Молекулярная физика

Основные понятия
Количество вещества измеряется в молях (n).
n - число молей
1 моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же частиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода . Число молекул в одном моле вещества численно равно постоянной Авогадро N A .

NA =6,022 1023 1/моль.

1 моль любого газа при нормальных условиях занимает объем
V=2,24 10-2 м3.
М – молярная масса (масса моля) – величина, равная отношению массы вещества m к количеству вещества n:

m o – масса одной молекулы, m – масса взятого количества вещества

- число молекул в данном объеме.

Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории.

Основным уравнением молекулярно-кинетической теории газа является уравнение:

,

Р – давление газа на стенки сосуда,
n – концентрация молекул,

Средняя квадратичная скорость движения молекул.

Давление газа р можно определить по формулам:

,

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул,

Т – абсолютная температура,
K=1,38 10-23 Дж/К – постоянная Больцмана.

,

Где =8,31 Дж/моль × К, R – универсальная газовая постоянная
Т=373+t o С, t o С – температура по Цельсию.
Например, t=27 o С, Т=273+27=300 К.
Смесь газов
Если в объеме V находится не один газ, а смесь газов, то давление газа р определяется законом Дальтона: смесь газов оказывает на стенки давление, равное сумме давлений каждого из газов, взятых в отдельности:

- давление, оказываемое на стенки 1-ым газом р1, вторым р2 и т.д.

N - число молей смеси,

Уравнение Клапейрона-Менделеева, изопроцессы.

Состояние идеального газа характеризуют давлением р, объемом V, температурой Т.
[p]=Паскаль (Па), [V]=м3, [T]=Кельвин (К).
Уравнение состояния идеального газа:

, для одного моля газа const=R – универсальная газовая постоянная.

- уравнение Менделеева-Клапейрона.

Если масса m постоянная, то различные процессы, происходящие в газах, можно описать законами, вытекающими из уравнения Менделеева-Клапейрона.

1. Если m=const, T=const – изотермический процесс.

Уравнение процесса:

График процесса:

2. Если m=const, V=const – изохорический процесс.

Уравнение процесса: .

График процесса:

3. Если m=const, p=const – изобарический процесс.

Уравнение процесса:

График процесса:

4. Адиабатический процесс – процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Это очень быстрый процесс расширения или сжатия газа.

Насыщенный пар, влажность.

Абсолютная влажность – давление р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре.
Относительная влажность – отношение давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению ро насыщенного водяного пара при той же температуре:

р o – табличное значение.
Точка росы – температура, при которой находящийся в воздухе водяной пар становится насыщенным.

Термодинамика

Термодинамика изучает наиболее общие закономерности превращения энергии, но не рассматривает молекулярного строения вещества.
Всякая физическая система, состоящая из огромного числа частиц – атомов, молекул, ионов и электронов, которые совершают беспорядочное тепловое движение и при взаимодействии между собой обмениваются энергией, называется термодинамической системой. Такими системами являются газы, жидкости и твердые тела.

Внутренняя энергия.

Термодинамическая система обладает внутренней энергией U . При переходе термодинамической системы из одного состояния в другое происходит изменение ее внутренней энергии.
Изменение внутренней энергии идеального газа равно изменению кинетической энергии теплового движения его частиц.
Изменение внутренней энергии DU при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от процесса, по которому совершался переход.
Для одноатомного газа:

- разность температур в конце и начале процесса.

Изменение внутренней энергии системы может происходить за счет двух различных процессов: совершения над системой работы А/ и передачи ей теплоты Q.

Работа в термодинамике.

Работа зависит от процесса, по которому совершался переход системы из одного состояния в другое. При изобарическом процессе (p=const, m=const): ,

Разность объемов в конце и в начале процесса.

Работа, совершаемая над системой внешними силами, и работа, совершаемая системой против внешних сил, равны по величине и противоположны по знаку: .

Первый закон термодинамики.

Закон сохранения энергии в термодинамике называют: первый закон термодинамики.
Первый закон термодинамики:

А/ - работа, совершенная над системой внешними силами,
А – работа, совершенная системой,

Разность внутренних энергий конечного и начального состояний.

Первый закон термодинамики.

Первый закон термодинамики формулируется следующим образом: Количество теплоты (Q), сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами.
Применим первый закон термодинамики к различным изопроцессам.
а) Изотермический процесс (T=const, m=const).
Так как , то , т.е. изменение внутренней энергии не происходит, значит:

- все сообщенное системе тепло затрачивается на работу, совершаемую системой против внешних сил.

Б) Изохорический процесс (V=const, m=const).
Так как объем не изменяется, то работа системы равна 0 (А=0) и - все сообщенное системе тепло затричивается на изменение внутренней энергии.
в) Изобарический процесс (p=const, m=const).

г) Адиабатический процесс (m=const, Q=0).

Работа совершается системой за счет уменьшения внутренней энергии.

КПД тепловой машины.

Тепловой машиной называется периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне количества теплоты. Тепловая машина должна состоять из трех частей: 1) рабочего тела – газа (или пара), при расширении которого совершается работа; 2) нагревателя – тела, у которого за счет теплообмена рабочее тело получает количество теплоты Q1; 3) холодильника (окружающей среды), отбирающего у газа количество теплоты Q2.
Нагреватель периодически повышает температуру газа до Т1, а холодильник понижает до Т2.
Отношение полезной работы А, выполненной машиной, к количеству теплоты, полученной от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия машины h:

Коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины:

Т1 – температура нагревателя,
Т2 – температура холодильника.

- для идеальной тепловой машины.

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Ответы и решения

1. Моль любого вещества содержит одинаковое число молекул, равное числу Авогадро:
2. Запишем уравнение Менделеева-Клапейрона для двух состояний с p=const и m=const, т.к. процесс перехода из одного состояния в другое изобарический: (1) (2) Разделим (1) на (2), получаем: - уравнение изобатического процесса.
3. 
4. Для определения температуры применим уравнение Менделеева-Клапейрона. Из графика: для состояния А -, для состояния В -. , из первого уравнения -, тогда -.
5. Давление смеси . Запишем уравнение изотермического процесса: , - давление газов после расширения.
6. Для решения задачи запишем первое начало термодинамики. Для изобарического процесса:. Для изохорического процесса:. Т.к. Ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении, СV – теплоемкость при постоянном объеме. Т.к. ,, т.е.
7. - первое начало термодинамики. По условию Q=А, т.е. дельта U =0, значит, процесс протекает при постоянной температуре (процесс изотермический).
8. А 1 – численно равна площади фигуры А 1 В,. Т.к. меньше остальных площадей, то работа А 1 минимальна.

