ТЕПЛОВЫЕ СОСТОЯНИЯ ЛЕКЦИЯ 8 НОЯБРЯ
Тепловые состояния как результат воздействия «теплого» окружения Движение Видимое Невидимое (механическое перемещение тел в пространстве) (тепловое, хаотическое блуждание молекул)
• Механическое перемещение подвержено воздействию трения, а потому со временем может прекратиться, если нет вынуждающей силы Часы следует заводить!
• Тепловое движение молекул продолжается бесконечно долго благодаря контакту с термостатом, который хаотически «подпитывает» его энергией.
. Для распространения запаха духов в комнате нужно несколько минут. Скорость молекул 450 - 500 м/сек Причина замедления – молекулы движутся хаотически, сталкиваясь друг с другом
интенсивность хаотичности движения молекул возрастает с увеличением доступного объема Хаотичность меньше Хаотичность больше
Скорость хаотического движения возрастает с повышением температуры Температура ниже Температура выше
Что такое температура? Холодно необходимо сравнение с другим телом! Тепло Операциональное определение: Длина – то, что измеряется линейкой; Температура – то, что измеряется термометром.
Другие определения температуры 1. Степень нагретости тела ? ! Распределение Максвелла - при данной температуре молекулы газа имеют различные случайные значения кинетической энергии. 2. Мера средней кинетической энергии ? – линейная функция только для газа молекул
Тепловому излучению также можно сопоставить температуру Закон Стефана - Больцмана - парабола четвертой степени ! Тепло (холодно)– (наречие) – субъективное ощущение. Теплота – энергия, передаваемая при контакте в процессе, приводящем к изменению заселенности энергетических состояний. Работа – энергия, передаваемая при механическом контакте в процессе, сопровождающемся изменением макропараметров тела (объема, давления…)
Из истории понятия «температура»
1. Бытовое представление: тепло – холодно 2. Медицина: болезнь – здоровье Лекарства охлаждение (увлажнение) согревание (сухость)
Гален (II век нэ, 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
Четыре «градуса лекарств» градус – ступень (лат. ) ТЕПЛО ХОЛОД ВЛАЖНОСТЬ СУХОСТЬ Каждый ГРАДУС делился на три части Лекарства состояли из смеси 1/3 долей разных градусов В итоге существовала 12 -градусная шкала лекарств!
Нужная смесь лекарств называлась температура Температура (лат. – правильное смешение) - нормальное состояние (мед. термин до XVIII в. ) - соразмерность (муз. термин)
Для повседневного обихода и для науки нужен прибор, измеряющий температуру. Термометр
Различные виды термометров
Термометрические тела • В качестве термометрического тела могут выступать любые среды, свойства которых (механические, электрические, магнитные, оптические и др. ) однозначно реагируют на изменение температуры термопара пирометр Биметаллическая пластина
Термометрические жидкости : ртуть, спирт, вода 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.
история термометра Галилей (Италия) – первый термометр 17 в. Ньютон (Англия ) 18 в. 19 в. Фаренгейт – Голландия Цельсий – Швеция Кельвин - Англия
Фаренгейт (1686 – 1736) – ртутный термометр 1724 г. Цельсий (1701 – 1744) шкала Цельсия 1742 г.
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)
Цельсий (1701 – 1744) • 00 – кипение воды 1000 – таяние льда • Градус Цельсия больше градуса Фаренгейта и совпадает градусом Кельвина ! с
Цельсий Фаренгейт Реомюр Тпл льда 0 32 0 Ткип воды 100 212 80 Тпл - Ткип 100 делений 180 делений
Лорд Кельвин (Уильям Томсон) - создатель абсолютной шкалы - 1848 г. (1824 -1907)
Абсолютная шкала Кельвина • абсолютный нуль — наиболее низкая возможная температура, при которой ничего не может быть холоднее
Пересчет показаний термометров 0 F = t 0 (C)· 1, 8 +32; 100 0 F ~ 37 0 C T (K) = T 0 C + 273, 150
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
Понятие температуры в быту Температура – то, что измеряется термометром Холодно? Тепло ? необходимо сравнение с другим телом! Каков физический смыл температуры? Как измеряется температура? С чем сравнивается характеристика объекта?
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
Объем – пример аддитивной величины 20 0 С 5 л 20 0 С 10 л 20 0 С 5 л
Длительность процессов время движения + время нахождения в покое Суммарная длительность движения и покоя находится путем сложения. Это аддитивная величина!
Расстояния между событиями 5 км 20 км 5 км + 20 км = 25 км Расстояния можно складывать – аддитивная характеристика
Другой тип характеристик 2. Своеобразные метки состояний целостной системы из объекта и его окружения Они выражаются порядковыми (который? ) числительными Подобные величины называются неаддитивными
• Особенность порядковых числительных – в том, что их бессмысленно складывать Который фонарь? Нельзя «сложить» второй и пятый фонари !
