Тепловое Равновесие. Температура

Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называются макроскопическими параметрами. К ним относятся давление и температура, объем, масса, концентрация отдельных компонентов смеси газа и др.

Состояние термодинамической системы, в которое она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени в условиях изоляции от окружающей среды, называется тепловым равновесием. В этом состоянии параметры системы не изменяются со временем - это означает, что в системе не меняются объем и давление, не происходит теплообмен, отсутствуют превращения газов, жидкостей и твердых тел. В состоянии теплового равновесия объем, давление могут быть различными в разных частях термодинамической системы, и только температура во всех частях термодинамической системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, является одинаковой. Микроскопические процессы внутри тела не прекращаются и при тепловом равновесии: меняются положения молекул, их скорости при столкновениях.

Температура характеризует степень нагретости тела. Она является макроскопическим параметром, характеризующим тепловое равновесие систем тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру, а другие макроскопические параметры (р, V, т) могут быть различны.

Температура служит мерой средней кинетической энергии молекул:

№34

РАБОТА  ( в   термодинамике ) – это изменение  внутренней   энергии  системы, связанное с изменением ее объема и расположения ее частей относительно друг друга. Например, ударяя по куску свинца молотком, сгибая и разгибая проволоку или сжимая находящийся под поршнем в цилиндре газ, мы каждый раз совершаем над системой работу и тем самым изменяем ее внутреннюю энергию. Мерой  изменения   внутренней   энергии  при этом является величина совершенной работы.  Работа  газа положительна при расширении газа и отрицательна при его сжатии. На p–V-диаграмме работа газа численно совпадает (по модулю) с площадью фигуры под графиком зависимости давления от объема.

№35

ТЕПЛООБМЕН (передача тепловой энергии), процесс переноса теплоты от одного объекта к другому. Перенос происходит в течение времени, когда два или более тела при разных температурах находятся в термоконтакте. Различают три вида теплообмена: ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ, КОНВЕКЦИЯ и ИЗЛУЧЕНИЕ. При теплопроводности перенос тепла происходит от молекулы к молекуле внутри тела, как например у железного прута, вставленного в огонь. При конвекции тепло переносится циркуляцией жидкости или газа, как при кипении. При излучении тепло передается в виде электромагнитных волн, как солнечный свет. Теплообменные процессы являются неотъемлемой частью многих производственных процессов, когда тепловая энергия от одного источника передается другому без их объединения. Наиболее простой пример теплообмена - использование теплопередачи, когда система труб с развитой внешней поверхностью и протекающей внутри горячей жидкостью погружена в контейнер, через который течет другая, холодная жидкость, и в результате теплообмена тепло передается от горячей жидкости к холодной.

№41.

Необратимые процессы в природе

Любой процесс, сопровождаемый трением, является необратимым (т. е. в ходе процесса в системе происходят изменения, которые отличают ее состояние после проведения обратного процесса от состояния, в котором она находилась до проведения прямого процесса). ибо при трении часть работы всегда превращается в тепло, тепло рассеивается, в окружающих телах остается след процесса – нагревание, что делает процесс с участием трения необратимым. Важнейшей принципиальной особенностью всех тепловых явлений, в которых участвует громадное число молекул, является их необратимый характер. Примером необратимого процесса является расширение газа, даже идеального, в пустоту. Из повседневной практики известно, что все естественные самопроизвольные процессы, происходящие в природе, являются необратимыми; обратимых процессов в природе не существует.

№42.

Второе начало термодинамики

Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю. Поскольку второе начало термодинамики (в формулировке Клаузиуса) основано на предположении о том, что вселенная является замкнутой системой, возможны и другие виды критики этого закона. В соответствии с современными физическими представлениями мы можем говорить лишь о наблюдаемой части вселенной. На данном этапе человечество не имеет возможности доказать ни то, что вселенная есть замкнутая система, ни обратное. Клаузиус, рассматривая второе начало термодинамики, пришёл к выводу, что энтропия Вселенной как замкнутой системы стремится к максимуму, и в конце концов во Вселенной закончатся все макроскопические процессы. Это состояние Вселенной получило название «тепловой смерти». С другой стороны, Больцман высказал мнение, что нынешнее состояние Вселенной — это гигантская флуктуация, из чего следует, что большую часть времени Вселенная все равно пребывает в состоянии термодинамического равновесия («тепловой смерти»)^[

№43.

