Physics of Matter

1. Auflage 2023
ISBN: 978-1-119-46858-5
Verlag: John Wiley & Sons Inc

Buch, Englisch, 464 Seiten, Format (B × H): 236 mm x 188 mm, Gewicht: 968 g

Reihe: Manchester Physics Series

Einführungswerk im Grundlagenkurs über die Natur der Materie mit stärkerem Fokus auf physikalische Prozesse als auf mathematische Beschreibungen

Physics of Matter ist ein Einführungslehrwerk in die Natur der Materie mit einer Beschreibung der Kräfte, die die Atome von Gasen, Flüssigkeiten, Flüssigkristallen und Festkörpern zusammenhalten, und der thermischen Bewegung der Atome. Auch das Verhältnis zwischen diesen Materiephasen und Wärme sowie die Grundsätze der Thermodynamik werden erläutert.

In Physics of Matter werden Materialien in einem einzigartigen Umfang beschrieben, wobei auch Themen wie Graphene und Flüssigkristalle abgedeckt werden, die in letzter Zeit an Bedeutung gewonnen haben. Die dargestellten Inhalte werden durch eine Reihe von Arbeitsbeispielen im Text veranschaulicht. Jedes Kapitel endet mit Fragestellungen und Lösungen, die von einfachen Übungen bis zu anspruchsvollen Problemen reichen.

Es wurde besonders auf eine klare Darstellung und verständliche Erklärungen geachtet und die Physik stärker in den Fokus gerückt als die Mathematik, da gemäß den Autoren die allgemeinen physikalischen Grundsätze einen breiteren Anwendungsbereich haben.

Das Werk wird in der Reihe Manchester Physics Series veröffentlicht, die dafür bekannt ist, umfangreiche Erkenntnisse, tiefgehende Informationen und häufig auch detaillierte Darstellungen zu bieten, die in anderen Lehrwerken nicht zu finden sind. Physics of Matter befasst sich u.a. mit den folgenden Themen:

* Merkmale von Atomen (Größe und Masse) und die Avogadro-Konstante, die Kräfte, die Atome und Moleküle zusammenhalten, und das Lennard-Jones-Potential
* Thermische Energie, Temperatur und das Stefan-Boltzmann-Gesetz mit Zustandsgleichungen, der idealen Gasgleichung und der Gleichverteilung von Energie
* Kinetische Theorie und Transporteigenschaften von Gasen mit molekularen Kollisionen, dem Druck eines idealen Gases, der mittleren freien Weglänge und Diffusion
* Echte Gase mit der Van-der-Waals-Gleichung, Virialgleichungen, kritischen Konstanten und Wärmekapazitäten
* Reversible Prozesse, Entropie, der Carnot-Kreisprozess, die thermodynamische Grundbeziehung und die freie Gibbs-Energie
* Festkörper mit Kristallstruktur, Elastizitätsmoduln und dem Einstein-Modell der Wärmekapazität
* Flüssigkeiten mit Strömung und Bernoulli-Gleichung

Autoren/Hrsg.

King, George C.

Fachgebiete

• Naturwissenschaften Physik Physik Allgemein
• Technische Wissenschaften Maschinenbau | Werkstoffkunde Maschinenbau
• Naturwissenschaften Chemie Physikalische Chemie

Inhaltsverzeichnis

Editors' preface to the Manchester Physics Series xv
Author's preface xvii

1 Atoms, the constituents of matter 1
1.1 The mass of an atom 1
1.2 The size of an atom 6
1.3 Atomic structure 11

2 The forces that bind atoms together 43
2.1 General characteristics of interatomic forces 43
2.2 Interatomic potential energy 47
2.3 Types of interatomic bonding 51
2.4 Why gases, liquids, and solids 65

