Термодинамика и молекулярная физика

Раздел 1. Термодинамика

Термодинамика - феноменологическая теория. Она изучает явления и свойства

макроскопических тел, связанные с превращением энергии и не рассматривает их внутреннее строение. Термодинамика изучает превращение энергии не только в тепловых процессах, но и в электрических, химических, магнитных и других.

Термодинамика как физическая теория построена по методу принципов. В её основе лежат начала.

§ 1 Основные понятия и законы термодинамики.

Термодинамическая система. Термодинамической системой называется тело или совокупность тел, обменивающихся энергией между собой и с внешними телами. Если обмена с внешними телами нет, то система называется изолированной. Например, можно считать изолированной системой воздух, который находится в аудитории, где закрыты все окна и двери.

Состояние термодинамической системы определяется рядом параметров, например.

температура, давление, объём, плотность, вязкость и т.д. Состояние системы может быть равновесным и неравновесным. Состояние термодинамической системы называется равновесным, если при отсутствии внешних воздействий с течением времени все параметры остаются неизменными. Изолированная термодинамическая система с течением времени всегда приходит в равновесное состояние.

Термодинамическим процессом называется переход термодинамической системы из равновесного состояния в другое равновесное состояние под влиянием внешнего воздействия.

Уравнения, устанавливающие взаимосвязь термодинамических параметров системы, могут быть записаны только для состояния термодинамического равновесия. Графически можно изобразить только равновесное ( квазистатическое) состояние и равновесный ( квазистатический) процесс.

Идеальный газ - система, характеризуемая внешним параметром (объём) и внутренними параметрами (температура и давление) или идеальный газ - газ, у которого при изотермическом процессе ( постоянная температура ) давление обратно пропорционально объёму при постоянной массе.

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона - Менделеева ):

,

где m - масса газа. p, V, T - параметры равновесного состояния, R - универсальная газовая постоянная. R = 8,31 Дж/(моль · К); - молярная масса этого газа.

Частные случаи уравнения представлены в табл. 1 изопроцессов.

Таблица 1

Название процесса	Постоянная величина	Уравнение
Изотермический	Т - const	pV = const (закон Бойля – Мариотта)
Изохорный	V - const	= const (закон Шарля)
Изобарный	р - const	(закон Гей-Люссака)

Температура - внутренний параметр состояния термодинамической системы. Характеризует состояние теплового равновесия системы.

Удельная теплоёмкость вещества - величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг вещества на 1К: с = .

Молярная теплоёмкость - величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 моля вещества на 1 К: , где - количество вещества, выражающее число молей.

Удельная теплоёмкость связана с молярной соотношением: C_m = c*µ.

Уравнение Майера: C_p = C_v + R,

где C_p - молярная теплоёмкость газа при постоянном давлении, C_v - молярная теплоёмкость газа при постоянном объёме.

Число степеней свободы ( i ) - число независимых координат полностью определяющих положение системы в пространстве. Для одноатомного идеального газа положение молекулы однозначно определяется 3 -мя координатами и число степеней свободы рано 3. Для двухатомного газа число степеней свободы равно 5.

C_v = i*R/2.

Внутренняя энергия - функция состояния системы, однозначно определяемая параметрами состояния. Внутренняя энергия всегда отлична от нуля, даже при температуре абсолютного нуля. Внутренняя энергия пропорциональна температуре

Закон Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы: для статистической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия. на каждую поступательную и вращательную степень свободы приходится в среднем кинетическая энергия равная kT/2 , а на каждую колебательную степень свободы - в среднем энергия, равная kT.

Внутренняя энергия для случая одноатомного идеального газа может быть вычислена по формуле: .

Формулы для вычисления характеристик изолированной термодинамической системы в равновесном состоянии для различных частных случаев представлены в табл. 2.

Таблица 2

Параметр	Изохорный процесс процесс	Изотермический процесс	Изобарный процесс	Адиабатный процесс
р			p - const
V	V - const
Т		Т = const
Q		Q = А’		Q = 0
А’	А’ = 0	А’ = 0	A’ = p ΔV	А’ = - ΔU