газа 180
§ 8. Основное уравнение кинетической теории газов для энергии 181
§ 9. Абсолютный нуль и абсолютная температура 182
§ 10. Идеальный газ в силовом поле 183
§ 11. Работы Перрена по определению числа Авогадро 185
§ 12. Определение среднего квадрата и средней квадратичной скорости 187
§ 13. Распределение молекул по скоростям 190
Глава IV. Первое начало термодинамики и его применение при изучении свойств газов
§ 1. Термодинамика 194
§ 2. Собственная и внутренняя энергия системы 195
§ 3. Степени свободы . —
§ 4. Степени свободы молекул 199
§ 5. Распределение энергии по степеням свободы 201
§ 6. Средняя энергия, приходящаяся на вращательное и колебательное молекулярные движения 203
§ 7. Внутренняя энергия идеального газа 204
§ 8. Установление теплового равновесия идеальных газов . . . 205
§ 9. Единица количества тепла 206
§ 10. Калориметрия 208
§ 11. Эквивалентность теплоты и работы 214
§ 12. Различные формулировки первого начала термодинамики а некоторых следствий из него 217
§ 13. Изменение внутренней энергии 220
§ 14. О теплоемкости 222
§ 15. Изохорический процесс 223
§ 16. Изобарический процесс 224
§ 17. Отступления от классической теории 226
§ 18. Изотермический процесс 234
§ 19. Адиабатический процесс 236
§ 20. Уравнение адиабаты 238
§ 21. Расчет работы, совершаемой газом, при адиабатическом расширении 240
§ 22. Некоторые методы определения отношения теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме 241
Глава V. Явления переноса
§ 1. Длина свободного пробега и число столкновений молекул 245
§ 2. Распределение молекул по длинам свободного пути .... 248
§ 3. Эффективный радиус молекулы 251
§ 4. Явления переноса 252
§ 5. Диффузия 253
§ 6. Диффузионные насосы 260
§ 7. Теплопроводность 261
§ 8. Внутреннее трение 266
§ 9. Определение коэффициента внутреннего трения, или вязкости 269
§ 10. Сравнение коэффициентов диффузии, теплопроводности и внутреннего трения 270
§ 11. Определение средней длины свободного пути и эффективных радиусов молекул, исходя из явлений переноса . . 272
§ 12. Зависимость коэффициентов переноса от давления и вакуумные явления 273
Глава VI. Движение газов и жидкостей
§ 1. Ламинарное и турбулентное движение газов и жидкостей 279
§ 2. Аэродинамические и гидродинамические силы 283
§ 3. Ламинарное течение по трубам . , 287
§ 4. Течение газов при малых давлениях 292
§ 5. Уравнение Бернулли 294
§ 6. Примеры на применение закона Бернулли 298
Глава VII. Второе и третье начала термодинамики и их статистическая трактовка
§ 1. Второе начало термодинамики 304
§ 2. Необратимость процессов природы 306
§ 3. Коэффициент полезного действия тепловой машины .... 308
§ 4. Коэффициент полезного действия цикла Карно 311
§ 5. Тепловая машина и второе начало 315
§ 6. Способы повышения к. п. д. тепловых машин 316
§ 7. Абсолютная шкала температур 317
§ 8. Превратимость энергии и особые свойства теплоты 318
§ 9. Свободная энергия и условия, определяющие равновесие. 319
§ 10. Энтропия 320
§ 11. Третье начало термодинамики . 322
§ 12. Понятие о статистическом методе в физике —
§ 13. Статистические теории в термодинамике 327
§ 14. Принцип Ле-Шателье — Брауна 329
ЧАСТЬ III. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ И КОНДЕНСИРОВАННЫЕ СОСТОЯНИЯ — ЖИДКИЕ И ТВЕРДЫЕ
Глава I. Реальные газы
§ 1. Взаимодействие молекул и агрегатные состояния 331
§ 2. Отступления от закона Клапейрона 336
§ 3. Уравнение ван-дер-Ваальса 337
§ 4. Сравнение уравнения ван-дер-Ваальса с опытными данными 341
§ 5. Внутренняя энергия реального газа 344
