Неравновесная термодинамика и законы излучения

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича
Сибирского отделения Российской академии наук
ПРИНЯТО
Ученым советом ИТМП СО РАН
Протокол № ___ от «____»_________20
г.
Председатель Ученого совета
академик РАН________________В.М.Фомин
ФД.А.00 Факультативные дисциплины
ФД.А.03 Неравновесная термодинамика и законы излучения
Специальность 01.02.05- «Механика жидкости, газа и плазмы»
г. Новосибирск
2011г.
Программа по курсу «Неравновесная термодинамика и законы излучения»
составлена в соответствии с требованиями к аспиранту по циклу физических
дисциплин» по специальности/направлению «Аэрофизика и газовая динамика».
1. Цели освоения дисциплины (курса)
Основной целью освоения дисциплины «Неравновесная термодинамика и
законы излучения»
является углубленное изучения аспирантами физических
методов и подходов к термодинамике и статистической физики неравновесных
процессов, теория и законы излучения
2. Место дисциплины в структуре образовательной программы
Данный курс расширяет и углубляет знания аспирантов
термодинамики неравновесных газодинамических процессов.
в
области
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

знать: Неравновесную термодинамику, статистическую физику и законы
излучения в газовой динамике;
 уметь: использовать полученные теоретические знания при решении
практических задач, относящихся к области механики сплошных сред;
 владеть современными методами и подходами в исследовании неравновесная
термодинамика и законы излучения
4. Структура и содержание

Общая трудоемкость дисциплины «Неравновесная термодинамика и
законы излучения» составляет _2___ зачетных единиц, _72______ часов, в
том числе 36 лекций и 36 самостоятельной работы
1
2
Равновесная
термодинамика и
статистическая
физика
Теория флуктуаций.
Виды учебной работы,
включая самостоятельную
работу аспирантов и
трудоемкость (в часах)
Неделя семестра
Семестр
№
п/п
Раздел
дисциплины
1-2
Лекции
4
3-.4
Самост. ТроудоРабота емкость.
4 8
4
Формы текущего
контроля
успеваемости
(по неделям
семестра)
Форма
промежуточной
аттестации
(по семестрам)
Экспресс опрос
8
Экспресс опрос
8
Экспресс опрос
8
Экспресс опрос
12
Экспресс опрос
12
Экспресс опрос
12
Экспресс опрос
4
3
. Случайные
процессы.
5-6
4
4
Термодинамическая
теория необратимых
процессов.
Примеры
применения теории
Онзагера
Обобщенная
восприимчивость и
спектральные
разложения.
. Теория и законы
излучения.
7-8
4
4
5
6
7
8
Сдача зачета
4
9-11
6
6
12-14 6
6
1517
18
6
2
6
2 4
Зачет
4.1. Краткое содержание разделов дисциплины
I. Неравновесная термодинамика
1. Равновесная термодинамика и статистическая физика.
1.1. Термодинамические системы. Первое и второе начало термодинамики.
Энтропия. Максимальная и минимальная работа.
1.2. Термодинамические функции и условия термодинамического равновесия.
Преобразования Лежандра. Внутренняя энергия, свободная энергия
Гельмгольца, потенциал Гиббса, химический потенциал, -потенциал.
Уравнение Гиббса-Дюгема.
Равновесие двух систем. Термодинамические неравенства. Принцип ЛеШателье – Брауна.
1.3. Микроканоническое, каноническое и большое каноническое распределения.
Статистические суммы канонических распределений. Энтропия –
статистическая интерпретация.
2. Теория флуктуаций.
2.1. Биномиальное распределение (Д. Бернулли), распределения Пуассона и Гаусса.
2.2. Второе начало для неквазистатических процессов.
2.3. Общая формула для вероятности флуктуационного отклонения от
равновесного состояния.
2.4. Термодинамические флуктуации. Флуктуации в классических системах.
2.5. Флуктуации в квантовых системах, флуктуации неравновесного излучения.
3. Случайные процессы.
3.1. Эргодичность случайного процесса.
3.2. Стационарный марковский случайный процесс.
3.3. Гауссовский случайный стационарный марковский процесс.
