Тепловые состояния как результат воздействия теплого окружения Движение

Тепловые состояния как результат воздействия «теплого» окружения Движение Видимое Невидимое (механическое перемещение тел в пространстве) (тепловое, хаотическое блуждание молекул) 1

• Механическое перемещение подвержено воздействию трения, а потому со временем может прекратиться, если нет вынуждающей силы Часы следует заводить! 2

• Тепловое движение молекул продолжается бесконечно долго благодаря контакту с термостатом, который хаотически «подпитывает» его энергией. 3

. Для распространения запаха духов в комнате нужно несколько минут. Скорость молекул 450 - 500 м/сек Причина замедления – молекулы движутся хаотически, сталкиваясь друг с другом 4

Модель теплового хаотического движения частиц 5

интенсивность хаотичности движения молекул возрастает с увеличением доступного объема Хаотичность меньше Хаотичность больше 6

Скорость хаотического движения возрастает с повышением температуры Температура ниже Температура выше 7

Броуновское движение • Это видимое под микроскопом хаотическое движение достаточно большой взвешенной инородной частицы • индикатор невидимого теплового хаотического движения молекул среды 8

• ВИДЕО ПО БРОУНОВСКОМУ ДВИЖЕНИЮ 9

Понятие температуры Холодно? необходимо сравнение с другим телом! Тепло? Температура – то, что измеряется термометром 10

Из истории понятия «температура» 11

1. Бытовое представление: тепло – холодно 2. Медицина: болезнь – здоровье Лекарства охлаждение (увлажнение) согревание (сухость) 12

Гален (II век, врач): Четыре «градуса лекарств» градус – ступень (лат. ) Дата рождения: 129 или 131 Место рождения: Пергам Дата смерти: около 200 или около 210 Научная сфера: медицина, анатомия 13

Четыре «градуса лекарств» градус – ступень (лат. ) ТЕПЛО ХОЛОД ВЛАЖНОСТЬ СУХОСТЬ Каждый ГРАДУС делился на три части Лекарства состояли из смеси долей разных градусов В итоге существовала 12 -градусная шкала лекарств! 14

Смесь лекарств называлась температура Температура (лат. – правильное смешение) - нормальное состояние (мед. термин до XVIII в. ) - соразмерность (муз. термин) 15

Для повседневного обихода и для науки нужен прибор, измеряющий температуру. Термометр 16

Различные виды термометров 17

Термометрические тела • В качестве термометрического тела могут выступать любые среди, свойства которых (механические, электрические, магнитные, оптические и др. ) однозначно реагируют на изменение температуры термопара пирометр Биметаллическая пластина 18

Термометрические жидкости : ртуть, спирт и т. д. - их объем V однозначно связан с Т Для воды вблизи – 40 С функция Т(V) двузначна, поэтому вода не используется как термометрическое тело в этой температурной области. 19

история термометра Галилей (Италия) – первый термометр 17 в. Ньютон (Англия ) 18 в. 19 в. Фаренгейт – Голландия Цельсий – Швеция Кельвин - Англия 20

Фаренгейт (1686 – 1736) – ртутный термометр 1724 г. Цельсий (1701 – 1744) шкала Цельсия 1742 г. 21

Температурные шкалы Фаренгейта (0 F) и Цельсия (0 С) • Фаренгейт– изобретатель ртутного термометра 00 – низшая температура зимой в Ирландии; 1000 – температура тела человека; (1686 – 1736) 22

Цельсий (1701 – 1744) • 00 – кипение воды 1000 – таяние льда • Градус Цельсия больше градуса Фаренгейта и совпадает градусом Кельвина ! с 23

Цельсий Фаренгейт Реомюр Тпл льда 0 32 0 Ткип воды 100 212 80 Тпл - Ткип 100 делений 180 делений 24

Лорд Кельвин (Уильям Томсон) - создатель абсолютной шкалы - 1848 г. (1824 -1907) 25

Абсолютная шкала Кельвина • абсолютный нуль — наиболее низкая ТЕОРЕТИЧЕСКИ возможная температура, при которой ничего не может быть холоднее 26

Пересчет показаний термометров 0 F = t 0 (C)· 1, 8 +32; 100 0 F ~ 37 0 C T (K) = T 0 C + 273, 150 27

0 F Кипение воды 0 С 212 Нормальная температура тела человека 98, 6 К 100 373, 2 37 310 Комнатная температура 71, 6 22 295, 2 Замерзание воды 32 0 273, 15 Замерзание ртути - 38, 9 234, 1 Абсолютный нуль - 459, 8 - 273, 15 0 28

Температура – то, что измеряется термометром необходимо сравнение с другим телом! Каков физический смыл температуры? Как измеряется температура? С чем сравнивается характеристика объекта? 29

Два типа величин, описывающих свойства объектов : 1. Характеристики объектов, выражаемые количественными числительными (сколько? ) • Если несколько объектов образуют систему, их однородные характеристики можно складывать ! • Такие величины называются аддитивными 30

