Курс лекций по общей физике Молекулярная физика

Курс лекций по общей физике Молекулярная физика и термодинамика

Методы исследования Молекулярная физика Термодинамика разделы физики, изучающие макроскопические процессы в телах, связанные с движением большого количества содержащихся в телах атомов и молекул изучает строение и свойства изучает общие свойства вещества, исходя макроскопических систем, находящихся из молекулярно-кинетических в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими представлений основные состояниями положения Два начала (фундаментальные МКТ законы) Статистический Термодинамический метод исследования • устанавливает связи между макроскопическими свойствами вещества усредненные • НЕ изучает микроскопическое строение значения величин вещества • НЕ изучает механизм явлений

Основные понятия количество вещества, число Авогадро содержащее столько же частиц, Моль сколько содержится атомов NA = 6, 022· 1023 моль– 1 в 0, 012 кг углерода 12 C совокупность макроскопических тел, Термодинамическая которые взаимодействуют и обмениваются энергией система как между собой, так и с другими телами Термодинамические давление объем температура параметры P V Т T = 273, 15 + t абсолютным нулем температуры – точка нулевого давления газа Реперные точки температура тройной точки воды: лед, вода и пар – в тепловом равновесии 0, 01° С в шкале Кельвина 273, 16 К

Основные положения МКТ 1. Все тела состоят из молекул Основные 2. Молекулы непрерывно движутся положения МКТ 3. Молекулы взаимодействуют между собой и со стенками сосуда энергия внутренняя взаимодейств энергия движения энергия газа ия молекул молекул Газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного Идеальный взаимодействия газ Физическая С достаточной степенью точности газы можно считать модель идеальными в тех случаях, когда рассматриваются их состояния, далекие от областей фазовых переходов

Основное уравнение МКТ Основное средняя квадратичная уравнение МКТ скорость молекул идеальных газов Средние квадратичные скорости молекул при н. у. • для О 2 - V ≈ 425 м/с, Средняя кинетическая • для Н 2 - V ≈ 1700 м/с энергия поступательного • Водяной пар - V ≈ 570 м/с движения одной молекулы идеального газа число степеней свободы молекулы Температура – мера средней кинетической энергии молекул Температура – понятие статистическое ! i = iпост+ iвращ + 2 iкол Число степеней свободы

Уравнение состояния идеального газа Уравнение Менделеева-Клапейрона М – молярная масса – количество вещества R=8, 31 Дж/(моль∙К) – универсальная газовая постоянная k=R/NA= 1, 38 ∙ 10 -23 Дж/К – постоянная Больцмана n – концентрация молекул

Внутренняя энергия идеального газа Способы изменения внутренней энергии внутренняя энергия газа энергия взаимодейств движения Q молекул ия молекул A Теплопередача Работа Теплопроводность U = Q + A I начало твердые тела термодинамики Конвекция Q = U + A’ жидкости, газы для идеального газа Излучение все тела

Явления переноса в термодинамически неравновесных системах Необратимые Термодинамически Макроскопическая система, процессы неравновесная состояние которой с течением система времени меняется происходит Явления пространственное перераспределение переноса энергии, массы, импульса Теплопроводность Диффузия Внутреннее трение обусловлена переносом обусловлено переносом энергии массы импульса Экспериментально полученные соотношения

Теплопроводность Обусловлена переносом энергии происходит Если в одной области газа выравнивание Ек молекул >, чем в другой температур Закон Фурье энергия, переносимая плотность в форме теплоты в ед-цу теплового времени через единич. потока градиент площадку, оси х температур энергия переносится в направлении ↓ Т удельная теплоемкость газа теплопроводность при постоянном объеме количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме

Диффузия Обусловлена переносом массы Самопроизвольное проникновение и перемешивание частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел Для химически Закон Фика однородного газа масса вещества, плотность переносимая в ед-цу потока времени через единич. массы площадку, оси х градиент перенос массы – плотности в направлении ↓ коэффициент диффузии

Внутреннее трение (вязкость) Обусловлена переносом импульса Если параллельные обмен торможение слои жидкости (газа) молекулами обмен быстрого, движутся с различными между импульсами ускорение скоростями слоями медленного Закон Ньютона полный импульс, градиент переносимый плотность скорости в ед-цу времени через потока единичную площадку, импульса оси х динамическая вязкость перенос импульса – в направлении ↓

Вязкость Свойство жидкостей (газов) оказывать Вязкость сопротивление перемещению одной части (внутреннее трение) жидкости относительно другой Градиент скорости зависит от: – коэффициент • химических свойств пропорциональности жидкости Динамическая вязкость • температуры (вязкость) (для жидкостей зависимость обратная, для газов – прямая [ ] = Па∙с пропорциональность) показывает, как быстро меняется скорость 1 Па с – динамическая вязкости среды, при переходе от слоя к слою в которой при ламинарном течении и градиенте скорости, равным 1 м/с на 1 м, в направлении х, возникает сила внутреннего трения 1 Н на 1 м 2 направлению движения поверхности касания слоев (1 Па с= 1 Н с/м 2) слоев