Молекулярная физика и термодинамика – это по существу две разные по своим подходам, но тесно связанные науки, занимающиеся одним и тем же – изучением макроскопических свойств физических систем, но совершенно разными методами

Молекулярная физика В основе молекулярной физики или молекулярнокинетической теории лежат определенные представления о строении вещества. – Для установления законов поведения макроскопических систем, состоящих из огромного числа частиц, в молекулярной физике используются различные модели вещества, например, модели идеального газа. Молекулярная физика является статистической теорией, физика т. е. теорией, которая рассматривает поведение систем, состоящих из огромного числа частиц (атомов, молекул), на основе вероятностных моделей. Она стремится на основе статистического подхода установить связь между связь экспериментально измеренными макроскопическими величинами (давление, объем, температура и т. д.) и величинами микроскопическими характеристиками частиц, входящих микроскопическими характеристиками в состав системы (масса, импульс, энергия и т. д.).

Термодинамика В отличие от молекулярно-кинетической теории, термодинамика при изучении свойств термодинамика макроскопических систем не опирается ни на какие представления о молекулярной структуре вещества. Термодинамика является наукой феноменологической. – Она делает выводы о свойствах вещества на основе законов, установленных на опыте, таких, как закон сохранения энергии. Термодинамика оперирует только с макроскопическими величинами (давление, температура, объем и т. п.), которые вводятся на основе физического эксперимента.

Оба подхода – термодинамический и статистический – не противоречат, а дополняют друга. Только совместное использование термодинамики и молекулярнокинетической теории может дать наиболее полное представление о свойствах систем, состоящих из большого числа частиц

Молекулярная физика Молекулярно-кинетическая теория –– учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.

Молекулярно-кинетическая теория Основные положения МКТ 1. Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов («элементарных молекул»). Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т. е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы. 2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении, которое называют тепловым движением 3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Молекулярно-кинетическая теория Наиболее ярким экспериментальным подтверждением представлений молекулярно-кинетической теории о беспорядочном движении атомов и молекул является броуновское движение. Броуновское движение –– это тепловое движение мельчайших микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно было открыто английским ботаником Р. Броуном в 1827 г. Броуновские частицы движутся под влиянием беспорядочных ударов молекул. Из-за хаотического теплового движения молекул эти удары никогда не уравновешивают друга. В результате скорость броуновской частицы беспорядочно меняется по модулю и направлению, а ее траектория представляет собой сложную зигзагообразную кривую (рис.). Теория броуновского движения была создана А. Эйнштейном в 1905 г. Экспериментально теория Эйнштейна была подтверждена в опытах французского физика Ж. Перрена, проведенных в 1908– 1911 гг.

Молекулярно-кинетическая теория Постоянное хаотичное движение молекул вещества проявляется также в другом легко наблюдаемом явлении – диффузии. Диффузией называется явление проникновения двух или нескольких соприкасающихся веществ друга. – Наиболее быстро процесс протекает в газе, если он газе неоднороден по составу. Диффузия приводит к образованию однородной смеси независимо от плотности компонентов. Так, если в двух частях сосуда, разделенных перегородкой, находятся кислород O 2 и водород H 2, то после удаления перегородки начинается процесс взаимопроникновения газов друга, приводящий к образованию взрывоопасной смеси – гремучего газа. Этот процесс идет и в том случае, когда легкий газ (водород) находится в верхней половине сосуда, а более тяжелый (кислород) – в нижней.

Молекулярно-кинетическая теория – Значительно медленнее протекают подобные процессы в жидкостях. Взаимопроникновение двух жидкостях разнородных жидкостей друг в друга, растворение твердых веществ в жидкостях (например, сахара в воде) и образование однородных растворов – примеры диффузионных процессов в жидкостях. В реальных условиях диффузия в жидкостях и газах маскируется более быстрыми процессами перемешивания, например, из-за возникновения конвекционных потоков.

Молекулярно-кинетическая теория – Наиболее медленно процесс диффузии протекает в твердых телах. Однако, опыты показывают, что при твердых телах контакте хорошо очищенных поверхностей двух металлов через длительное время в каждом из них обнаруживается атомы другого металла. Диффузия и броуновское движение – Диффузия и броуновское движение родственные явления. Взаимопроникновение соприкасающихся веществ друга и беспорядочное движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходят вследствие хаотичного теплового движения молекул.

Молекулярно-кинетическая теория Силы, действующие между двумя молекулами, Силы, действующие между двумя молекулами зависят от расстояния между ними. Молекулы представляют собой сложные пространственные структуры, содержащие как положительные, так и отрицательные заряды. Если расстояние между молекулами достаточно велико, то преобладают силы межмолекулярного притяжения. На малых расстояниях преобладают силы отталкивания.

Молекулярно-кинетическая теория При некотором расстоянии r = r 0 сила взаимодействия обращается в нуль. Это расстояние условно можно принять за диаметр молекулы. Потенциальная энергия взаимодействия при r = r 0 минимальна. Чтобы удалить друг от друга две молекулы, находящиеся на расстоянии r 0, нужно сообщить им дополнительную энергию E 0. Величина E 0 называется глубиной потенциальной ямы или энергией связи. Молекулы имеют чрезвычайно малые размеры. Простые одноатомные молекулы имеют размер порядка 10– 10 м. Сложные многоатомные молекулы могут иметь размеры в сотни и тысячи раз больше.