Объем – пример аддитивной величины 20 0 С 5 л 20 0 С 10 л 20 0 С 5 л 31

Длительность процессов время движения + время нахождения в покое Суммарная длительность движения и покоя находится путем сложения. Это аддитивная величина! 32

Расстояния между событиями 5 км 20 км 5 км + 20 км = 25 км Расстояния можно складывать – аддитивная характеристика 33

Другой тип характеристик 2. Своеобразные метки состояний целостной системы из объекта и его окружения Они выражаются порядковыми (который? ) числительными Подобные величины называются неаддитивными 34

Который фонарь? Нельзя «сложить» второй и пятый фонари ! 35

Момент времени – метка события - порядковое числительное Который час? Второй час ночи! Второй год жизни 36

Моменты времени совершения двух событий складывать нельзя! Событие А Событие B 37

Координаты разных событий – это метки, характеризующие местоположение событий Их также нельзя складывать x 1 x 2 x 38

При сливании двух порций воды их температуры 80 0 С не суммируются! ≠ 1200 С 400 С ТЕМПЕРАТУРА – НЕАДДИТИВНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 39

Следствие неаддитивности температуры – нет эталона градуса • Температуры тел при их соединении не складываются, как складываются их длины, массы, объемы. • Для температуры нет эталонного объекта, прикладывая который последовательно несколько раз к объекту (как эталон метра) можно было бы измерить температуру. • Что показывает термометр? - 1. существование особого состояния объекта в контакте с окружением, называемого тепловым равновесием в данных условиях - 2. указывает на отличие особенностей данных условий контакта от иных возможных внешних условий, создаваемых окружением 40

На пути к равновесию: холодное молоко перемешивается с горячим кофе, и со временем все элементы смеси остывают, становясь такими же, как воздух в комнате. В холодильнике остывание будет более значительным Объект и его окружение приобретают общую характеристику Т: Т смеси =Т окружения =Т Такое состояние называется тепловым равновесием (ТР ), а общая характеристика Т - Температурой 41

Нулевой закон тепловых процессов • Только состоянию теплового равновесия можно приписать определенную температуру • В состоянии теплового равновесия температуры объекта и его окружения равны. 42

Температура является условной «меткой» ТР, общей и для объекта и для окружения. Ее можно было бы характеризовать не числовой, а цветной шкалой, используя вместо градусов – оттенки спектра. . 40 о С = «ярко красное состояние» 43

Температура и частота ИЗЛУЧЕНИЯ • Каждому цветовому участку спектра можно сопоставить свою частоту и длину волны, которые также относятся к неаддитивным характеристикам. • В этом проявляется определенная связь между температурой окружения и частотой тех колебательных процессов, которые в нем происходят • Обе эти величины неаддитивны и характеризуют в целом и совместно объект и его окружение 44

Итак, температура (с современной точки зрения • Это метка состояния теплового равновесия • Правильно было бы говорить: десятый, а не десять градусов; сотый, а не сто градусов по Цельсию – т. е. пользоваться порядковыми, а не количественными числительными !!! 45

Вывод: температура 1. неаддитивна (addition –сумма), т. е. не подчиняется правилу сложения 2. как физическая величина принципиально отличается от таких, как масса, объем, энергия и т. д. , КОТОРЫЕ ЯВЛЯЮТСЯ АДДИТИВНЫМИ 3. ОНА «НАВЯЗАНА» ОБЪЕКТУ ОКРУЖЕНИЕМ И ОПИСЫВАЕТ ОДНОВРЕМЕННО И ОБЪЕКТ И ВНЕШНИЕ УСЛОВИЯ, В КОТОРЫХ ОН НАХОДИТСЯ 46

ТЕПЛОВЫЕ СОСТОЯНИЯ ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ Т тела = Т окр. НЕРАВНОВЕСНЫЕ СОСТОЯНИЯ нельзя описывать введением одной фиксированной температуры 47

ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ (ТР) – фундаментальная модель неклассического описания тепловых процессов Это состояние объекта и окружения (термостата), которое система приобретает через определенное время после установления теплового контакта (для медицинского термометра ≈ 10 мин. ). При прочих неизменных внешних условиях состояние ТР продолжается бесконечно долго. 48

Достигнув состояния ТР с термостатом (окружением), объект «забывает» свою предыдущую историю. (для остывшего до комнатной температуры стакана чая нельзя вычислить исходную температуру!) Самопроизвольно объект не может вернуться в предшествовавшее данному состояние ТР. Достижение состояния ТР - необратимый процесс! 49

Как устанавливается ТР? Столкновения молекул между собой Столкновения со стенкой термостата ОБЪЕКТ Для установления равновесия необходимо хотя бы одно термостат касание о стенку. Молекула до касания со стенкой термостата Молекула после касания со стенкой термостата 50

ОСОБЕННОСТЬ СОСТОЯНИЯ ТЕПЛОВОГО РАВНОВЕСИЯ: • Равновесные тепловые состояния – результат длительного стохастического воздействия окружения (термостата). В этом случае : энергия молекулы Е становится случайной величиной, т. е. в принципе она может принимать любые значения, но с разной вероятностью в зависимости от E, а также испытывать флуктуации относительно своего среднего значения. • 51

