ПРОГРАММА-МИНИМУМ

кандидатского экзамена по специальности
01.04.14 "Теплофизика и теоретическая теплотехника"
по физико-математическим наукам

Введение

В основу настоящей программы положены следующие разделы физики: термодинамика и статистическая физика; теория неравновесных процессов; физика газов и плазмы, фазовые переxоды, физика твёрдого тела.

Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации по физике при участии Московского государственного областного университета.

1. Термодинамика и статистическая физика

• Законы термодинамики. Термодинамические функции. Термодинамические неравенства. Распределение Гиббса. Энтропия. Статистическое обоснование закона возрастания энтропии. Распределение Гиббса для систем с переменным числом частиц.
• Статистическое описание идеального газа. Распределение Больцмана. Термодинамические свойства двухатомного газа с молекулами одинаковых и разных атомов. Закон равнораспределения.
• Квантовая статистика идеального газа. Распределение Бозе. Бозе-конденсация. Термодинамика черного излучения. Распределение Ферми. Теплоемкость вырожденного ферми-газа.
• Условие химического равновесия. Закон действующих масс. Теплота реакции. Термическая диссоциация, ионизация, возбуждение.
• Неидеальные газы. Разложения по степеням плотности. Вириальные коэффициенты.
• Фазовые переходы первого и второго рода. Термодинамическая теория Ландау фазовых переходов второго рода.
• Теория флуктуаций. Распределение Гаусса. Флуктуации основных термодинамических величин. Формула Пуассона. Корреляция флуктуаций. Флуктуации в критической точке. Корреляция флуктуаций во времени.
• Термодинамика поверхности. Поверхностное натяжение и поверхностное давление. Равновесие между поверхностной фазой и газом. Теория образования зародышей при фазовых переходах первого рода.

2. Теория неравновесных процессов

• Уравнения переноса, основы термодинамики необратимых явлений. Соотношение симметрии кинетических коэффициентов Онсагера. Применения методов неравновесной термодинамики к явлениям в сплошных средах с одновременным протеканием различных процессов: диффузии, теплопроводности, вязкости, химических реакций.
• Кинетическое уравнение Больцмана. Н - теорема. Вывод уравнения Больцмана на основе баланса числа частиц. Идеи метода Чепмена-Энского и Грэда. Вывод гидродинамических уравнений из уравнений Больцмана. Вычисление кинетических коэффициентов. Влияние химических реакций и внутренних степеней свободы на явления переноса.
• Случайные блуждания и броуновское движение. Уравнение Ланжевена. Уравнение Фоккера-Планка.
• Релаксационные явления. Основное кинетическое уравнение. Колебательная релаксация. Вращательная релаксация. Кинетика диссоциации и ионизации. Газовые лазеры. Столкновительные механизмы создания инверсной населенности.
• Распространение звука в газе, дисперсия и затухание звука. Вторая вязкость.
• Ударные волны. Законы сохранения на фронте ударной волны. Ударная адиабата. Структура ударной волны в газах. Истечение газа через сопло.

3. Физика газов и плазмы

• Взаимодействие молекул. Источники сведений о межмолекулярных силах. Различные составляющие межмолекулярных сил. Потенциальные функции межмолекулярного взаимодействия. Упругие и неупругие столкновения.
• Уравнение состояния идеального газа. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Закон соответственных состояний, термодинамическое подобие. Теплоемкость. Сжимаемость. Эффект Джоуля-Томпсона. Методы измерения термодинамических величин.
• Явление переноса в газах. Вязкость. Теплопроводность. Диффузия. Термодиффузия. Пристеночные явления в умеренно разреженном газе. Термомолекулярная разность давлений. Кинетические явления в сильн разреженном газе (газ Кнудсена).
• Методы исследования явлений переноса. Методы получения сверхнизких и высоких давлений. Диффузионные методы разделения изотопов.
• Низкотемпературная плазма. Дебаевский радиус.
• Ионизационное равновесие. Формула Саха. Кинетика ионизации.
• Явление переноса в плазме. Излучение плазмы.