Молекулярно-кинетическая теория Кинетическая энергия теплового движения растет с возрастанием температуры При низких температурах средняя кинетическая энергия молекулы может оказаться меньше глубины потенциальной ямы E 0. В этом случае молекулы конденсируются в жидкое или твердое вещество; при этом среднее расстояние между молекулами будет приблизительно равно r 0. При повышении температуры средняя кинетическая энергия молекулы становится больше E 0, молекулы разлетаются, и образуется газообразное вещество

Молекулярно-кинетическая теория Агрегатные состояния вещества В твердых телах молекулы совершают твердых телах беспорядочные колебания около фиксированных центров (положений равновесия). Эти центры могут быть расположены в пространстве нерегулярным образом (аморфные тела) или образовывать упорядоченные объемные структуры (кристаллические тела). Поэтому твердые тела сохраняют и форму, и объем

Молекулярно-кинетическая теория Агрегатные состояния вещества В жидкостях молекулы имеют значительно большую свободу для теплового движения. Они не привязаны к определенным центрам и могут перемещаться по всему объему. Этим объясняется текучесть жидкостей. Близко расположенные молекулы жидкости также могут образовывать упорядоченные структуры, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком в отличие от дальнего порядка, характерного для кристаллических тел. Поэтому жидкости не сохраняют форму, но сохраняют объем

Молекулярно-кинетическая теория Агрегатные состояния вещества В газах расстояния между молекулами обычно значительно больше их размеров. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях малы, и каждая молекула движется вдоль прямой линии до очередного столкновения с другой молекулой или со стенкой сосуда. – Среднее расстояние между молекулами воздуха при нормальных условиях порядка 10– 8 м, т. е. в десятки раз превышает размер молекул. Слабое взаимодействие между молекулами объясняет способность газов расширяться и заполнять весь объем сосуда. В пределе, когда взаимодействие стремится к нулю, мы приходим к представлению об идеальном газе. Поэтому газы не сохраняют ни форму, ни объем

Молекулярно-кинетическая теория Количество вещества В молекулярно-кинетической теории количество вещества принято считать пропорциональным числу вещества частиц. Единица количества вещества называется молем (моль). Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц (молекул), сколько содержится атомов 0, 012 кг углерода 12 C. (Молекула углерода состоит из одного атома) Таким образом, в одном моле любого вещества содержится одно и то же число частиц (молекул). Это число называется постоянной Авогадро NА: NА = 6, 02· 1023 моль– 1. Постоянная Авогадро – одна из важнейших постоянных в молекулярно-кинетической теории.

Молекулярно-кинетическая теория Количество вещества ν определяется как отношение числа N частиц (молекул) вещества к постоянной Авогадро NА: Массу одного моля вещества принято называть молярной массой M Молярная масса равна произведению массы m 0 одной молекулы данного вещества на постоянную Авогадро: M = NА · m 0 Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль). Для веществ, молекулы которых состоят из одного атома, часто используется термин атомная масса. За единицу массы атомов и молекул принимается 1/12 массы атома изотопа углерода 12 C (с массовым числом 12). Эта единица называется атомной единицей массы(а. е. м.): 1 а. е. м. = 1, 66· 10– 27 кг. Эта величина почти совпадает с массой протона или нейтрона. Отношение массы атома или молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода 12 C называется относительной массой.

Молекулярно-кинетическая теория Простейшей моделью, рассматриваемой молекулярнокинетической теорией, является модель идеального газа: 1. В кинетической модели идеального газа молекулы 1. рассматриваются как идеально упругие шарики, взаимодействующие между собой и со стенками только во время упругих столкновений. 2. Суммарный объем всех молекул предполагается малым по 2. сравнению с объемом сосуда, в котором находится газ. Модель идеального газа достаточно хорошо описывает поведение реальных газов в широком диапазоне давлений и температур. Задача молекулярно-кинетической теории состоит в том, чтобы установить связь между микроскопическими (масса, микроскопическими скорость, кинетическая энергия молекул) и макроскопическими параметрами (давление, объем, макроскопическими параметрами температура).

Молекулярно-кинетическая теория В результате каждого столкновения между молекулами и молекул со стенками скорости молекул могут изменяться по модулю и по направлению; на интервалах времени между последовательными столкновениями молекулы движутся равномерно и прямолинейно. В модели идеального газа предполагается, что все столкновения происходят по законам упругого удара, т. е. подчиняются законам механики Ньютона. Используя модель идеального газа, вычислим давление газа на стенку сосуда. В процессе взаимодействия молекулы со стенкой сосуда между ними возникают силы, подчиняющиеся третьему закону Ньютона. В результате проекция υx скорости молекулы, перпендикулярная стенке, изменяет свой знак на противоположный, а проекция υy скорости, параллельная стенке, остается неизменной (рис.).

Молекулярно-кинетическая теория Формула для среднего давления газа на стенку сосуда запишется в виде Это уравнение устанавливает связь между давлением p идеального газа, массой молекулы m 0, концентрацией молекул n, средним значением квадрата скорости и средней кинетической энергией поступательного движения молекул. Это основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов Таким образом, давление газа равно двум третям средней кинетической энергии поступательного движения молекул, содержащихся в единице объема.

Молекулярно-кинетическая теория В основное уравнение МКТ газов входит произведение концентрации молекул n на среднюю кинетическую энергию поступательного движения. В этом случае давление пропорционально средней кинетической энергии. Возникают вопросы: каким образом можно на опыте изменять среднюю кинетическую энергию движения молекул в сосуде неизменного объема? Какую физическую величину нужно изменить, чтобы изменилась средняя кинетическая энергия? Опыт показывает, что такой величиной является температура.

Молекулярно-кинетическая теория Температура Понятие температуры тесно связано с понятием теплового равновесия. Тела, находящиеся в контакте друг с другом, могут обмениваться энергией. Энергия, передаваемая одним телом другому при тепловом контакте, называется количеством теплоты Q. Тепловое равновесие – это такое состояние системы тел, находящихся в тепловом контакте, при котором не происходит теплопередачи от одного тела к другому, и все макроскопические параметры тел остаются неизменными. Температура – это физический параметр, одинаковый для Температура всех тел, находящихся в тепловом равновесии. Возможность введения понятия температуры следует из опыта и носит название нулевого закона термодинамики.

Молекулярно-кинетическая теория Температура Для измерения температуры используются физические приборы – термометры, в которых о величине температуры судят по изменению какоголибо физического параметра. Для создания термометра необходимо выбрать термометрическое вещество (например, ртуть, спирт) и термометрическую величину, характеризующую свойство вещества (например, длина ртутного или спиртового столбика). В различных конструкциях термометров используются разнообразные физические свойства вещества (например, изменение линейных размеров твердых тел или изменение электрического сопротивления проводников при нагревании). Термометры должны быть откалиброваны.

Молекулярно-кинетическая теория Особое место в физике занимают газовые термометры (рис.), в которых термометрическим веществом является разреженный газ (гелий, воздух) в сосуде неизменного объема (V = const), а термометрической величиной – давление газа p. Опыт показывает, что давление газа (при V = const) растет с ростом температуры, измеренной по шкале Цельсия.