Первое начало термодинамики сформулировано в середине XIX в. в результате работ По закону сохранения энергии Ю. Р. Майера (нем. ), или Г. Гельмгольца (нем. ), Дж. П. Джоуля (англ. ) В дифференциальной форме I начало термодинамики Теплота, сообщаемая системе, расходуется U 1 U 2 на увеличение (изменение) ее внутренней V 1 T 1 V 2 T 2 энергии и на совершение ею работы против внешних сил Q или: ТД система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии Количество теплоты или каких-либо внешних источников Q > 0 подводится к системе энергии Количество теплоты Q < 0 ! отнимается от системы Невозможно существование вечного Работа совершается системой двигателя первого рода, который А > 0 совершал бы работу, не черпая против внешних сил Работа совершается над энергию из какого-либо источника А < 0 системой внешними силами

Работа газа при изменении его объема S dl Р Q Графически можно изображать только равновесные процессы (последовательности равновесных справедливо при любых состояний) изменениях объема твердых, Все реальные процессы жидких и газообразных тел неравновесны !

Теплоемкость Удельная теплоемкость вещества Молярная теплоемкость вещества Численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг необходимому для нагревания 1 моля вещества на 1 К вещества на 1 К [с] = Дж/(кг∙К) [С] = Дж/(моль∙К) для 1 моля Различают Теплоемкость при Теплоемкость постоянном объеме при постоянном давлении Численно равна количеству теплоты, Теплоемкость необходимому для нагревания тела на тела 1 К

Изопроцессы Изохорный Изобарный Изотермический V=const Р=const Т=const =0 Молярная теплоемкость при постоянном объеме =CV =R работа при изобарном С учетом нагревании 1 моля на 1 К равная Q, уравнение необходимому для Майера нагревания 1 моль вещества на 1 К Для того, чтобы при расширении газа Т не понижалась, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить Q, эквивалентное внешней Все количество теплоты, работе расширения полученное телом, идет на изменение внутренней энергии Роберт Бойль, 1662 г. Жак Александр Сезар Шарль, 1808 г. Жозеф Луи Гей-Люссак, 1862 г. Эдм Мариотт, 1676 г.

Адиабатический процесс Адиабатический Процесс, проходящий без теплообмена (адиабатный) с окружающей средой Q = 0 Уравнение Пуассона показатель адиабаты

Термодинамический цикл Круговой процесс Периодически повторяющийся процесс теплопередачи и (термодинамический преобразования полученного цикл) количества теплоты в работу энергетическая схема тепловой машины расширение нагреватель работа за цикл рабочее тело сжатие холодильник показывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим Коэффициент телом от нагревателя, полезного превратилась действия в полезную работу

Использование циклов устройство, способное превращать полученное Тепловой двигатель количество теплоты в механическую работу Цикл Отто в бензиновом Цикл Дизеля в дизельном карбюраторном двигателе изобара рабочее тело адиабата смесь изохора паров дизельного бензина топлива с воздухом к. п. д изохора 30% 40%

Цикл Карно изотерма адиабата 1 -2: • изотермическое расширение • газ получает тепло • газ совершает работу A 12=Q 1 2 -3: • адиабатическое расширение работа за • газ совершает работу A 23 >0 цикл • температура падает до T 2 3 -4: • изотермическое сжатие • газ отдает тепло Q 2<0 • газ совершает работу А 34=Q 2 A 34 <0 4 -1: исключает теплообмен рабочего тела • адиабатическое сжатие и окружающей среды (термостатов), • температура повышается до T 1 когда тепло может передаваться без • газ совершает работу A 41 <0 совершения работы Работа за цикл A=A 12 +А 23+А 34+А 41 ηКарно = ηmax

Использование цикла Карно Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях Обход цикла по Обход цикла против часовой стрелке часовой стрелки тепловой двигатель холодильная машина нагреватель рабочее тело холодильник идеальное устройство, работающее некоторое Q отбирается от холодного по циклу Карно, называют резервуара и передается нагревателю обратимой тепловой машиной за счет совершения внешней работы

Второе начало термодинамики Кельвин: В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара II начало ТД Клаузиус: Невозможен самопроизвольный процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой Общее свойство необратимых процессов замкнутая система приближается к состоянию термодинамического равновесия

Энтропия В 1878 году Л. Больцман дал вероятностную трактовку понятия энтропии мера неупорядоченности, Энтропия мера статистического беспорядка указывает направление d. S=d. Q/T d. Q=0 в замкнутой системе самопроизвольно d. S=0 S=const протекающих процессов Закон При любых процессах, протекающих возрастания в термодинамических изолированных энтропии системах, энтропия не уменьшается энтропия системы и термодинамическая вероятность связаны между собой следующим образом начало термодинамики можно сформулировать как закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой принцип возрастания энтропии необратимый процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает. тепловой смерти Вселенной