Момент времени – метка события - порядковое числительное Который час? Второй час ночи! Второй год жизни
Моменты времени совершения двух событий складывать нельзя! Событие А Событие B
Координаты разных событий – это метки, характеризующие местоположение событий Их также нельзя складывать x 1 x 2 x 3 x
При сливании двух порций воды их температуры 80 0 С не суммируются! ≠ 1200 С 400 С ТЕМПЕРАТУРА – НЕАДДИТИВНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Следствие неаддитивности температуры • Температуры тел при их соединении не складываются, как складываются их длины, массы, объемы. • Для температуры нет эталонного объекта, прикладывая который многократно (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
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 - температурой
Нулевой закон тепловых процессов • Только состоянию теплового равновесия можно приписать определенную температуру • В состоянии теплового равновесия температуры объекта и его окружения равны.
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»
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
Итак, температура • Это лишь условная 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 !!! - Гегель
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
ТЕПЛОВЫЕ СОСТОЯНИЯ ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ Т тела = Т окр. НЕРАВНОВЕСНЫЕ СОСТОЯНИЯ нельзя описывать введением одной фиксированной температуры
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.
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!
Как устанавливается ТР? Н. Н. Боголюбов 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
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. •
• В тепловом равновесии: температура всех молекул одинакова, но их скорости и энергии – разные (они имеют случайные значения) С малой энергией С высокой энергией
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.
Современный смысл температуры: ( то, что измеряется термометром) - это характеристика объекта не самого по себе, а объекта в равновесном контакте с окружением.
Температура - это характеристика, которая вводится для описания ТР Температура характеризует систему в целом, т. е. совместно объект и окружение Так, термометр показывает «свою собственную» температуру, но она равна температуре тела, с которым он находится в состоянии ТР
Хаотичность и упорядоченность Порядок реализуется единственным способом, беспорядок – множеством вариантов Вероятность беспорядка выше, чем порядка
Беспорядок и вероятность Порядок осуществляется единственным способом из множества возможных комбинаций. Вероятность обнаружить беспорядок значительно выше, если число возможных комбинаций велико
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
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
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
Л. Больцман S= k log W 1844 -1906
Константа Больцмана k. B Именем Людвига Больцмана названа мировая постоянная – константа стохастического теплового воздействия k. B = 1, 38 ∙ 10 -23 Дж/K
Хаос, симметрия и Энтропия 2 1 3 4 5 У кажущегося симметричным объекта не так много осей симметрии Бесконечное множество осей симметрии Чем больше хаос в системе, тем больше элементов симметрии (выше симметрия)
В живой природе Уровень организации (сложности) возрастает. Симметрия уменьшается.
Симметрия человека Уровень сложности растет. Симметрия падает • Уменьшение энтропии свидетельствует о повышении неоднородности (сложности) объекта
Тепловые процессы, энергия и энтропия
Давняя мечта человека: Источники энергии • механические • получать полезную работу тепловые электрические
При всяком контакте с окружением • Объект может получать от него или отдавать ему определенную энергию. • В зависимости от типа воздействия окружения эта энергия описывается разными характеристиками
ХАРАКТЕРИСТИКИ передаваемой энергии: При контролируемом воздействии совершается работа А при расширении газа под давлением p от объема V 1 до объема V 2
При стохастическом тепловом воздействии энергетическая характеристика- теплота Q При нагревании тела массой m от температуры Т 1 до Т 2 передается энергия в форме теплоты
Теплота и работа это два различных способа обмена энергией между телом и окружением за счет контакта Что же происходит с энергией тела, если ему передается энергия в форме работы или теплоты?
До сих пор мы сталкивались со следующими видами энергии: • Кинетическая – за счет движения тела как целого • Потенциальная – за счет внешнего поля (напр. , - тяжести…) • Энергия покоя (за счет наличия массы)
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
АНАЛОГИЯ МЕЖДУ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИЕЙ И ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИЕЙ В ПОЛЕ ТЯЖЕСТИ А C В D при перемещении ИЗ А в В ПО ТРАЕКТОРИЯМ ACB и ADB В ПОЛЕ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ изменение потенциальной энергии тела одинаково, т. е. зависит только от положения начального и конечного пунктов При совершении теплового процесса изменение внутренней энергии рабочего тела зависит только от начального и конечного состояния д ав л е н ие объем В циклических тепловых процессах полное изменение внутренней энергии равно нулю
Что бы ни происходило с объектом, • при возвращении в исходное состояние с прежними значениями температуры и объема его внутренняя энергия не изменяется • внутренняя энергия – зависит только от состояния объекта, ХАРАКТЕРИЗУЕМОГО ДАВЛЕНИЕМ И ТЕМПЕРАТУРОЙ
Кроме того, при контакте с окружением в тепловых процессах тело может получать или отдавать энергию теплового хаотического движения частиц. Эту энергию называют теплотой и обозначают Q. Она не характеризует состояние тела, а передается от более нагретого к менее нагретому телу.