Молекулярно-кинетическая теория Чтобы проградуировать газовый термометр постоянного объема, можно измерить давление при двух значениях температуры (например, 0 °C и 100 °C), нанести точки p 0 и p 100 на график, а затем провести между ними прямую линию (рис.). Используя полученный таким образом калибровочный график, можно определять температуры, соответствующие другим значениям давления. Экстраполируя график в область низких давлений, можно Экстраполируя график в область низких давлений определить некоторую «гипотетическую» температуру, при которой давление газа стало бы равным нулю. Опыт показывает, что эта температура равна – 273, 15 °С и не зависит от свойств газа. На опыте получить путем охлаждения газ в состоянии с нулевым давлением невозможно, так как при очень низких температурах все газы переходят в жидкое или твердое состояние.

Молекулярно-кинетическая теория Английский физик У. Кельвин (Томсон) в 1848 г. предложил использовать точку нулевого давления газа для построения новой температурной шкалы (шкала Кельвина). В этой шкале единица измерения температуры такая же, как и в шкале Цельсия, но нулевая точка сдвинута: TК = TС + 273, 15. В системе СИ принято единицу измерения температуры по шкале Кельвина называть кельвином и обозначать буквой K. Например, комнатная температура TС = 20 °С по шкале Кельвина равна TК = 293, 15 К.

Молекулярно-кинетическая теория Температурная шкала Кельвина называется абсолютной шкалой температур. Она оказывается наиболее шкалой температур удобной при построении физических теорий. Нет необходимости привязывать шкалу Кельвина к двум фиксированным точкам – точке плавления льда и точке кипения воды при нормальном атмосферном давлении, как это принято в шкале Цельсия. Кроме точки нулевого давления газа, которая называется абсолютным нулем температуры, абсолютным нулем температуры достаточно принять еще одну фиксированную опорную точку. В шкале Кельвина в качестве такой точки используется температура тройной точки воды (0, 01 °С), в которой в тепловом равновесии находятся все три фазы – лед, вода и пар. По шкале Кельвина температура тройной точки принимается равной 273, 16 К.

Молекулярно-кинетическая теория Таким образом, давление разреженного газа в сосуде постоянного объема V изменяется прямо пропорционально его абсолютной температуре: p ~ T. T С другой стороны, опыт показывает, что при неизменных объеме V и температуре T давление газа изменяется прямо пропорционально отношению количества вещества ν в данном сосуде к объему V сосуда где N – число молекул в сосуде, NА – постоянная Авогадро, n = N / V – концентрация молекул (т. е. число молекул в единице объема сосуда).

Молекулярно-кинетическая теория Объединяя эти соотношения пропорциональности, можно записать: p = nk. T, где k – некоторая универсальная для всех газов постоянная величина. Ее называют постоянной Больцмана, в честь австрийского физика Л. Больцмана, одного из создателей МКТ. Постоянная Больцмана – одна из фундаментальных физических констант. Ее численное значение в СИ: k = 1, 38· 10– 23 Дж/К.

Молекулярно-кинетическая теория Сравнивая соотношения p = nk. T с основным уравнением МКТ газов, можно получить: Средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул газа прямо пропорциональна абсолютной температуре. Таким образом, температура есть мера средней кинетической энергии поступательного движения молекул Следует обратить внимание на то, что средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы не зависит от ее массы. Броуновская частица, взвешенная в жидкости или газе, обладает такой же средней кинетической энергией, как и отдельная молекула, масса которой на много порядков меньше массы броуновской частицы.

Молекулярно-кинетическая теория Этот вывод распространяется и на случай, когда в сосуде находится смесь химически невзаимодействующих газов, молекулы которых имеют разные массы. В состоянии равновесия молекулы разных газов будут иметь одинаковые средние кинетические энергии теплового движения, определяемые только температурой смеси. Давление смеси газов на стенки сосуда будет складываться из парциальных давлений каждого газа: p = p 1 + p 2 + p 3 + … = (n 1 + n 2 + n 3 + …)k. T В этом соотношении n 1, n 2, n 3, … – концентрации молекул различных газов в смеси. Это соотношение выражает на языке молекулярнокинетической теории экспериментально установленный в начале XIX столетия закон Дальтона: давление в смеси закон Дальтона химически невзаимодействующих газов равно сумме их парциальных давлений.

Молекулярно-кинетическая теория Уравнение состояния идеального газа Соотношение p = nk. T может быть записано в другой форме, устанавливающей связь между макроскопическими параметрами газа – объемом V, давлением p, температурой T и количеством вещества ν = m / M. M –– Это соотношение называется уравнением состояния идеального газа или уравнением состояния идеального газа Клапейрона–Менделеева – Произведение постоянной Авогадро NА на постоянную Больцмана k называется универсальной газовой постоянной и обозначается буквой R. Ее численное значение в СИ есть: R = k ∙NА = 8, 31 Дж/моль·К.

Молекулярно-кинетическая теория Уравнение состояния идеального газа – Если температура газа равна Tн = 273, 15 К (0 °С), а давление pн = 1 атм = 1, 013· 105 Па, то говорят, что газ находится при нормальных условиях. Как следует из уравнения состояния идеального газа, один моль любого газа при нормальных условиях занимает один и тот же объем V 0 = 0, 0224 м 3/моль = 22, 4 дм 3/моль. Это утверждение называется законом Авогадро.

