Материал: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. Колодяжный С.А
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
при данной температуре |
C (C < C6) «осели» |
D±² электронов. Тогда внутренняя энергия |
|||||||||||||
«конденсата» из этих частиц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
³´ |
|
|
P T |
³´ |
|
|
|
|
|
|||||
|
2±² = 6 l) |
n(Q) Q2 |
= |
|
|
l) |
Q4[Q , |
(30) |
|||||||
|
£ ! |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
¤ |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
L³´ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где в соответствии с (27) |
Q±² = R |
U! . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Интегрируя выражение в (30), получим внутреннюю энергию «конденсата» |
|
||||||||||||||
|
|
P T |
|
|
|
PT ³´¥ |
|
|
P T |
|
¥ |
|
|||
2±² |
= |
(Q±²‘ − 1) ≈ |
= |
|
R |
L³´ |
U! . |
(31) |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
‘ £ ! |
|
‘ £ ! |
‘ £ ! |
|
Z |
|
|||||||
|
¤ |
|
|
|
¤ |
|
|
|
¤ |
|
|
|
|
||
В монографии [3] впервые введено «термодинамическое определение» числа |
|||||||||||||||
степеней свободы частицы или квазичастицы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
µ = 7ZJ , |
µ = ZJ΄7 . |
|
|
|
|
|
(32) |
|||
В (32) первое уравнение относится к закрытой системе (системе с постоянным числом |
||||||
частиц или квазичастиц, |
≠ 0), а второе к открытой системе (системе с переменным числом |
|||||
частиц или квазичастиц, |
= 0). Учитывая, что электроны рассматриваются как некоторые |
|||||
материальные точки (частицы), для которых число степеней свободы |
µ = 3, из (32) следует, |
|||||
что |
|
|
|
9±² = ZJ³´ = Z J³´ . |
|
|
|
|
|
|
(33) |
||
Следовательно, |
|
|
> ¤ |
P ¤ |
|
|
|
|
|
¥ |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
где const = |
2 |
|
|
9±² = const · Dос! , |
(34) |
|
|
|
. Выражение (34) является уравнением состояния «конденсата». В |
||||
2 |
5 |
|
||||
|
5·23Q§(3 |
|
|
|
||
частности, когда компонент, состоящий из электронов, у которых химический потенциал |
|||||||||
св |
= 0, имеет температуру C = 0, давление 9св = 0, а давление «конденсата» достигает |
||||||||
|
|
|
¥ |
|
|
|
|
|
2±² и |
максимального значения 9±² = const · D!. Подставляя в уравнение (24) значения |
|||||||||
9±², |
|
|
" |
|
|
|
C = 0, найдём химический потенциал |
||
и учитывая, что |
для «осевших» электронов |
||||||||
электронов «конденсата» |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
T |
|
|
|
||
|
|
|
±² = |
® |
Lос |
¯! . |
(35) |
||
|
|
|
Z £ |
Z ¤ |
|||||
При абсолютном нуле |
D±² = D" |
и, следовательно, |
±² = n#. |
|
|||||
Для нахождения энтропии «конденсата» H±² воспользуемся её статистическим определением, |
|||||||||
которое было дано Больцманом: |
H±² = rln ¶±² , где |
¶±² - термодинамическая вероятность, |
|||||||
представляющая собой число микросостояний, с помощью которых может быть осуществлено данное макросостояние. В случае статистики Ферми-Дирака по принципу Паули в одном квантовом состоянии не может быть больше одной частицы. Тогда число возможных различных перестановок D±² частиц по Q±² квантовым состояниям будет [10]
¶±² = |
|
³´! |
|
. |
(36) |
( |
) |
! L³´! |
|||
³´ |
L³´ |
|
|
||
106 |
|
|
|
|
|
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 2(13), 2016
Учитывая, что Q±² = D±² (все квантовые уровни заняты электронами), а также, что (Q±² − D¸¹!=0!=1, получим ¶¸¹=1 , а, следовательно, и H¸¹=0 .
В «конденсате» как закрытой системе можно ввести понятие теплоёмкости при данном изопроцессе [3]. Следовательно, можно ввести теплоёмкости при постоянном объёме
и при постоянном давлении: (N±²) º = R»J» ³´U ¤, (N±²)7ос = R»J» ³´U7ос . Но внутренняя энергия «конденсата» не зависит от температуры C, поэтому (N±²) ¤ = 0 и (N±²)7ос = 0.