4. Физика жидкостей

• Строение жидкости. Радиальная функция распределения. Изучение структуры жидкости методом рассеяния рентгеновских лучей.
• Уравнения состояния жидкости и плотных газов. Плотность, сжимаемость, теплоемкость.
• Статистическая теория жидкостей. Частичные функции распределения, методы интегральных уравнений. Модельные теории. Компьютерное моделирование.
• Явление переноса и релаксации в жидкости. Вязкость, теплопроводность, диффузия и самодиффузия.
• Сопротивление и теплопередача в ламинарном потоке.
• Конвективный теплообмен.
• Турбулентное движение и турбулентный теплообмен.
• Кризис сопротивления.
• Модели турбулентности. Методы расчета турбулентных явлений в газе, жидкости и плазме.
• Радиационный теплообмен и радиационная газовая динамика.
• Изучение теплового движения в жидкостях по рассеянию света и медленных нейтронов. Пространственно-временная корреляционная функция.
• Поверхностные явления. Поверхностное натяжение, смачивание. Осмотическое давление.
• Экзотические жидкости, жидкие кристаллы, жидкие металлы. Квантовые жидкости. Сверхтекучесть гелия.

5. Фазовые переходы

• Диаграммы состояния. Условия равновесия фаз. Закон Клапейрона-Клаузиуса. Критическая точка и физические свойства системы в окрестности критической точки. Соотношения между критическими показателями. Экспериментальные методы исследования критических состояний. Методы термостатирования и получения низких температур.
• Кипение. Кризис кипения. Методы расчета.
• Метастабильные состояния. Перегрев, переохлаждение. Давление насыщенных паров над раствором.
• Плавление, кристаллизация. Возгонка и сублимация.
• Теплообмен и сопротивление в многофазных средах.

6. Физика твердого тела

• Строение твердых тел: кристаллические и аморфные твердые тела. Пространственная решетка кристалла. Трансляционная симметрия. Дефекты в кристаллах: точечные дефекты и дислокации.
• Колебание решетки, спектральная плотность колебаний решетки. Ангармонизм и тепловое расширение. Теплоемкость кристаллов. Модели Эйнштейна и Дебая.
• Электронные состояния кристаллов. Модели свободных электронов. Зонная структура энергетического спектра кристаллов. Проводники, полупроводники и диэлектрики. Электронная теплоемкость.
• Термодинамика твердых тел. Уравнение состояния твердых тел. Термодинамическое описание термоупругих свойств.
• Теплопроводность и вязкость твердых тел. Уравнение теплопроводности в твердых телах, теплопроводность кристаллов. Механизмы теплопроводности в диэлектриках и металлах. Вязкость и ее проявление при поглощении звука в твердых телах.
• Взаимодействие молекул с поверхностью твердого тела. Адсорбция и хемосорбция. Мономолекулярная и полимолекулярная адсорбция.

Литература

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука, 2001.
2. Квасников И.А. Теория равновесных систем. Т. 1: Термодинамика; Т. 2: Статистическая физика. М.: Изд-во УРСС, 2002.
3. Румер Ю.Б., Рывкин М.Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика. Новосибирск: Изд-во НГУ, 2000.
4. Исихара А. Статистическая физика. М.: Мир, 1973.
5. Силин В.П. Введение в кинетическую теорию газов. М.: Изд-во ФИ АН, 1998.
6. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. Л.; М., 1961.
7. Ступоченко Е., Лосев С.А., Осипов А.И. Релаксационные процессы в ударных волнах. М., 1965.
8. Гордиев Б.Ф., Осипов А.И., Шелепин Л.А. Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры. М.: Наука, 1980.
9. Физика простых жидкостей: Сб. М.: Мир, 1971.
10. Стенли Г. Фазовые переходы и кинетические явления. М.: Мир, 1973.
11. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992.
12. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986.
13. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973.