Молекулярно-кинетическая теория Изопроцессы Газ может участвовать в различных тепловых процессах, при которых могут изменяться все параметры, описывающие его состояние (p, V и T). Если процесс протекает достаточно медленно, то в любой момент система близка к своему равновесному состоянию. Такие процессы называются квазистатическими. В привычном квазистатическими для нас масштабе времени эти процессы могут протекать и не очень медленно. Например, разрежения и сжатия газа в звуковой волне, происходящие сотни раз в секунду, можно рассматривать как квазистатический процесс. Квазистатические процессы могут быть изображены на диаграмме состояний(например, в координатах p, V) в виде некоторой траектории, каждая точка которой представляет равновесное состояние. Интерес представляют процессы, в которых один из параметров (p, V или T) остается неизменным. Такие процессы называются изопроцессами

Изотермический процесс (T = const) Изотермическим процессом называют квазистатический процесс, протекающий при постоянной температуре T. Из уравнения состояния идеального газа следует, что при постоянной температуре T и T неизменном количестве вещества ν в сосуде произведение давления p газа на его p объем V должно оставаться постоянным: p. V = const

Изотермический процесс (T = const) На плоскости (p, V) изотермические процессы изображаются при различных значениях температуры T семейством гипербол p ~ 1 / V, которые называются изотермами. Уравнение изотермического процесса было получено из эксперимента английским физиком Р. Бойлем (1662 г.) и независимо французским физиком Э. Мариоттом (1676 г.) Поэтому уравнение называют законом Бойля–Мариотта. T 3 > T 2 > T 1

Изохорный процесс (V = const) Изохорный процесс – это процесс квазистатического нагревания или охлаждения газа при постоянном объеме V и при условии, что количество вещества ν в сосуде остается неизменным. Как следует из уравнения состояния идеального газа, при этих условиях давление газа p изменяется прямо пропорционально его абсолютной температуре: p ~ T или = const

Изохорный процесс (V = const) На плоскости (p, T) изохорные процессы для заданного количества вещества ν при различных значениях объема V изображаются семейством прямых линий, которые называются изохорами. Большим значениям объема соответствуют изохоры с меньшим наклоном по отношению к оси температур (рис.). Экспериментально зависимость давления газа от температуры исследовал французский физик Ж. Шарль (1787 г.). Поэтому уравнение изохорного процесса называется законом Шарля. V 3 > V 2 > V 1

Изобарный процесс (p = const) Изобарным процессом называют квазистатический процесс, протекающий при неизменным давлении p. Уравнение изобарного процесса для некоторого неизменного количества вещества ν имеет вид: где V 0 – объем газа при температуре 0 °С. Коэффициент α равен (1/273, 15) К– 1. Его α называют температурным коэффициентом объемного расширения газов.

Изобарный процесс (p = const) На плоскости (V, T) изобарные процессы при разных значениях давления p изображаются семейством прямых линий (рис.), которые называются изобарами. Зависимость объема газа от температуры при неизменном давлении была экспериментально исследована французским физиком Ж. Гей-Люссаком (1862 г.). Поэтому уравнение изобарного процесса называют законом Гей-Люссака. p 3 > p 2 > p 1

Изопроцессы Экспериментально установленные законы Бойля –Мариотта, Шарля и Гей-Люссака находят –Мариотта, Шарля и Гей-Люссака объяснение в молекулярно-кинетической теории газов. Они являются следствием уравнения состояния идеального газа.

Термодинамика Термодинамика – это наука о тепловых явлениях. В противоположность молекулярно-кинетической теории, которая делает выводы на основе представлений о молекулярном строении вещества, термодинамика исходит из наиболее общих закономерностей тепловых процессов и свойств макроскопических систем. Выводы термодинамики опираются на совокупность опытных фактов и не зависят от наших знаний о внутреннем устройстве вещества, хотя в целом ряде случаев термодинамика использует молекулярнокинетические модели для иллюстрации своих выводов.

Термодинамика Термодинамика рассматривает изолированные системы тел, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. Это означает, что в таких системах прекратились все наблюдаемые макроскопические процессы.

Термодинамика Если термодинамическая система была подвержена внешнему воздействию, то в конечном итоге она перейдет в другое равновесное состояние. Такой переход называется термодинамическим процессом. Если процесс протекает достаточно медленно (в пределе бесконечно медленно), то система в каждый момент времени оказывается близкой к равновесному состоянию. Процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний, называются квазистатическими.

Термодинамика. Внутренняя энергия Одним из важнейших понятий термодинамики является внутренняя энергия тела. Все макроскопические тела обладают энергией, заключенной внутри самих тел. С точки зрения МКТ внутренняя энергия вещества складывается из кинетической энергии всех атомов и молекул и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. В частности, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий всех частиц газа, находящихся в непрерывном и беспорядочном тепловом движении. Отсюда вытекает закон Джоуля, подтверждаемый многочисленными экспериментами: Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объема

Термодинамика. Внутренняя энергия МКТ приводит к следующему выражению для внутренней энергии одного моля идеального одноатомного газа (гелий, неон и др.), молекулы которого совершают только поступательное движение: Поскольку потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от расстояния между ними, в общем случае внутренняя энергия U тела зависит наряду с температурой T также и от объема V: T U = U (T, V) Таким образом, внутренняя энергия U тела однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние тела. Она не зависит от того, каким путем было реализовано данное состояние. Принято говорить, что внутренняя энергия является функцией состояния.

Термодинамика. Способы изменения внутренней энергии Внутренняя энергия тела может изменяться, если действующие на него внешние силы совершают работу (положительную или отрицательную). работу Например, если газ подвергается сжатию в цилиндре под поршнем, то внешние силы совершают над газом некоторую положительную работу A". В то же время силы давления, A" действующие со стороны газа на поршень, совершают работу A = –A"

Термодинамика. Способы изменения внутренней энергии Внутренняя энергия тела может изменяться не только в результате совершаемой работы, но и вследствие теплообмена. При тепловом контакте тел внутренняя энергия одного из них может увеличиваться, а другого – уменьшаться. В этом случае говорят о тепловом потоке от одного тела к другому. Количеством теплоты Q, полученным телом, Количеством теплоты Q называют изменение внутренней энергии тела в результате теплообмена.

Термодинамика. Способы изменения внутренней энергии Передача энергии от одного тела другому в форме тепла может происходить только при наличии разности температур между ними. Тепловой поток всегда направлен от горячего тела к холодному Количество теплоты Q является энергетической величиной. В СИ количество теплоты измеряется в единицах механической работы – джоулях (Дж).

Термодинамика. Первый закон термодинамики На рис. условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0, если тепловой Q > 0 поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную A > 0 работу над окружающими телами. Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, изменяется состояние системы т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем).

Термодинамика. Первый закон термодинамики Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

Термодинамика. Первый закон термодинамики Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом: Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами. ΔU = Q – A Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме: Q = ΔU + A Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

Термодинамика. Первый закон термодинамики Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах. В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно, Q = ΔU = U (T 2) – U (T 1). Здесь U (T 1) и U (T 2) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q

Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние.

Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q 2

Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q 1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины:

Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. (1 – η) Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η 0, A > 0, Q 2 T 2

Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3. 11. 4).

Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1– 2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T 1. Газ изотермически расширяется, совершая работу A 12, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q 1 = A 12. Далее на адиабатическом участке (2– 3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A 23 > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T 2. На следующем изотермическом участке (3– 4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T 2

Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики. Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии для тепловых процессов – устанавливает связь между количеством теплоты Q, полученной системой, изменением ΔU ее внутренней энергии и работой A, совершенной над внешними телами: Q = ΔU + A Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались. На рис. изображены устройства, запрещенные первым законом термодинамики Циклически работающие тепловые машины, запрещаемые первым законом термодинамики: 1 – вечный двигатель 1 рода, совершающий работу без потребления энергии извне; 2 – тепловая машина с коэффициентом полезного действия η > 1

Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики. Первый закон термодинамики не устанавливает направления тепловых Первый закон термодинамики процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми. Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым. Обратимыми процессами называют процессы перехода системы из одного равновесного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний. При этом сама система и окружающие тела возвращаются к исходному состоянию. Процессы, в ходе которых система все время остается в состоянии равновесия, называются квазистатическими. Все квазистатические процессы обратимы. Все обратимые процессы являются квазистатическими.

Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики. Процессы превращения механической работы во внутреннюю энергию тела являются необратимыми из-за наличия трения, процессов диффузии в газах и жидкостях, процессы перемешивания газа при наличии начальной разности давлений и т. д. Все реальные процессы необратимы, но они могут сколь угодно близко приближаться к обратимым процессам. Обратимые процессы являются идеализацией реальных процессов. Первый закон термодинамики не может отличить обратимые процессы от необратимых. Он просто требует от термодинамического процесса определенного энергетического баланса и ничего не говорит о том, возможен такой процесс или нет.

Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики. Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает второй закон термодинамики. Он может быть сформулирован в термодинамики виде запрета на определенные виды термодинамических процессов. Английский физик У. Кельвин дал в 1851 г. следующую формулировку второго закона: второго закона В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара.

Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики. Немецкий физик Р. Клаузиус дал другую формулировку второго закона термодинамики: Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. На рис. изображены процессы, запрещенные вторым законом, но не запрещенные первым законом термодинамики. Эти процессы соответствуют двум формулировкам второго закона термодинамики. 1 – вечный двигатель второго рода; 2 – самопроизвольный переход тепла от холодного тела к более теплому (идеальная холодильная машина)

В природе происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим движением. Они наблюдаются при изменении температуры тел или при переходе веществ из одного состояния (например, жидкого) в другое (твердое или газообразное). Такие явления называются тепловыми .

Тепловые явления играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. От температуры окружающей среды зависит возможность жизни на Земле. Сезонные изменения температуры определяют ритмы живой природы - зимой жизнь растений замирает, многие животные впадают в спячку. Весной же природа пробуждается, зеленеют луга, цветут деревья.

Изменения температуры влияют на свойства тел. При нагревании и охлаждении изменяется объем жидкостей и газов и размеры твердых тел.

Тепловые явления подчиняются определенным законам, знание которых позволяет использовать эти явления в технике и в быту. Современные тепловые двигатели, холодильные установки, газопроводы и другие устройства функционируют на основе этих законов.

Молекулярная физика и термодинамика

Молекулярная физика и термодинамика изучают поведение систем, состоящих из большого числа частиц.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Молекулярная физика - раздел физики, изучающий физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения.

Молекулярная физика рассматривает строение и свойства газов, жидкостей, твердых тел, их взаимные превращения, а также изменения, которые происходят в их внутренней структуре и поведении при изменении внешних условий.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Термодинамика — раздел физики, изучающий свойства системы взаимодействующих тел путём анализа условий и качественных соотношений происходящих в системе превращений энергии.

Отличие молекулярной (или статистической) физики от термодинамики состоит в том, что эти два раздела физики рассматривают тепловые явления с разных точек зрения и используют при этом различные методы.

Молекулярная физика устанавливает законы, согласно которым протекают различные процессы в телах на основе изучения их молекулярной структуры и механизма взаимодействия отдельных молекул между собой. Термодинамика изучает свойства тел без учета молекулярных явлений, которые в них происходят.

Молекулярная физика использует статистический метод , который рассматривает движение и взаимодействие молекул в целом, а не каждой молекулы в отдельности.

Термодинамика пользуется термодинамическим методом , который рассматривает все процессы с точки зрения преобразования энергии. В отличие от статистического, термодинамический метод не связан с какими-либо конкретными представлениями о внутреннем строении тел и характере движения образующих эти тела молекул. Законы термодинамики установлены опытным путем при изучении оптимального использования теплоты для совершения работы.

По онлайн-курсу возможно получение сертификата.

В курсе рассматриваются ключевые понятия и методы термодинамики и молекулярной физики как части курса общей физики, читаемого студентам Московского Физико-Технического Института. Прежде всего, вводятся основные термодинамические величины, понятия и постулаты. Рассматриваются основные термодинамические соотношения. Отдельные лекции посвящены теории фазовых переходов, модели газа Ван-Дер-Ваальса, поверхностным явлениям. Даются основные понятия статистической физики: микро- и макро состояние системы, статистическая сумма, функции распределения и др. Обсуждаются распределения Максвелла, Больцмана, Гибсса. Излагаются элементы теории теплоемкости газов. Выводятся выражения для флуктуаций основных термодинамических величин. Дается описание молекулярных процессов в газах: процессов переноса, диффузии и теплопроводности.

О курсе

Онлайн-курс содержит в себе обсуждение базовых физических вопросов, разбор задач, демонстрации физических экспериментов, без которых невозможно глубокое понимание общей физики. Для успешного освоения онлайн-курса слушателю желательно знать курс общей физики: "Механика" и владеть основами математического анализа, знать основы линейной алгебры и теории вероятностей.

Формат

Онлайн-курс содержит в себе теоретический материал, демонстрации ключевых термодинамических экспериментов, необходимые для правильного понимания явлений, разборы решений типовых задач, упражнения и задачи для самостоятельного решения

Седьмая, тринадцатая и восемнадцатая недели содержат контрольные задания для проверки.