Общее давление вырожденного идеального электронного газа складывается из |
||
давлений, создаваемых каждым из двух компонентов: 9(C) = 9±² + 9св(C) . |
||
При |
C = C6 имеем |
9 = 9св (вырожденный идеальный электронный газ состоит |
только из «свободных» электронов), а при C = 0 имеем 9 = 9±² (вырожденный идеальный электронный газ представляет собой только «конденсат»).
Полностью вырожденный идеальный электронный газ. При абсолютном нуле вырожденный идеальный электронный газ превращается в однокомпонентную закрытую систему, состоящую только из «конденсата», так как компонент, состоящий из «свободных»
электронов исчезает. Такой газ можно назвать полностью вырожденным. Очевидно, что |
||||||||||||||||||
внутренняя энергия его и давление, если считать, что объём |
( |
его изменяется в интервале |
||||||||||||||||
(0 < ( ≤ (f), будут соответственно |
|
|
|
¥ |
|
|
|
|
|
|
|
|
¥ |
|
|
|
|
|
|
P T |
|
L¬ |
|
|
|
ZT |
|
L¬ |
|
|
|
|
|||||
|
|
! |
|
|
|
|
! |
|
|
|
|
|||||||
2(() = |
|
R |
|
U |
, |
9(() = |
|
|
R |
|
|
U . |
|
|
|
(37) |
||
|
Z |
|
¥ |
|
Z |
|
|
|
||||||||||
|
‘ £ ! |
|
|
|
|
|
|
|
‘ £ ! |
|
|
|
|
|
|
|
¥ |
|
|
|
|
|
|
|
|
¥ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
9( |
= const |
|
|
|
const = |
R Z |
U |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
‘ £ |
||||||||
Второе уравнение в (37) можно переписать так: |
|
! |
|
|
, где |
|
|
ZT |
|
L¬ |
!. Оно |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
описывает уравнение состояния полностью вырожденного идеального электронного газа. Это же уравнение описывает также и единственный процесс, который можно в нём осуществить - изотермическое (C = 0) сжатие «конденсата» (0 < ( ≤ ( ). Нетрудно
показать, что химический потенциал полностью вырожденного идеального электронного |
|||||||
|
T |
|
|
|
|
||
|
|
L¬ ! |
|
|
|
||
газа: = |
|
R |
|
U |
. Очевидно, что для полностью вырожденного идеального электронного |
||
Z £ |
Z |
||||||
газа H = 0, N = N7 = 0. |
|
|
|||||
Критические |
замечания. |
Отметим, что теория |
вырожденного идеального |
||||
электронного газа в работе [7] отсутствует. Не введено точного значения температуры
вырождения |
идеального |
электронного газа, дано |
лишь приближённое её определение: |
C6 ≈ n#r ). |
Отсутствует |
понятие «конденсации |
Ферми-Дирака» как единственного |
равновесного процесса, который происходит в вырожденном идеальном электронном газе при понижении его температуры. Авторы рассматривают идеальный электронный газ при низких температурах как закрытую систему, т.е. как невырожденный идеальный газ. Поэтому приходят к неправильному выводу, что при низких температурах теплоёмкость при постоянном объёме идеального электронного газа пропорциональна абсолютной температуре. В открытой системе следует рассматривать только плотность теплоёмкости
вырожденного идеального электронного газа которая пропорциональна C!
, .
Заключение. Найдена температура вырождения идеального электронного газа. Построена модель двухкомпонентного вырожденного идеального электронного газа, на основе которой объяснено явление конденсации Ферми-Дирака. Предложена модель полностью вырожденного идеального электронного газа. Сделаны некоторые критические замечания по современной теории вырожденного идеального электронного газа.
107
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Список литературы
1.Павлов Б.Л., Белко В.Н. Уравнение состояния открытых систем. Воронеж. гос. инженер.-строит. институт. // Воронеж, 1993. 14 с. – Деп. в ВИНИТИ 29.06.93, № 1792 – В93.