3.4. Спектральные представления для случайной переменной и корреляционной
функции.
3.5. Смещение во времени случайной величины и формула Эйнштейна.
3.6. Формула Найквиста.
4. Термодинамическая теория необратимых процессов.
4.1. Общий формализм. Квадратичная форма для отклонения энтропии от
равновесия: S(x)=-1/2 x2.
4.2. Термодинамические силы и термодинамические потоки в линейном
приближении.
4.3. Уравнение баланса массы, импульса, энергии и энтропии.
4.4. Производство энтропии в гидродинамических системах (уравнения НавьеСтокса) для смесей химически реагирующих газов.
4.5. Соотношения взаимности Онзагера для кинетических коэффициентов: Lik=Lki.
4.6. Принцип Кюри. Связь между кинетическими коэффициентами различной
тензорной размерности.
4.7. Принцип Ле-Шателье – Брауна с точки зрения неравновесной термодинамики.
4.8. Теорема о минимуме производства энтропии для стационарных состояний.
5. Примеры применения теории Онзагера.
5.1. Диффузия, теплопроводность, вязкость, термодиффузия (эффект Соре).
5.2. Термомеханические явления, капиллярные явления, формула Пуазейля,
эффект Джоуля-Томсона, изоэнтропическое перетекание (турбина Капицы).
5.3. Термоэлектрические эффекты.
Термо ЭДС (явление Зеебека) – возникновение разности потенциала на концах
разомкнутой электрической цепи, когда спаи проводников поддерживаются при
разных температурах.
Эффект Пельтье – выделение тепла при прохождении тока через спаи
различных проводников в изотермической системе.
Эффект Томсона – перенос тепла электрическим током вдоль однородного
проводника при наличии перепада температуры.
5.4. Термомагнитные явления.
Эффект Реги-Ледюка – возникновение вторичной разности температур в
проводнике с градиентом температур, помещенном в магнитное поле.
Эффект Холла – возникновение электрического поля, перпендикулярного
плотности тока и магнитному полю.
Эффект Эттингсхаузена – возникновение градиента температуры в проводнике
с током под действием магнитного поля.
6. Обобщенная восприимчивость и спектральные разложения.
6.1. Системы с памятью. Принцип причинности.
6.2. Спектральные представления для силы, отклика, восприимчивости.
6.3. Динамическая восприимчивость. Аналитические свойства ().
Дисперсионные соотношения Крамерса-Кронига.
6.4. Связь спектральных представлений для кинетических коэффициентов
Онзагера с динамической восприимчивостью: L()= - i () .
6.5. Условие на обобщенную динамическую восприимчивость:
Im()=’’()>0.
6.6. Связь производства энтропии с мнимой частью динамической
восприимчивости.
6.7. Периодические воздействия. Стационарные колебания системы под
воздействием внешней силы.
II. Теория и законы излучения.
2.1. Теория равновесного излучения. Распределение Планка, закон СтефанаБольцмана. Абсолютно черное тело. Законы излучения Кирхгофа. Закон
Ламберта.
2.2. Вынужденное излучение в классической и квантовой теориях. Коэффициенты
Эйнштейна.
2.3. Рассеяние, поглощение и испускание излучения в газах. Типы электронных
переходов. Свободно-свободные переходы. Тормозное излучение. Свободносвязанные переходы. Фотоионизация и фоторекомбинация. Связанно-связанные
переходы. Излучательные переходы между дискретными уровнями атомов и
молекул. Спектры атомов и молекул.
2.4. Рэлеевское и рамановское (комбинационное) рассеяние. Рассеяние
Мандельштама-Брильюэна (роль флуктуаций, акустических и фононных
колебаний в среде).
2.5. Уширение спектральных линий. Форма спектральных линий. Распространение
излучения в плазме. Распространение резонансного излучения в
слабоионизованной плазме.
2.6. Уравнение переноса излучения. Излучение от полупространства и от слоя
конечной толщины.
2.7. Методы решения кинетического уравнения для излучения. Приближение
«вперед-назад», разложение по сферическим гармоникам. Диффузионное
приближение, приближение Росселанда и Планка.