§ 6. Явление Джоуля — Томсона . . . 345
Глава II. Анализ изотерм реального газа и переходы из парообразного состояния в жидкое и обратно
§ 1. Изотермы ван-дер-Ваальса 348
§ 2. Критическое состояние 352
§ 3. Опытные изотермы реальных газов и переход из парообразного в жидкое состояние и обратно 356
§ 4. Теплота перехода 362
§ 5. Упругость паров 366
§ 6. Кипение и кавитация 372
§ 7. Пересыщенный пар. . 377
§ 8. Перегретая и растянутая жидкость , 381
§ 9. Сжижение газов 388
§ 10. Отступления от уравнения ван-дер-Ваальса 392
Глава III. Особенности жидкого состояния
§ 1. Общая характеристика жидкого состояния 393
§ 2. Сжимаемость жидкостей 398
§ 3. Тепловое расширение жидкостей 400
§ 4. Теплоемкость жидкости 404
§ 5. Особые свойства поверхностного слоя жидкости 405
§ 6. Поверхностное натяжение 408
§ 7. Явления, вызываемые кривизной поверхности жидкости. . . 411
§ 8. Явления, происходящие на границе трех фаз 426
§ 9. Капиллярность 426
Глава IV. Растворы и явления переноса
§ 1. Растворы газов в жидкостях 432
§ 2. Растворы жидкостей и твердых тел в жидкостях 433
§ 3. Теплота растворения. Влияние растворенного вещества на величину упругости паров и температуру кипения растворов 435
§ 4. Явления переноса в жидкостях . 438
§ 5. Диффузия 439
§ 6. Среднее время пребывания молекул в жидкости у неизменных положений равновесия 441
§ 7. Осмос 443
§ 8. Теплопроводность 416
§ 9. Вязкость жидкостей 447
§ 10. Поверхностно активные вещества и некоторые поверхностные явления 450
Глава V. Строение кристаллических тел
§ 1. Кристаллы 457
§ 2. Кристаллическая решетка 459
§ 3. Геометрия кристаллической решетки 461
§ 4. Двойники 466
§ 5. Физические типы кристаллических решеток 468
§ 6. Атомные, или гомеополярные, решетки —
§ 7. Ионные кристаллы 470
§ 8. Металлические кристаллы 476
§ 9. Кристаллы из нескольких компонент 478
§ 10. Молекулярные кристаллы. , 481
Глава VI. Тепловые явления и изменения кристаллического состояния
§ 1. Энергия кристаллической решетки 483
§ 2. Тепловое расширение твердых тел 484
§ 3. Нарушения решетки вследствие теплового движения .... 488
§ 4. Теплопроводность твердых тел 490
§ 5. Теплоемкость кристаллов 491
§ 6. Переход из кристаллического состояния в аморфное и обратно . . . 493
§ 7. Теплота испарения и теплота плавления кристалла 501
§ 8. Диаграммы состояний, тройные точки 502
§ 9. Диаграммы плавкости сплавов и твердых растворов 506
Глава VII. Механические свойства твердых тел
§ 1. Деформации и напряжения в твердых телах. , , . . 512
§ 2. Закон Гука и наложение упругих деформаций 515
§ 3. Одностороннее растяжение или сжатие (линейная деформация) 516
§ 4. Изменение поперечных размеров при линейной деформации 520
§ 5. Всестороннее сжатие и растяжение 523
§ 6. Сдвиг 525
§ 7. Связь между линейной деформацией и деформацией сдвига 527
§ 8. Соотношение между модулями и коэффициентами упругости 530
§ 9. Плоский поперечный изгиб 531
§ 10. Кручение 538
§ 11. Работа и энергия при упругой деформации 540
§ 12. Отклонения от закона Гука и „неупругость" 542
§ 13. Пластическая деформация 546
§ 14. Прочность 554
§ 15. Усталость 558
Глава VIII. Высокомолекулярные соединения и коллоиды
§ 1. Высокомолекулярные соединения 560
§ 2. Физические свойства и строение высокомолекулярных соединений . 561
§ 3. Процессы образования высокомолекулярных соединений . . 563
§ 4. Каучук и каучукообразное состояние высокополимерных тел 564
§ 5. Понятие о коллоидах 567
§ 6. Устойчивость и изменчивость коллоидов 570
§ 7. Гели и студни 573
§ 8. Коллоиды в природе и технике 575