Идеальная тепловая машина.Цикл Карно

Теплова́я маши́на — устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник). Преобразование осуществляется за счёт изменения внутренней энергии рабочего тела — на практике обычно пара или газа.Идеальная тепловая машина — машина, в которой произведённая работа и разница между количеством подведённого и отведённого тепла равны. Работа идеальной тепловой машины описывается циклом Карно.С давних времён человек хотел освободиться от физических усилий или облегчить их при перемещении чего-либо, располагать большей силой, быстротой. В ХVIII веке попробовали заменить живую силу силой пара .Цикл Карно, обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту). Карно цикл состоит из последовательно чередующихся двух изотермических и двух адиабатных процессов. первые рассмотрен французским учёным Н. Л. С. Карно (1824) как идеальный рабочий цикл теплового двигателя.

№44.

Тепловые машины.Принципы работы.КПД тепловых машин

Теплова́я маши́на — устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник). Обычно в тепловых машинах механическая работа совершается расширяющимся газом. Газ, совершающий работу при расширении, называется рабочим телом. Рабочим телом часто служит воздух или водяные пары. Расширение газа происходит в результате повышения его температуры и давления при нагревании. Устройство, от которого рабочее тело получает количество теплоты Q, называется нагревателем. Ни один тепловой двигатель не может работать при одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. Обязательно температура нагревателя больше температуры холодильника. При совершении работы тепловыми двигателями происходит передача теплоты от более горячих тел к более холодным. Коэффициент полезного действия тепловой машины Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по замкнутому циклу, всегда меньше единицы. Задача теплоэнергетики состоит в том, чтобы сделать КПД как можно более высоким, т. е. использовать для получения работы как можно большую часть теплоты, полученной от нагревателя. Как этого можно достигнуть? Впервые наиболее совершенный циклический процесс, состоящий из изотерм и адиабат, был предложен французским физиком и инженером С. Карно в 1824 г.

№45.

Холодильные машины.Принцип работы.КПД холодильных машин

Холодильная машина, устройство, служащее для отвода теплоты от охлаждаемого тела при температуре более низкой, чем температура окружающей среды. Холодильная машина используются для получения температур от 10 °С до -150 °С. Холодильная машины работают по принципу теплового насоса - отнимают теплоту от охлаждаемого тела и с затратой энергии (механической, тепловой и т.д.) передают её охлаждающей среде (обычно воде или окружающему воздуху), В холодильной технике находят применение несколько систем холодильных машин - парокомпрессионные, абсорбционные, пароэжекторные и воздушно-расширительные, работа которых основана на том, что рабочее тело (холодильный агент) за счёт затраты внешней работы совершает обратный круговой термодинамический процесс (холодильный цикл). В парокомпрессионных, абсорбционных и пароэжекторных холодильных машинах для получения эффекта охлаждения используют кипение низкокипящих жидкостей. В воздушно-расширительных холодильных машинах охлаждение достигается за счёт расширения сжатого воздуха в детандере. Первые холодильная машина появились в середине 19 в. Одна из старейших холодильных машин - абсорбционная. Её изобретение и конструктивное оформление связано с именами Дж. Лесли (Великобритания, 1810), Ф. Карре (Франция, 1850) и Ф. Виндхаузена (Германия, 1878). Первая парокомпрессионная машина, работавшая на эфире, построена Дж. Перкинсом (Великобритания, 1834). Позднее были созданы аналогичные машины с использованием в качестве хладагента метилового эфира и сернистого ангидрида. В 1874 К. Линде (Германия) построил аммиачную парокомпрессионную холодильную машину, которая положила начало холодильному машиностроении. Холодильная машина затрачивает 15 кВт электроэнергии из сети, чтобы перенести тепло от воды в воздух. Так что на самом деле у нас налицо чистые потери и потери эти составляют мощность, которую холодильная машина берет из сети. Мало того, кроме холодильника, нужно еще питать насос, которым мы качаем воду.

№54

Амо́рфные вещества́ (тела́)— конденсированное состояние вещества, атомарная структура которых имеет ближний порядок и не имеет дальнего порядка, характерного для кристаллических структур.

Все физические свойства аморфного и поликристаллического состояний одного и того же вещества заметно (иногда сильно) отличаются (кроме плотности).