2.8. Локальное равновесие и приближение лучистого теплообмена.
2.9. Неравновесное излучение низкотемпературной плазмы.
2.10. Светоиндуцированный дрейф.
2.11. Элементы физики лазеров.
5. Образовательные технологии
Создание презентаций для иллюстраций некоторых лекций
курса.
Демонстрационно-компьютерное сопровождение лекционного материала.
6.Учебно-методическое и информационное обеспечение
Литература.
1. И.А.Квасников. Термодинамика и статистическая физика. Теория
неравновесных систем. Москва, Издательство Московского Университета,
1987, Глава I, IV.
2. К.П. Гуров. Феноменологическая термодинамика необратимых процессов.
М. «Наука», 1987.
3. П. Гленсдорф, И. Пригожин. Термодинамическая теория структуры,
устойчивости и флуктуаций. «Мир», М. 1973
4. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Статистическая физика. М. «Наука», 1976.
5. В.А. Журавлев. Термодинамика необратимых процессов в задачах и
решениях. М. «Наука», 1979.
6. И.П. Базаров. Термодинамика. М. Высшая школа. 1991.
7. Ю.Б. Румер, М.Ш. Рывкин. Термодинамика, статистическая физика и
кинетика. Новосибирск, Изд. НГУ, 2000, Глава X.
8. К.Хир. Статистическая механика, кинетическая теория и стохастические
процессы. - М.: «Мир», 1976.
9. Ю.Л. Климонтович. Кинетическая теория неидеального газа и неидеальной
плазмы. М. «Наука», 1975.
10. Р. Кубо. Термодинамика, - М. .: «Мир», 1970.
11. Д.Н. Зубарев. Неравновесная статистическая термодинамика. М. «Мир»,
1971.
12. Р. Балеску. Равновесная и неравновесная статистическая механика. - М.:
«Мир», 1978.
13. С. де Гроот, П.Мазур, Неравновесная термодинамика. М. ИЛ, 1964.
14. Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных
гидродинамических явлений. М. «Наука», 1966. (Главы II, V).
15. Дж. Бонд, К. Уотсон, Дж. Уэлч. Физическая теория газовой динамики. М.
«Мир», 1968. (Главы 4, 10-12).
16. В.Г. Севастьяненко. Перенос излучения. Учебное пособие. Новосибирск,
НГУ. 1979.
17. К. Кейз, П. Цвайфель. Линейная теория переноса. М. «Мир», 1972.
18. В.В. Соболев. Курс теоретической астрофизики. М. «Наука», 1975.
19. Л.М. Биберман, В.С. Воробьев, И.Т. Якубов. Кинетика неравновесной
низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982.
20. Б.М. Смирнов. Физика слабоионизованного газа. (В задачах с решениями).
Издание второе. - М.: «Наука», 1978.
21. Р. Качмарек. Введение в физику лазеров. М. «Мир», 1981.
22. Н.В. Карлов. Лекции по квантовой электронике. М. «Наука», 1983.
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
- аудиторный фонд ИТПМ СО РАН,
- рабочее место с выходом в Интернет,
- библиотечный фонд ИТПМ СО РАН.
Программа составлена в соответствии с требованиями следующих нормативных
документов:
1. Федеральные государственные требования к структуре основной
профессиональной образовательной программы послевузовского
профессионального образования (аспирантура) - приказ Минобрнауки России от
16.03.2011 № 1365.
2. Паспорт научной специальности 01.02.05 – «Меаника жидкости, газа и
плазмы», разработанный экспертами ВАК Минобрнауки России в рамках
Номенклатуры специальностей научных работников, утвержденной приказом
Минобрнауки России от 25.02.2009 г. № 59.
3. Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 01.02.05 –
«Механика жидкости, газа и плазмы», утвержденная приказом Минобрнауки
России от 08.10.2007 № 274 «Об утверждении программ кандидатских экзаменов».
Автор
______________________
Программа принята на заседании Ученого совета ИТПМ СО РАН
протокол №__ от «__»_________20
гг.
Ответственный за специальность
_________________________
Ученый секретарь
Рецензент (ы) д.ф.-м.н., профессор, академик Фомин В.М.