Введение
Цель настоящего учебного пособия - оказать помощь студентам инженерно-технических специальностей очной формы обучения в изучении курса физики, в частности раздела «Молекулярная физика и термодинамика».
Материал представлен в виде разработок шести тем:
1 Основы молекулярно-кинетической теории идеальных газов.
2 Статистическая физика. Распределение Максвелла. Барометрическая
формула.
3 Физическая кинетика. Явления переноса.
4 Физические основы термодинамики. Первое начало термодинамики.
5 Второе начало термодинамики. Циклы. КПД циклов.
6 Реальные газы.
Изложение каждой темы построено по единому плану и состоит из трех частей. В первой части даны краткие теоретические сведения и приведены основные формулы, необходимые для решения задач. Вторая часть содержит примеры решения задач и третья часть - условия задачи по данной теме. Каждый студент должен решить 10 задач в виде индивидуального задания по одному из вариантов, приведенных в приложении. Номер варианта и форму отчетности определяет преподаватель.
Для
успешного освоения данной темы курса
физики рекомендуем методическое пособие
«Основы молекулярной физики и
термодинамики»
,
где приведены примеры решения расчетных
и качественных задач, а также предложены
вопросы и
задачи для
повторения и самоподготовки. Желаем
успеха!
1 Основы молекулярно-кинетической теории идеальных газов Основные термодинамические параметры
Состояние некоторой массы газа m определяется тремя
термодинамическими параметрами: р, V, T. Здесь р - давление, V – объем, Т – температура.
Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы и определяющая направление теплообмена между телами. Температура – одно из основных понятий, играющих важную роль не только в термодинамике, но и в физике в целом.
Закон, выражающий зависимость между этими параметрами, называется уравнением состояния:
f (р, V, T) = 0.
Дополнительные термодинамические параметры
– плотность
вещества.
– молярная
масса (масса одного моля).
– число
молей.
– концентрация
молекул , где
N
число всех молекул в объеме V.
,
где
– число Авогадро (число молекул в 1 моле,
моль-1).
– масса
одной молекулы любого вещества.
Идеальный газ
Модель, согласно которой:
а) собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;
б) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия;
в) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.
Термодинамические процессы
Термодинамический процесс - любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее термодинамических параметров.
Изотермический (закон Бойля-Мариотта)
При T = const; m = const; рV = const.
Для 2-х состояний
р1V1 = р2V2.
Изобарический (закон Гей-Люссака)
При
р
= const;
m
= const;
V = V0(
1 +
t
).
Для
2-х состояний
.
Изохорический (закон Шарля)
При V = const; m = const; р = р0( 1 + t ).
Для
2-х состояний
.
Уравнение состояния идеального газа
Для данной массы газа (закон Клапейрона):
.
Для 2-х состояний
.
Для любой массы газа (уравнение Клапейрона-Менделеева):
или
,
где N – число молекул; R = 8,31 Дж/(моль∙К) - универсальная газовая постоянная; k = 1,3810–23 Дж/К – постоянная Больцмана; R =kNа , откуда следует
,
где n0 – концентрация молекул.