2.Павлов Б.Л., Белко В.Н. К теории открытых систем. // Воронеж. гос. архит.-строит. университет. – Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. – Научный вестник. - № 5. – Воронеж, 2012. – С. 33 -37.
3.Павлов Б.Л., Белко В.Н. Теория открытых равновесных систем и её применение в физике. Монография // Воронеж. гос. архит.-строит. университет. – Воронеж, 2015. – 138 с.
4.Давыдова Е.Г. Обзор-рецензия монографии Б.Л. Павлова, В.Н. Белко «Теория открытых равновесных систем и её применение в физике» // Воронеж. гос. архит.-строит. университет.
–Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. – Научный вестник. – Выпуск № 2(11). – Воронеж, 2015. – С. 128 -131.
5.Двайт В.Г. Таблицы интегралов и других математических формул. – М.: Наука, 1983. –
172с
6.Физический энциклопедический словарь. – М.: Советская энциклопедия, 1983. – 928 c.
7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Статистическая |
физика. – |
Т. V. – |
|
Ч. I. – M.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 616 с. |
|
|
|
8. |
Павлов Б.Л., Белко В.Н. О конденсации Ферми-Дирака в идеальном ферми-газе // |
||
Воронеж. гос. технологическая академия. – Вестник ВГТА. – № 4. – Воронеж, 2000. – |
С. 92. |
||
9. |
Павлов Б.Л., Белко В.Н. Двухкомпонентная модель вырожденного идеального |
ферми- |
|
газа, |
состоящего из частиц // Воронеж. гос. архит.-строит. университет. – |
Воронеж, |
2012. – |
Деп. в ВИНИТИ 10.08.2012, № 334 – В2012. |
|
|
|
10. |
Ноздрёв, В.Ф., Сенкевич А.А. Курс статистической физики. – М.: Высшая школа, |
||
1965. – 288 с. |
|
|
|
______________________________________________________________________________
Павлов Борис Леонидович – ассистент кафедры физики Воронежского государственного университета
инженерных технологий. Тел. (473)2538054, E-mail: borispavlovvrn@gmail.com
Никишина Анна Игоревна – к.ф.-м.н., доцент кафедры физики Воронежского государственного технического университета. Тел.(473)2715004, E-mail: ann-nikishina@yandex.ru
Давыдова Екатерина Геннадьевна – к.х.н., доцент кафедры химии Воронежского государственного технического университета. Тел.8(950)772-85-02, E-mail: eg_@vgasu.vrn.ruann-nikishina@yandex.ru
108
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 2(13), 2016
ОБРАЗОВАНИЕ И ИННОВАЦИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
УДК 378.09
Е.Г. Давыдова, В.В. Власов, С.М. Усачев, А.М. Усачев
ХИМИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ОСОБЕННОСТИ ОБУЧЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ
ИНСТИТУТЕ ВГТУ
В статье рассмотрены возможности и перспективы получения высшего образования по ряду инженерных специальностей естественнонаучного и строительного профиля в Строительнотехнологическом институте Воронежского государственного технического университета.
Ключевые слова: химия, технология, материаловедение, обучение
E.G. Davydova, V.V. Vlasov, S.M. Usachev, A.M. Usachev
CHEMISTRY, TECHNOLOGY AND MATERIAL SCIENCE.
CONTEMPORARY APPROACH TO EDUCATION ON THE CIVIL ENGINEERING
AND TECHNOLOGICAL INSTITUTE OF VSTU
The article discusses the possibilities and prospects of higher education in a number of engineering specialties of science and building profile in the Civil Engineering and Technological Institute, Voronezh State Technical University.
Keywords: сhemistry, technology, material science, education.
"Современное химическое производство выглядит фантастически и привлекает молодежь неограниченными возможностями."