От чего зависит внутренняя энергия? • Хаотичность перемещения частиц определяется: их скоростью, которая увеличивается с температурой ; доступным объемом – который изменяется при совершении работы А • Итак, внутренняя энергия U зависит от ТЕМПЕРАТУРЫ и ОБЪЕМА, которые определяют состояние
Баланс энергии для нециклических тепловых процессов (дебет = кредиту) ПРИХОД ЭНЕРГИИ Q - от нагревателя РАСХОД ЭНЕРГИИ Δ U – изменение внутренней энергии A – работа Первый закон термодинамики- науки о тепловых процессах. В НЕМ ПОДЧЕРКИВАЕТСЯ, ЧТО ПРИ ТЕПЛОВОМ СТОХАСТИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НЕОБХОДИМО УЧИТЫВАТЬ ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ
НЕРАВНОЦЕННОСТЬ РАЗНЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ • ЭНЕРГИЯ – ЭТО ХАРАКТЕРИСТИКА, УКАЗЫВАЮЩАЯ, СКОЛЬКО РАБОТЫ МОЖЕТ СОВЕРШИТЬ ТЕЛО • С ЭТОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ, ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ – ОБЛАДАЕТ «НИЗКИМ» КАЧЕСТВОМ- ОНА НЕ МОЖЕТ БЫТЬ ПОЛНОСТЬЮ ИСТРАЧЕНА НА СОВЕРШЕНИЕ РАБОТЫ
«Неконвертируемость» теплоты : Работа может быть полностью переведена в теплоту A → Q , но теплота в работу Q → A переходит лишь частично. Остальная часть переходит в окружение – это «плата» за процесс! Для совершения полного цикла нужна дополнительная энергетическая «дотация» из окружения
• механика Контролируемое воздействие несет энергию, которая может быть целиком передана стохастическому движению • тепловые процессы Неконтролируемое воздействие несет энергию, которая не может быть целиком передана регулярному движению При стохастическом тепловом воздействии часть энергии «в виде налога» безвозвратно теряется благодаря усилению стохастичности в объекте
Хаотичность и Хаотичность Вместе с энергией Q от нагревателя тело приобретает дополнительную хаотичность. Q T 1 T 2 Q Сообщаем одинаковые энергии телам с разной температурой Но при T 1 изменение хаотичности много больше, чем при T 2
Хаотичность и энтропия • Рост хаотичности характеризуется изменением особой величины – энтропии S. Её изменение ΔS должно зависеть как от полученной теплоты δQ, так и от температуры Т
Энтропия и энергия –что важнее? • В гигантской фабрике естественных процессов принцип энтропии играет роль директора, который предписывает вид и течение всех сделок. • Закон сохранения энергии (баланса энергии) играет роль бухгалтера, который приводит в равновесие дебет и кредит Арнольд Зоммерфельд
Проблема «тепловой смерти» • Приближение к ТР неизбежно ведет к разрушению структуры объекта. Нет ли противоречия между этим императивом и существованием жизни (упорядоченностью) ? ? ?
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.
Различие в качестве получаемой и отдаваемой энергии: Получаемое излучение находится в желтой части спектра (свет). Эта энергия состоит из меньшего числа n+ больших порций
Отдаваемое излучение находится в красной части спектра (тепло). Эта энергия состоит из большего числа n- меньших порций
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
Почему Солнце дает энергию с низкой энтропией? Это след ранних этапов возникновения мира. Исходное «сырье» для образования Солнца – однородный газ протонов имел низкую энтропию, что подтверждается однородностью температуры реликтового излучения. Т = 2, 7 К Точность 0, 1 К Точность 0, 00001 К
Гравитация и второе начало • Обычная ситуация При слабой гравитации энтропия растет при распаде структуры • В процессе эволюции При сильной гравитации энтропия растет в обратном процессе - при образовании структуры.
«Склеивание» протонов под действием гравитации при образовании Солнца увеличивало его энтропию, но она была бы существенно больше, если бы Солнце пришло в состояние теплового равновесия.
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.
Скачать презентацию ТЕПЛОВЫЕ СОСТОЯНИЯ ЛЕКЦИЯ 8 НОЯБРЯ Тепловые состояния
ЛЕКЦИЯ 8. ТЕПЛОВЫЕ СОСТОЯНИЯ.ppt