• В тепловом равновесии: температура всех молекул одинакова, но их скорости и энергии – разные (они имеют случайные значения) С малой энергией С высокой энергией 52

Распределение молекул по скоростям в тепловом равновесии W Вероятность распределения молекул по скоростям Наиболее вероятные значения скорости при температурах Т 1 и Т 2 При данной температуре молекулы имеют различные случайные скорости. 53

Современный смысл температуры: ( то, что измеряется термометром) - это характеристика объекта не самого по себе, а объекта в равновесном контакте с окружением. 54

Температура - это характеристика, которая вводится для описания ТР Температура характеризует систему в целом, т. е. совместно объект и окружение Так, термометр показывает КАК БЫ «свою собственную» температуру, но она равна температуре тела, с которым он находится в состоянии ТР БАГОДАРЯ КОНТАКТУ 55

Теперь – надо учитывать энергию движения и взаимодействия молекул, участвующих в хаотическом тепловом движении. • средняя энергия хаотического движения всех частиц объекта называется внутренней энергией тела U. Это характеристика состояния объекта 56

При контакте с окружением В тепловых процессах тело может получать из окружения или отдавать ему энергию. Эту энергию называют теплотой и обозначают Q. Она не характеризует состояние тела, а передается ПРИ КОНТАКТЕ от более нагретого к менее нагретому телу. 57

Баланс энергии для нециклических тепловых процессов (дебет = кредиту) ПРИХОД ЭНЕРГИИ Q - от нагревателя РАСХОД ЭНЕРГИИ Δ U – изменение внутренней энергии A – совершаемая механическая работа Первый закон термодинамики- науки о тепловых процессах. ПРИ ТЕПЛОВОМ СТОХАСТИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ поступающая энергия расходуется не только на работу, но и на ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ 58

Хаотичность и упорядоченность Порядок реализуется единственным способом, беспорядок – множеством вариантов Вероятность беспорядка выше, чем порядка 59

Беспорядок и вероятность Порядок осуществляется единственным способом из множества возможных комбинаций. Вероятность обнаружить беспорядок значительно выше, если число возможных комбинаций велико 60

Мерой неупорядоченности системы является Энтропия : • Чем проще система, тем она более однородна и менее упорядочена. • В наиболее однородном состоянии система имеет максимум энтропии • Тепловое равновесие – наиболее однородное (неупорядоченное) состояние – характеризуется максимумом энтропии 61

Второй закон тепловых процессов • Энтропия объекта либо не изменяется, либо возрастает Стохастическое воздействие «теплого» окружения описывается фундаментальной константой Больцмана k. B = 1, 38 ∙ 10 -23 Дж/K, имеющей смысл минимальной энтропии 62

Константа Больцмана k. B Именем Людвига Больцмана названа мировая постоянная – константа стохастического теплового воздействия k. B = 1, 38 ∙ 10 -23 Дж/K 63

Хаотичность, вероятность и энтропия • Чем больше хаотичность объекта, тем больше число способов ее реализации • Чем больше Связь между энтропией S и хаотичность числом способов объекта, тем больше его реализации состояния W энтропия 64

Л. Больцман S= k log W 1844 -1906 65

Проблема «тепловой смерти» • Приближение к ТР неизбежно ведет к разрушению структуры объекта. Нет ли противоречия между этим императивом и существованием жизни (упорядоченностью) ? ? ? 68

Роль Солнца в существовании жизни на Земле Солнце – источник энергии, но температура Земли ТЗ = const. В среднем Земля получает столько же энергии, сколько отдает ночью. 69

Различие в качестве получаемой и отдаваемой энергии: Получаемое излучение находится в желтой части спектра (свет). Эта энергия состоит из меньшего числа n+ больших порций 70

Отдаваемое излучение находится в красной части спектра (тепло). Эта энергия состоит из большего числа n меньших порций Чтобы эти энергии были одинаковы, надо иметь 71

Отдаваемое излучение состоит из большего числа порций, они создают больший беспорядок и уносят большую энтропию Сброс энтропии за счет собственного теплового излучения много больше, чем поступление энтропии от Солнца ΔS_ >> ΔS + В результате энтропия Земли не возрастает и упорядоченность жизни сохраняется 72

Почему Солнце дает энергию с низкой энтропией? Это след ранних этапов возникновения мира. Исходное «сырье» для образования Солнца – газ протонов имел низкую энтропию, т. к. имел очень высокую энергию, сосредоточенную в малом объеме. 73

Энтропия и энергия –что важнее? • В гигантской фабрике естественных процессов принцип энтропии играет роль директора, который предписывает вид и течение всех сделок. • Закон сохранения (баланса) энергии играет роль бухгалтера, который приводит в равновесие дебет и кредит Арнольд Зоммерфельд 74

NB: угроза цивилизации За счет хозяйственной деятельности человечества происходит дополнительный рост энтропии Чтобы обеспечить ΔSхоз, что упорядоченность, свойственную процессу уменьшает отток энтропии жизни, необходимо ограничить рост ΔSхоз. 75

76