МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ПРОЦЕССЫ Выполнил: Буханов Д Группа: 1 ПИ 1
Содержание 1. 2. 3. 4. • • • Макроскопическое состояние Микросостояние Макроскопические параметры Уравнения состояния Термическое уравнение состояния Калорическое уравнение состояния Каноническое уравнение состояния 5. Внутренняя энергия 6. Распределение энергии по степеням свободы 7. Равновесный процесс 8. Первое начало термодинамики • • Изотермический процесс Изохорический процесс Адиабатический процесс Изобарический процесс 9. Литература
Макроскопическое состояние МАКРОСКОПИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ (макросостояние) системы, определяется значениями ее термодинамических параметров: давления p, температуры Т, удельного объема v, внутренней энергии U и т. п. Для определения макроскопического состояния однокомпонентной системы достаточно знать значения любых 2 независимых параметров (напр. , Т и p или Т и v).
Микросостояние. Состояние макроскопического тела, охарактеризованное настолько подробно, что заданы состояния всех образующих тело молекул, называется микросостоянием.
Макроскопические параметры – параметры значения которых можно определить с помощью приборов, ничего не зная об атомно-молекулярном строении вещества
Уравнение состояния — уравнение, связывающее между собой термодинамические (макроскопические) параметры системы, такие, как температура, давление, объём, химический потенциал и др. Уравнение состояния можно написать всегда, когда можно применять термодинамическое описание явлений. При этом реальные уравнения состояний реальных веществ могут быть крайне сложными. Уравнение состояния системы не содержится в постулатах термодинамики и не может быть выведено из неё. Оно должно быть взято со стороны (из опыта или из модели, созданной в рамках статистической физики). Термодинамика же не рассматривает вопросы внутреннего устройства вещества.
Термическое уравнения состояния Термическое уравнение состояния связывает макроскопические параметры системы. Для системы с постоянным числом частиц его общий вид можно записать так: То есть, задать термическое уравнение состояния значит конкретизировать вид функции f.
Калорическое уравнение состояния показывает, как внутренняя энергия выражается через давление, объем и температуру. Для системы с постоянным числом частиц оно выглядит так: или, учитывая, что давление можно выразить из термического уравнения,
Каноническое уравнение состояния Каноническое уравнение представляет собой выражение для одного из термодинамических потенциалов(внутренней энергии, энтальпии, свободной энергии или потенциала Гиббса) через независимые переменные, относительно которых записывается его полный дифференциал. (для энтальпии) (для внутренней энергии) (для свободной энергии) (для потенциала Гиббса) Каноническое уравнение, независимо от того, в каком из этих четырех видов оно представлено, содержит полную информацию о термических и калорических свойствах термодинамической системы.
Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход. Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии: где — подведённая к телу теплота, измеренная в джоулях — работа, совершаемая телом против внешних сил, измеренная в джоулях U = A/q Эта формула является математическим выражением первого начала термодинамики
Распределение энергии по степеням свободы При любом числе степеней свободы данной молекулы три степени свободы всегда поступательные. Ни одна из поступательных степеней свободы не имеет преимущества перед другими, значит на каждую из них приходится в среднем одинаковая энергия, равная 1/3 значения <ε 0> (энергия поступательного движения молекул): В статистической физике выводится закон Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы молекул: для статистической системы, которая находится в состоянии термодинамического равновесия, на каждую поступательную и вращательную степени свободы приходится в среднем кинетическая энергия, равная k. T/2, а на каждую колебательную степень свободы — в среднем энергия, равная k. T. Колебательная степень обладает вдвое большей энергией, т. к. на нее приходится как кинетическая энергия (как в случае поступательного и вращательного движений), так и потенциальная, причем средние значения потенциальной и кинетической и энергии одинаковы. Значит, средняя энергия молекулы где i — сумма числа поступательных, числа вращательных в удвоенного числа колебательных степеней свободы молекулы: i=iпост+iвращ+2 iколеб Так как в идеальном газе взаимная потенциальная энергия взаимодействия молекул равна нулю (молекулы между собой не взаимодействуют), то внутренняя энергия для одного моля газа, будет равна сумме кинетических энергий NA молекул: Внутренняя энергия для произвольной массы m газа. где М — молярная масса, ν — количество вещества.
Равновесный процесс Равновесный тепловой процесс — тепловой процесс, в котором система проходит непрерывный ряд бесконечно близких равновесных термодинамических состояний. Равновесный тепловой процесс называется обратимым, если его можно провести обратно и в телах, окружающих систему, не останется никаких изменений. Реальные процессы изменения состояния системы всегда происходят с конечной скоростью, поэтому не могут быть равновесными. Реальный процесс изменения состояния системы будет тем ближе к равновесному, чем медленнее он совершается, поэтому равновесные процессы называют квазистатическими.
Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем. Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца[1]. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или какихлибо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.