Электрические и механические свойства аморфных веществ ближе к таковым для монокристаллов, чем для поликристаллов из-за отсутствия резких и сильно загрязнённых примесямимежкристаллических переходов(границ) с зачастую абсолютно другим химическим составом.

Немеханические свойства полуаморфных состояний обычно являются промежуточными между аморфным и кристаллическим и изотропны. Однако отсутствие резких межкристаллических переходов заметно влияет на электрические и механические свойства, делая их похожими на аморфные.

№55

В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией.

 анизотропия — разность свойств по объему тела, зависимость свойтв от направления.

Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим располохением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны.

изотропия — равенство свойств по объему тела.

№56

Кристалли́ческая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла.

Существует несколько видов дефектов:

  точечные дефекты (межузельныс атомы, вакансии, примеси). Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, их размеры по всем направлениям не больше нескольких атомных диаметров;

• Линейные дефекты (дислокации, цепочки вакансий и меж-узельных атомов). Линейные дефекты имеют атомные размеры в двух измерениях, а в третьем - они значительно больше размера, который может быть соизмерим с длиной кристалла;

• Плоские, или поверхностные, дефекты (границы зерен,

границы самого кристалла). Поверхностные дефекты малы

только в одном измерении;

• Объемные дефекты, или макроскопические нарушения (за

крытые и открытые поры, трещины, включения постороннего

вещества). Объемные дефекты имеют относительно большие

размеры, несоизмеримые с атомным диаметром, во всех трех измерениях.

№57

Наиболее простые виды деформации тела в целом:

Растяжение-сжатие — в сопротивлении материалов — вид продольной деформации стержня или бруса, возникающий в том случае, если нагрузка к нему прикладывается по его продольной оси (равнодействующая сил, воздействующих на него, нормальна поперечному сечению стержня и проходит через его центр масс).

Формула:

Сдвиг — в сопротивлении материалов — вид продольной деформации бруса, возникающий в том случае, если сила прикладывается касательно его поверхности (при этом нижняя часть бруска закреплена неподвижно).

Формула

Изгиб — вид деформации, при котором происходит искривление осей прямых брусьев или изменение кривизны осей кривых брусьев. Изгиб связан с возникновением в поперечных сечениях бруса изгибающих моментов.

Круче́ние — один из видов деформации тела. Возникает в том случае, если нагрузка прикладывается к телу в виде пары сил в его поперечной плоскости.

Формула:

Зако́н Гу́ка — уравнение теории упругости, связывающее напряжение и деформацию упругой среды. Открыт в 1660 году английским учёным Робертом Гуком. Поскольку закон Гука записывается для малых напряжений и деформаций, он имеет вид простой пропорциональности.

Формула:

№59

Структура жидкостей – это способ распределения ее частиц в пространстве. Если взаимное расположение молекул, атомов или ионов, входящих в состав жидкости, изучено, то ее структура считается известной. Экспериментальным методом исследования структуры является рентгенография.

Пове́рхностное натяже́ние — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объём системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический и силовой. Энергетическое определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости.

№60

Сма́чивание — это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости. Смачивание бывает двух видов:

• Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)

• Контактное (состоит из трёх фаз — твердая, жидкая, газообразная)

Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами взаимного сцепления молекул жидкости 

Капилля́рность — физическое явление, заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах. Поднятие жидкости происходит в случаях смачивания каналов жидкостями, например воды в стеклянных трубках, песке, грунте и т. п. Понижение жидкости происходит в трубках и каналах, не смачиваемых жидкостью, например ртуть в стеклянной трубке.

Благодаря капиллярности возможны жизнедеятельность животных и растений, различные химические процессы, бытовые явления (например, подъём керосина по фитилю в керосиновой лампе, вытирание рук полотенцем). Капиллярность почвы определяется скоростью, с которой вода поднимается в почве и зависит от размера промежутков между почвенными частицами.

Капиллярами называются тонкие трубки, а также самые тонкие сосуды в организме человека и других животных 

Жидкость – это физическое тело, обладающее двумя свойствами:

1.                          Обладает текучестью, благодаря которой она не имеет формы и принимает форму того сосуда, в котором она находится.

2.                          Она мало изменяет форму и объем при изменении давления и температуры, в чем она сходна с твердым телом.

 

№61

Тепловое расширение – это изменение размеров тела в процессе его нагревания при постоянном давлении.