Программа курса

Неделя 1
Основные понятия молекулярной физики и термодинамики: предмет исследования, его характерные особенности. Задачи молекулярной физики. Уравнения состояния. Давление идеального газа как функция кинетической энергии молекул. Соотношение между температурой идеального газа и кинетической энергией его молекул. Законы идеальных газов. Уравнения состояния идеального газа. Квазистатические, обратимые и необратимые термодинамические процессы. Нулевое начало термодинамики. Работа, теплота, внутренняя энергия. Первое начало термодинамики. Теплоёмкость. Теплоёмкость идеальных газов при постоянном объёме и постоянном давлении, уравнение Майера. Адиабатический и политропический процессы. Уравнение политропы для идеального газа. Адиабатический и политропический процессы. Независимость внутренней энергии идеального газа от объёма.

Неделя 2
Второе начало термодинамики. Формулировки второго начала. Тепловая машина. Определение КПД тепловой машины. Цикл Карно. Теорема Карно. Неравенство Клаузиуса. Максимальность КПД цикла Карно по сравнению с другими термодинамическими циклами. Холодильная машина. Эффективность холодильной машины. Тепловой насос. Эффективность теплового насоса, работающего по циклу Карно. Связь между коэффициентами эффективности теплового насоса и холодильной машины.

Неделя 3
Термодинамическое определение энтропии. Закон возрастания энтропии. Энтропия идеального газа. Энтропия в обратимых и необратимых процессах. Адиабатическое расширение идеального газа в вакуум. Объединённое уравнение первого и второго начал термодинамики. Третье начало термодинамики. Изменение энтропии и теплоёмкости при приближении температуры к абсолютному нулю.

Неделя 4
Термодинамические функции. Свойства термодинамических функций. Максимальная и минимальная работа. Преобразования термодинамических функций. Соотношения Максвелла. Зависимость внутренней энергии от объёма. Зависимость теплоёмкости от объёма. Соотношение между СP и СV. Теплофизические свойства твёрдых тел. Термодинамика деформации твёрдых тел. Изменение температуры при адиабатическом растяжении упругого стержня. Тепловое расширение как следствие ангармоничности колебаний в решётке. Коэффициент линейного расширения стержня.

Неделя 5
Условия термодинамического равновесия. Фазовые превращения. Фазовые переходы I и II рода. Химический потенциал. Условие равновесия фаз. Кривая фазового равновесия. Уравнение Клапейрона–Клаузиуса. Диаграмма состояния двухфазной системы «жидкость–пар». Зависимость теплоты фазового перехода от температуры. Критическая точка. Тройная точка. Диаграмма состояния «лёд–вода–пар». Поверхностные явления. Термодинамика поверхности. Свободная энергия поверхности. Краевые углы. Смачивание и несмачивание. Формула Лапласа. Зависимость давления пара от кривизны поверхности жидкости. Кипение. Роль зародышей при образовании новой фазы.

Неделя 6
Газ Ван-дер-Ваальса как модель реального газа. Изотермы газа Ван-дер-Ваальса. Метастабильные состояния. Перегретая жидкость и переохлаждённый пар. Правило Максвелла и правило рычага. Критические параметры и приведённое уравнение состояния газа Ван-дер-Ваальса. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса. Уравнение адиабаты газа Ван-дер-Ваальса. Энтропия газа Ван-дер-Ваальса. Скорость звука в газах. Скорость истечения газа из отверстия. Эффект Джоуля–Томсона. Адиабатическое расширение, дросселирование. Получение низких температур.

Неделя 7
Проверочная

Неделя 8
Динамические и статистические закономерности. Макроскопические и микроскопические состояния. Фазовое пространство. Элементы теории вероятностей. Условие нормировки. Средние величины и дисперсия. Биномиальный закон распределения. Распределение Пуассона. Распределение Гаусса.

Неделя 9
Распределения Максвелла. Распределение частиц по компонентам скорости и абсолютным значениям скорости. Наиболее вероятная, средняя и среднеквадратичная скорости. Распределения Максвелла по энергиям. Среднее число ударов молекул, сталкивающихся в единицу времени с единичной площадкой. Средняя энергия молекул, вылетающих в вакуум через малое отверстие в сосуде.

Неделя 10
Распределение Больцмана в однородном поле сил. Барометрическая формула. Микро- и макросостояния. Статистический вес макросостояния. Статистическое определение энтропии. Энтропия при смешении газов. Парадокс Гиббса. Представление о распределении Гиббса. Статистическая сумма и её использование для нахождения внутренней энергии. Статистическая температура.

Неделя 11
Флуктуации. Средние значения энергии и дисперсии (среднеквадратичной флуктуации) энергии частицы. Флуктуации термодинамических величин. Флуктуация температуры в фиксированном объёме. Флуктуация объёма в изотермическом и адиабатическом процессах. Флуктуации аддитивных физических величин. Зависимость флуктуаций от числа частиц, составляющих систему.

Неделя 12
Теплоёмкость. Классическая теория теплоёмкостей. Закон равномерного распределения энергии теплового движения по степеням свободы. Теплоёмкость кристаллов (закон Дюлонга–Пти). Элементы квантовой теории теплоёмкостей. Характеристические температуры. Зависимость теплоёмкости от температуры.

Неделя 13
Столкновения. Эффективное газокинетическое сечение. Длина свободного пробега. Распределение молекул по длинам свободного пробега. Число столкновений молекул между собой. Явления переноса: вязкость, теплопроводность и диффузия. Законы Фика и Фурье. Коэффициенты вязкости, теплопроводности и диффузии в газах.

Неделя 14
Броуновское движение. Подвижность. Закон Эйнштейна–Смолуховского. Связь подвижности частицы и коэффициента диффузии. Явления переноса в разрежённых газах. Эффект Кнудсена. Эффузия. Течение разрежённого газа через прямолинейную трубу.