лежит выше изотермы, соответствующей более низкой температуре Изотермический процесс Процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре называется изотермическим. Из уравнения состояния идеального газа следует, что при постоянной температуре Т и неизменных значениях массы газа m и его молярной массы M произведение давления Р газа на его объем V должно оставаться постоянным: PV = const при T = const Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре графически изображается кривой, которая называется изотермой. Изотерма газа изображается обратно пропорциональную зависимость между давление и объемом. Кривая такого рода называется гипербола (рис. 1). (Рис 1) Разным постоянным температурам соответствуют различные изотермы. При повышении температуры давление согласно уравнению состояния увеличивается, если V=const. Поэтому изотерма, соответствующая более высокой температуре В системах координат p, T (рис. 2) и V, T (рис. 3) изотермический процесс изображается прямой, параллельной соответственно оси p или V. Эти прямые также изотермы. Третий параметр (V или p) не сохраняет вдоль них постоянного значения. (рис 2) Изотермический процесс протекает медленно, так как он обусловлен теплообменом с окружающей средой. (рис 3)
Изохорический процесс Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называют изохорным. процесс, протекающий при неизменном объеме V и условии m = const и M = const. При этих условиях из уравнения состояния идеального газа вытекает, что в любом состоянии газа с неизменным объемом отношение давления газа к его температуре остается постоянным: График уравнения изохорного процесса называется изохорой. Изохора, изображенная в прямоугольной системе координат по оси ординат которой отсчитывается давление газа, а по оси абсцисс – его абсолютная температура, является прямой, проходящей через начало координат (рис. 1). (Рис 1) Угол наклона α изохоры к оси температур тем больше, чем меньше объем газа (V 3 > V 2 > V 1). Разные объемам соответствуют разные изохоры. С ростом объема газа при постоянной температуре давление его согласно закону Бойля – Мариотта падает. Поэтому изохора, соответствующая большому объему V 2, лежит ниже изохоры, соответствующей объему V 1. В системах координат p, V и V, T изохора имеет вид прямой, параллельной оси p или, соответственно, Т (рис. 2 рис. 3). (рис 2) (рис 3) Увеличение давления газа в любой емкости или в электрической лампочке при нагревании является изохорным процессом. Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объема. Также изохорный процесс можно осуществить при нагревании воздуха при постоянном объеме.
Адиабатический процесс Адиабатным процессом называется процесс, происходящий в термодинамической системе при отсутствии теплообмена с окружающими телами, то есть при условии Q = 0. Примерами адиабатных процессов могут служить процессы сжатия воздуха в цилиндре воздушного огнива, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. В соответствии с первым законом термодинамики, при адиабатном сжатии изменение внутренней энергии газа ΔU равно работе внешних сил А: ΔU = А Так как работа внешних сил при сжатии положительна, внутренняя энергия газа при адиабатном сжатии увеличивается, его температура повышается. При адиабатном расширении газ совершает работу А ' за счет уменьшения своей внутренней энергии: ΔU = - А' Поэтому температура газа при адиабатном расширении понижается. Это можно обнаружить в следующем опыте. Если в бутылку, содержащую насыщенный водяной пар, накачивать с помощью насоса воздух, то пробка вылетает. Работа А' по выталкиванию пробки совершается воздухом за счет уменьшения его внутренней энергии, так как расширение воздуха происходит за очень короткое время и теплообмен с окружающей средой не успевает произойти. Образование капель тумана доказывает, что при адиабатном расширении воздуха его температура понизилась и опустилась ниже точки росы. Поскольку при адиабатном сжатии температура газа повышается, то давление газа с уменьшением объема растет быстрее, чем при изотермическом процессе. Понижение температуры газа при адиабатном расширении приводит к тому, что давление газа убывает быстрее, чем при изотермическом расширении. График адиабатного процесса в координатных осях p, V представлен на рисунке. На этом же рисунке для сравнения приведен график изотермического процесса. Адиабатное охлаждение газов при их расширении используется в машинах для сжижения газов. Охлаждение газа при адиабатном расширении происходит в грандиозных масштабах в атмосфере Земли. Нагретый воздух поднимается вверх и расширяется, так как атмосферное давление падает с увеличением высоты. Это расширение сопровождается значительным охлаждением. В результате водяные пары конденсируются и образуют облака.
Изобарический процесс Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называется изобарным. Изобарный процесс протекает при неизменном давлении p и условии m = const и M = const. Согласно уравнению в любом состоянии газа с неизменным давлением отношение объема газа к его температуре остается постоянным: где V – объем газа при абсолютной температуре T, V 0 – объем газа при температуре 00 С; коэффициент α, равный 1/273 К-1, называется температурным коэффициентом объемного расширения газов. Этот закон был установлен экспериментально в 1802 г. французским ученым Ж. Гей-Люссаком (1778 – 1850) и носит название закон Гей-Люссака. - Формула закона Гей-Люссака Графически такой процесс изображается прямой с помощью координатных осей V, T продолжение которой проходит через начало координат. Называют эту прямую изобарой (рис. 1). Различным давлениям соответствуют разные изобары. С ростом давления объем газа при постоянной температуре согласно закону Бойле - Мариотта уменьшается. Поэтому изобара, соответствующая более высокому давлению p 2, лежит ниже изобары, соответствующей более низкому давлению p 1. Следовательно, при одной и той же температуре газ будет занимать тем больший объем, чем меньше его давление. На диаграммах с координатными осями p, V или p, T изобары имеют вид прямых, параллельных оси Т или, соответственно оси V (рис. 2, рис. 3). Изобарным можно считать расширение газа при нагревании его в цилиндре с подвижным поршнем. Постоянство давления в цилиндре обеспечивается атмосферным давлением на внешнюю поверхность поршня.
Литература ru. Wikipedia. org www. referat. ru Interlibrary. narod. ru Physbook. ru
Скачать презентацию МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ПРОЦЕССЫ Выполнил Буханов Д Группа
физика.ppt