Петр Образцов, газета "Химия", 19 сентября 2016 понедельник № 210 (7078)
На сегодняшний день, успешно развивающиеся отрасли мирового химического комплекса ежегодно демонстрируют прирост ВВП на уровне 4,9 % и более по сравнению с мировым ВВП, увеличивающимся на 2,9 % в год [1]. На международной выставке химической промышленности и науки "Химия - 2016", проходившей в ЦВК "Экспоцентр" Москва, отмечалось, что химическая промышленность является важной составляющей государственной экономики. Президент Союза химиков Виктор Иванов в своем обращении к делегатам Форума отметил, что на его взгляд, химия и нефтехимия могут быть локомотивом роста экономики. А ведущие российские предприятия, такие как «Уралхим», «Фосагро», «Химпэк», «Фармконтракт», «Текса», расположенные на территории нашего региона: металлургический холдинг «Металлоинвест», «Белнефтехим», холдинг «Сибур», ОАО «Комбинат КМАруда», ЗАО «Лакокрасочный завод рикколор», «Воронежский шинный завод пирелли», АО «Минудобрения», Новолипецкий металлургический комбинат, завод "Свободный сокол", Семилукский завод по производству огнеупоров и другие компании строительного, химического профиля, здравоохранения и др., внедряющие инновационные технологии в производство, а также научно-исследовательские институты, разрабатывающие эти технологии нуждаются в квалифицированных кадрах, способных работать на новейшем оборудовании, понимающих принципы и технологии создания инновационных материалов.
________________________________________________________________________________
© Давыдова Е.Г., 2016
109
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Подготовка таких специалистов имеет ряд особенностей. Конечно, обучение материаловедов требует высокого уровня знаний по таким естественно-научным дисциплинам как математика, химия и физика. Предметы эти признаются сложными многими студентами, однако, и интересными тоже. Создание новых материалов, возможности их анализа и применения в строительной, химической и нефтехимической промышленности, медицине, экологии, ресурсо- и энергосбережении - вот неполный перечень новых реалий, стать участниками которых предстоит студентам, обучающимся в строительно-технологическом институте ВГТУ. Часто звучащая в СМИ и в аудиториях приставка "нано" столь непонятная, сколь и притягивающая, становится для наших студентов необычайным миром возможностей и открытий. Кроме того, студенты химикоматериаловедческих специальностей имеют уникальную возможность проследить полный цикл подготовки конкурентоспособных материалов и изделий, внедрения новейших технологий производства строительных материалов от идеи и фундаментальных исследований, через стадию прикладных исследований до выпуска опытной партии и коммерциализации полученных результатов.
Подготовка бакалавров материаловедческого профиля - химико-технологического блока ведется в строительно-технологическом институте и включает направления подготовки: «Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций», «Химия, физика и механика материалов», «Химическая технология». Магистерские программы этих направлений курируются ведущими профессорами института. На базе кафедры химии строительно-технологического института с 2017 года открывается новая специальность средне-профессионального образования 18.02.01 «Аналитический контроль качества химических соединений» очной формы обучения сроком 3 года 10 месяцев и квалификацией выпускника - техник. Этот этап подготовки является также важной подготовительной ступенью химической подготовки. Наличие многоступенчатой системы образования позволяет учащимся повысить квалификацию, обучаясь по одному направлению, либо расширить свои профессиональные возможности за счет возможности выбора направлений на разных ступенях образования.
Обучаясь на строительно-технологическом факультете по профилю "Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций" студенты получат возможность работать на предприятиях строительной отрасли по производству строительных материалов, изделий и конструкций, - в строительных организациях и научноисследовательских институтах, в проектных институтах и организациях, занимающихся проектированием новых технологий, материалов и конструкций, руководителями проектных работ и строительных объектов различного назначения, - в учебных заведениях обучать студентов строительным специальностям, в коммерческих организациях, занимающихся дилерской работой по продаже и реализации различных строительных материалов, в административных органах власти, решающих вопросы лицензирования технологической деятельности строительных организаций и др. У выпускников этого направления, как ни у кого другого, имеются широкие возможности для организации собственного малого и среднего бизнеса в сфере производства новых строительных материалов.
Выпускники направления "Химия, физика и механика материалов" востребованы в научно-исследовательских и заводских лабораториях, занимающихся изучением свойств и разработкой технологии производства различных материалов, в том числе сверхпроводящих
имагнитных, новых поколений супериоников и строительных материалов, полупроводников, полимеров и биосистем; на промышленных предприятиях, использующих
ипроектирующих современные материалы, методы их обработки и диагностики; в аналитических и сертификационных центрах, в центрах по определению экономической эффективности научно-исследовательских и научно-производственных работ в области наук
110