Неделя 15
Проверочная

Результаты обучения

В результате изучения дисциплины «Термодинамика» обучающийся должен:

• Знать:
  • основные понятия, используемые в молекулярной физике, термодинамике;
  • смысл физических величин, используемых в молекулярной физике, термодинамике;
  • уравнения состояния идеального газа и газа Ван-дер-Ваальса;
  • распределения Больцмана и Максвелла, закон равномерного распределения энергии по степеням свободы;
  • нулевое, первое, второе и третье начала термодинамики, неравенство Клаузиуса, закон возрастания энтропии;
  • условия устойчивого термодинамического равновесия;
  • уравнение Клапейрона-Клаузиуса;
  • формулу Лапласа;
  • уравнения, описывающие процессы переноса (диффузии, вязкости,теплопроводности);
• Уметь:
  • использовать основные положения молекулярно-кинетической теории газов для решения задач;
  • использовать законы молекулярной физики и термодинамики при описании равновесных состояний тепловых процессов и процессов переноса;
• Владеть:
  • методами расчёта параметров состояния вещества;
  • методами расчёта работы, количества теплоты и внутренней энергии;

Формируемые компетенции

• способность анализировать научные проблемы и физические процессы, использовать на практике фундаментальные знания, полученные в области естественных наук (ОК-1)
• способность осваивать новые проблематику, терминологию, методологию и овладевать научными знаниями, владением навыками самостоятельного обучения (ОК-2)
• способность применять в своей профессиональной деятельности знания,полученные в области физических и математических дисциплин (ПК-1)
• способность понимать сущность задач, поставленных в ходе профессиональной деятельности, и использовать соответствующий физико-математический аппарат для их описания и решения (ПК-3)
• способность использовать знания в области физических и математических дисциплин для дальнейшего освоения дисциплин в соответствии с профилем подготовки (ПК-4)
• способность применять теорию и методы математики, физики и информатики для построения качественных и количественных моделей (ПК-8)

Молекулярная физика. Термодинамика.

1.Статистический и термодинамический методы

2.Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов

2.1.Основные определения

2.2.Опытные законы идеального газа

2.3.Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона-Менделеева

2.4.Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа

2.5.Распределение Максвелла

2.6.Распределение Больцмана

3.Термодинамика

3.1.Внутренняя энергия. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы

3.2.Первое начало термодинамики

3.3.Работа газа при изменении его объема

3.4.Теплоемкость

3.5.Первое начало термодинамики и изопроцессы

3.5.1.Изохорный процесс (V = const)

3.5.2.Изобарный процесс (p = const)

3.5.3.Изотермический процесс (T = const)

3.5.4. Адиабатический процесс (dQ = 0)

3.5.5. Политропные процессы

3.6.Круговой процесс (цикл). Обратимые и необратимые процессы. Цикл Карно.

3.7.Второе начало термодинамики

3.8.Реальные газы

3.8.1.Силы межмолекулярного взаимодействия

3.8.2.Уравнение Ван-дер-Ваальса

3.8.3.Внутренняя энергия реального газа

3.8.4.Эффект Джоуля-Томсона. Сжижение газов.

1.Статистический и термодинамический методы

Молекулярная физика и термодинамика - разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы , связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул. Для изучения этих процессов применяют два принципиально различающихся (но взаимно дополняющих друг друга) метода: статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический.

Молекулярная физика - раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении. Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул . Законы поведения огромного числа молекул изучаются с помощью статистического метода , который основан на том, что свойства макроскопической системы определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и усредненными значениями динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии и т.д.). Например, температура тела определяется средней скоростью хаотического движения его молекул и нельзя говорить о температуре одной молекулы.

Термодинамика - раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия , и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика не рассматривает микропроцессы , которые лежат в основе этих превращений, а основывается на двух началах термодинамики - фундаментальных законах, установленных экспериментальным путем.

Статистические методы физики не могут быть использованы во многих разделах физики и химии, тогда как термодинамические методы универсальны. Однако статистические методы позволяют устанавливать микроскопическое строение вещества, тогда как термодинамические методы лишь устанавливают связи между макроскопическими свойствами. Молекулярно-кинетическая теория и термодинамика взаимно дополняют друг друга, образуя единое целое, но отличаясь методами исследования.

2.Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов

2.1.Основные определения

Объектом исследования в молекулярно-кинетической теории является газ. Считается, что молекулы газа, совершая беспорядоченые движения, не связаны силами взаимодействия и поэтому они движутся свободно, стремясь, в результате соударений, разлететься во все стороны, заполняя весь предоставленный им объем. Таким образом, газ принимает объем того сосуда, который газ занимает.

Идеальный газ - это газ, для которого: собственный объем его молекул пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда; между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия; столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие. Для многих реальных газов модель идеального газа хорошо описывает их макро свойства.

Термодинамическая система - совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой).

Состояние системы - совокупность физических величин (термодинамических параметров, параметров состояния) , которые характеризуют свойства термодинамической системы: температура, давление, удельный объем.

Температура - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. В системе СИ разрешено использование термодинамической и практической шкалы температур . В термодинамической шкале тройная точка воды (температура, при которой лед, вода и пар при давлении 609 Па находятся в термодинамическом равновесии) считается равной Т = 273.16 градуса Кельвина [K]. В практической шкале температуры замерзания и кипения воды при давлении 101300 Па считаются равными, соответственно, t = 0 и t =100 градусов Цельсия [C ]. Эти температуры связаны между собой соотношением

Температура Т = 0 К называется нулем Кельвин, согласно современным представлениям эта температура недостижима, хотя приближение к ней сколь угодно близко возможно.

Давление - физическая величина, определяемая нормальной силой F, действующей со стороны газа (жидкости) на единичную площадку, помещенную внутрь газа (жидкости) p = F/S, где S - размер площадки. Единица давления - паскаль [Па]: 1 Па равен давлению, создаваемому силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м 2 (1 Па = 1 Н/м 2).

Удельный объем - это объем единицы массы v = V/m = 1/r, где V - объем массы m, r - плотность однородного тела. Поскольку для однородного тела v ~ V, то макроскопические свойства однородного тела можно характеризовать как v, так и V.

Термодинамический процесс - любое изменение в термодинамической системе, приводящее к изменению хотя бы одного из ее термодинамических параметров. Термодинамическое равновесие - такое состояние макроскопической системы, когда ее термодинамические параметры не изменяются с течением времени. Равновесные процессы - процессы, которые протекают так, что изменение термодинамических параметров за конечный промежуток времени бесконечно мало.

Изопроцессы - это равновесные процессы, при которых один из основных параметров состояния сохраняется постоянным. Изобарный процесс - процесс, протекающий при постоянном давлении (в координатах V,t он изображается изобарой ). Изохорный процесс - процесс, протекающий при постоянном объеме (в координатах p,t он изображается изохорой ). Изотермический процесс - процесс, протекающий при постоянной температуре (в координатах p,V он изображается изотермой ). Адиабатический процесс - это процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой (в координатах p,V он изображается адиабатой ).

Постоянная (число) Авогадро - число молекул в одном моле N A =6.022 . 10 23 .

Нормальные условия : p = 101300 Па, Т = 273.16 К.