3 Thermal energy of atoms and molecules 69
3.1 Temperature and the translational kinetic energy of a molecule 69
3.2 Probability distributions and mean values 72
3.3 The Maxwell–Boltzmann speed distribution 80
3.4 Boltzmann's law 86
3.5 The isothermal atmosphere 91
3.6 Derivation of the Maxwell–Boltzmann speed distribution 96
3.7 Equipartition of energy 100
3.8 Specific heats of gases 106

4 Kinetic theory of gases: transport processes 117
4.1 Kinetic theory of gases 117
4.2 Molecular collisions and the mean free path 118
4.3 The distribution of free paths 122
4.4 Diffusion 125
4.5 Thermal conduction 134
4.6 Viscosity 140
4.7 Comparison of transport properties 142
4.8 Effusion 144
4.9 The random walk 149

5 Real gases 157
5.1 The van der Waals equation 158
5.2 P–V isotherms for a real gas 163
5.3 The virial equation 166
5.4 Internal energy and specific heats of a van der Waals gas 169
5.5 Phase diagrams 171

6 The First Law of Thermodynamics 177
6.1 Thermodynamic equilibrium 178
6.2 Temperature 180
6.3 Heat 185
6.4 Internal energy 186
6.5 Work and Joule's paddle wheel experiment 188
6.6 First law of thermodynamics 191
6.7 Work done during volume changes 194
6.8 Reversible processes 196
6.9 Expansion of gases and the first law of thermodynamics 202
6.10 The Joule effect; the free expansion of an ideal gas 203
6.11 Molar specific heats of an ideal gas 205
6.12 Enthalpy 210
6.13 The Joule–Kelvin effect 212
6.14 Thermochemistry 217

7 The second law of thermodynamics 223
7.1 Introduction 223
7.2 Heat engines 224
7.3 The Carnot cycle 229
7.4 Entropy 235
7.5 Entropy changes in reversible processes 238
7.6 Entropy changes in irreversible processes 241
7.7 Entropy and the second law 245
7.8 The fundamental thermodynamic relationship 246
7.9 Phase changes and the Clausius–Clapeyron equation 247
7.10 Gibbs free energy 252
7.11 Thermodynamic identities 255
7.12 A statistical approach to the second law of thermodynamics 259

8 Solids 271
8.1 Types of solids 271
8.2 Crystal structure 273
8.3 The crystal lattice, unit cell, and basis 282
8.4 X-ray crystallography 290
8.5 Experimental techniques of X-ray crystallography 294
8.6 Neutron scattering 298
8.7 Interatomic forces in solids 299
8.8 Vibrations in crystals 301

9 The elastic properties of solids 309
9.1 Stress, strain, and elastic moduli 309
9.2 Poisson's ratio 315
9.3 The velocity of sound in a thin wire 320
9.4 Torsional stress and strain 322
9.5 Elastic moduli and interatomic forces and potential energies 325
9.6 The inelastic behaviour of solids 332

10 Thermal and transport properties of solids 339
10.1 Molar specific heats of solids 339
10.2 Thermal conductivity of solids 350
10.3 Diffusion in solids 353
10.4 Electrical and thermal conductivities of metals 356

11 Liquids 363
11.1 The structure of liquids 363
11.2 Physical properties of liquids 366
11.3 The flow of liquids 374
11.4 The flow of real liquids 380

12 Liquid crystals 387
12.1 Liquid crystal phases 388
12.2 Thermotropic liquid crystal phases 389
12.3 Polarised light 396
12.4 Optical properties of liquid crystals 402
12.5 Liquid crystal displays 410
12.6 Liquid crystals in nature 415

Problems 12 415
Solutions to problems 417
Index 437

Über Autor(innen)

George C. King is Emeritus Professor of Physics in the School of Physics & Astronomy at the University of Manchester and Fellow of the Institute of Physics. His research interests are the study of atoms and molecules using synchrotron radiation and electron impact excitation, and he is the author of over 200 published papers describing these studies. He has over 40 years teaching experience that includes lecturing a wide range of undergraduate and postgraduate courses.