Молекулярная физика и термодинамика

Елена Юрьевна, к.ф-м.н., доц. каф. физики

в телах, связанные с движением большого количества содержащихся в телах

Молекулярная физика

Термодинамика

изучает строение и свойства вещества, исходя из молекулярно-кинетических представлений

основные положения МКТ

усредненные значения величин

изучает общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями

Два начала (фундаментальные законы)

устанавливает связи между макроскопическими свойствами вещества
НЕ изучает микроскопическое строение вещества
НЕ изучает механизм явлений

взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с

Термодинамические параметры

давление
P

объем
V

температура
Т

Моль

количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода 12C

NA = 6,022·1023 моль–1

число Авогадро

абсолютным нулем температуры – точка нулевого давления газа

Реперные точки

температура тройной точки воды: лед, вода и пар – в тепловом равновесии

в шкале Кельвина

0,01° С
273,16 К

МКТ
Газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия; удары между молекулами абсолютно

2. Молекулы непрерывно движутся

3. Молекулы взаимодействуют между собой и со стенками сосуда

энергия движения молекул

энергия взаимодействия молекул

внутренняя энергия газа

С достаточной степенью точности газы можно считать идеальными в тех случаях, когда рассматриваются их состояния, далекие от областей фазовых переходов

Физическая модель

обладают потенциальной энергией

квадратичные скорости молекул при н.у.
для О2 - V ≈ 425

Средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа

Температура – мера средней кинетической энергии молекул

Температура – понятие статистическое

!

число степеней свободы молекулы

i = iпост+ iвращ + 2iкол

Число степеней свободы

вещества
R=8,31 Дж/(моль∙К) – универсальная газовая постоянная
k=R/NA= 1,38 ∙10-23 Дж/К – постоянная

молекул
внутренняя энергия газа
Q
A
Конвекция
Излучение
твердые тела
жидкости, газы
все тела
Q = U + A
I

для идеального газа:

U = Q - A

Теплопередача

работа против внешних сил

твердых, жидких и газообразных тел
Графически можно изображать только равновесные процессы

Все реальные процессы неравновесны

!

< 0
Количество теплоты отнимается от системы
Работа совершается системой против внешних

Работа совершается над системой внешними силами

А > 0

А < 0

По закону сохранения энергии

U2
V2 T2

Q

в дифференци-альной форме

Теплота, сообщаемая системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил

ТД система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии

сформулировано в середине XIX в. в результате работ Ю.Р. Майера (нем.), Г. Гельмгольца (нем.), Дж. П. Джоуля (англ.)

Невозможно существование вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника

или:

!

кг вещества на 1 К
Теплоемкость при постоянном ОБЪЕМЕ
Теплоемкость при постоянном

[с] = Дж/(кг∙К)

МОЛЯРНАЯ теплоемкость вещества

Численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 моля вещества на 1 К

[С] = Дж/(моль∙К)

Различают

для 1 моля

Теплоемкость тела

Численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания тела на 1 К

идет на изменение внутренней энергии
равна Q, необходимому для нагревания 1

Жак Александр Сезар Шарль, 1808 г.

Гей-Люссак, 1862 г.
уравнение Майера
Все количество теплоты, полученное телом, идет на

расширении газа Т не понижалась, к газу в течение изотермического

Все количество теплоты, полученное телом, идет на совершение работы телом

= 0
Уравнение Пуассона

полученного количества теплоты в работу
Коэффициент полезного действия
рабочее тело
нагреватель
холодильник
расширение
сжатие
работа за цикл
показывает,

энергетическая схема тепловой машины

механическую работу
цикл в бензиновом карбюраторном двигателе
цикл в дизельном двигателе
смесь паров

смесь дизельного топлива с воздухом

изохора

адиабата

адиабата

изохора

изобара

  30%

  40%

к.п.д

совершает работу A23 >0
температура падает до T2
3-4:
изотермическое сжатие
газ отдает

4-1:
адиабатическое сжатие
температура повышается до T1
газ совершает работу A41 <0

Работа за цикл
A=A12 +А23+А34+А41

работа за цикл

ηКарно = ηmax

исключает теплообмен рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы

целом может быть пройден в обоих направлениях
идеальное устройство, работающее по

Обход цикла по часовой стрелке

некоторое Q отбирается от холодного резервуара и передается нагревателю за счет совершения внешней работы

тепловой двигатель

Обход цикла против часовой стрелки

холодильная машина

рабочее тело

нагреватель

передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к

II начало термо-динамики

Замкнутая система приближается к состоянию термодинамического равновесия

Общее свойство необратимых процессов

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

протекающих процессов
В 1878 году Л. Больцман дал вероятностную трактовку понятия энтропии
для ОБРАТИМЫХ

Закон возрастания энтропии

При любых процессах, протекающих в термодинамических изолированных системах, энтропия не уменьшается

изменение энтропии

для НЕОБРАТИМЫХ процессов

Энтропия замкнутой системы может либо возрастать (в случае необратимых процессов), либо оставаться постоянной (в случае необратимых процессов)

Неравенство Клаузиуса

импульса
Диффузия
обусловлена переносом массы
Необратимые процессы
Макроскопическая система, состояние которой с течением времени

Термодинамически неравновесная система

Явления переноса

явления, при которых происходит пространственное перераспределение энергии, массы, импульса

Экспериментально полученные соотношения

>, чем в другой
выравнивание температур
плотность теплового потока
градиент температур
энергия переносится в

теплопроводность

происходит

удельная теплоемкость газа при постоянном объеме

количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме

энергия, переносимая в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку,  оси х

и даже твердых тел
плотность потока массы
градиент плотности
Для химически однородного газа

коэффициент диффузии

Обусловлена переносом массы

масса вещества, переносимая в единицу времени через единичную площадку,  оси х

перенос массы – в направлении ↓ 

скоростями
плотность потока импульса
градиент скорости
динамическая вязкость
Обусловлена переносом импульса
перенос импульса – в

обмен молекулами между слоями

обмен импульсами

торможение быстрого слоя, ускорение медленного

полный импульс, переносимый в единицу времени через единичную площадку,  оси х

относительно другой
Градиент скорости
Показывает, как быстро меняется скорость при переходе от

 – коэффициент пропорциональности

зависит от:
химических свойств жидкости
температуры (для жидкостей зависимость обратная, для газов – прямая пропорциональность)

Динамическая вязкость (вязкость)

[] = Па∙с

1 Пас – динамическая вязкости среды, в которой при ламинарном течении и градиенте скорости, равным 1 м/с на 1 м, возникает сила внутреннего трения 1 Н на 1 м2 поверхности касания слоев (1 Пас= 1 Нс/м2)