Пособие предназначено для изучения курса «Физическая кинетика», в нём изложены качественные методы решения основных задач физической кинетики и гидрогазодинамики, позволяющие правильно оценить порядки физических величин в различных неравновесных статистических процессах. Ещё одна цель пособия — научить начинающих физиков приближённым подходам к постановке задач физической кинетики.

Эта книга, в основу которой положен курс лекций, прочитанный автором в МИФИ, может быть использована как дополнение к существующим учебникам по физической кинетике и гидрогазодинамике. Её цель — углубить знания изучающих этот предмет, помочь освоить основные элементы физики неравновесных статистических процессов.

Учебное пособие содержит решения основных задач физической кинетики, гидрогазодинамики и термодинамики, проведённые качественными методами. Под словом «качественный» понимается следующее: все результаты получают «по порядку величины», а числовыми множителями порядка единицы, нахождение которых требует решения кинетических уравнений либо уравнений гидрогазодинамики, не интересуются. Необходимость качественных методов диктуется тем, что числовые расчёты в физической кинетике и гидрогазодинамике, как правило, связаны с трудоёмкими и обширными вычислениями на ЭВМ. Всегда, прежде чем обращаться к таким вычислениям, целесообразно произвести качественные оценки результатов, которые вообще не требуют ни использования ЭВМ, ни аналитического решения дифференциальных и интегральных уравнений физической кинетики или гидрогазодинамики (последнее зачастую либо невозможно, либо приводит к сложным специальным функциям математической физики).

Качественные оценки позволяют правильно оценить порядки физических величин, получающиеся при решении задач, а также довольно часто позволяют упростить сами уравнения, программируемые на ЭВМ, путём отбрасывания в них несущественных членов. При этом сам факт несущественности обнаруживается лишь при использовании качественных подходов, а заранее не очевиден.

Дифференциальные уравнения гидрогазодинамики и термодинамики в качестве коэффициентов содержат различные кинетические характеристики среды: коэффициенты теплопроводности, вязкости, диффузии и т. п. Их оценки содержатся в первых главах данного учебного пособия. Целью последующих глав является качественное решение уравнений, описывающих различные макроскопические неравновесные процессы в средах. При этом кинетические коэффициенты, характеризующие среду, считаются уже заданными.

В первых главах рассматриваются кинетические свойства нейтральных газов, слабоионизованных газов, оцениваются основные кинетические характеристики плазмы, диэлектриков и металлов. В последующих главах рассматриваются неравновесные процессы в идеальной и вязкой жидкостях, явления турбулентности, теплопроводности, диффузии и свободной конвекции в типичных задачах гидрогазодинамики, физика пограничного слоя и поверхностные явления, распространение различных волн в средах.

После прочтения и усвоения материала каждого параграфа читателю рекомендуется получить качественное решение нескольких задач, сформулированных в конце параграфа. При этом следует иметь в виду, что многие задачи имеют различные пути решения, приводящие, разумеется, к одинаковому конечному результату. При рассмотрении задач в тексте параграфа обычно даётся только один путь к решению. Читателю рекомендуется подумать над другими возможными способами решения и попробовать реализовать их.

Конечно, в физической кинетике и гидрогазодинамике имеется также и большое число задач, качественный подход к решению которых тривиален или, напротив, неосуществим. Если имеются количественные аналитические решения этих задач, то, как правило, из них сразу видно, можно или нельзя получить общий ответ (или ответ в каком-либо предельном случае) качественными методами. Если аналитических решений нет, то при попытках качественных подходов разумно привлекать сведения экспериментального или наглядного характера.

Для понимания материала данного учебного пособия читателю достаточно знать курс физики для студентов высших технических учебных заведений…

Искренне благодарю С. П. Гореславского, В. С. Имшенника, Е. Е. Ловецкого и В. П. Силина, внимательно прочитавших рукопись и сделавших большое количество ценных замечаний, учтённых при её доработке.

ПРЕДИСЛОВИЕ
Автор

Книги на ту же тему

1. Неравновесные явления: Уравнение Больцмана, Ланфорд III О. Э., Гринберг У., Полевчак Я., Цвайфель П. Ф., Эрнст М. X., Черчиньяни К., Кэфлиш Р. Э., Шпон Г., 1986
2. Теория и приложения уравнения Больцмана, Черчиньяни К., 1978
3. Математические методы в кинетической теории газов, Черчиньяни К., 1973
4. Статистические функции распределения, Власов А. А., 1966
5. Релятивистская кинетическая теория с приложениями в астрофизике и космологии, Верещагин Г. В., Аксенов А. Г., 2018
6. Анализ математических моделей: системы законов сохранения, уравнения Больцмана и Смолуховского, Галкин В. А., 2009
7. Плазма — четвёртое состояние вещества. — 2-е изд., испр., Франк-Каменецкий Д. А., 1963
8. Элементы магнитной газодинамики, Калихман Л. Е., 1964
9. Вопросы теории плазмы. Выпуск 18, Кадомцев Б. Б., ред., 1990
10. Моделирование динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере, Алоян А. Е., 2008
11. Физические основы лазерной резки толстых листовых материалов, Ковалёв О. Б., Фомин В. М., 2013
12. Теория авиационных газотурбинных двигателей. — 2-е изд., испр. и доп., Кулагин И. И., 1955