4.8 Термодинамические параметры.

Термодинамические параметры и средние значения характеристик отдельных единиц являются величинами, которыми описывается состояние и поведение системы при термодинамическом и статическом методах рассмотрения системы, и они взаимосвязаны. Уравнение, выражающее связь давления идеального газа через среднюю и квадратичную скорость молекул, называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории идеального газа: р=(1/3)nm₀v²_ср.кв.

1. Р ̴ n, так как чем больше n , тем большее число молекул столкнется с единицей площади поверхности стенки за единицу времени;

2. P ̴ m₀, т.к. чем больше m₀, тем тем больший импульс получит стенка при каждом столкновении с ней каждой молекулы;

3. P ̴ v²_ср.кв., так как с увеличением v²_ср.кв, с одной стороны, увеличивается импульс, передаваемый стенке каждой молекулой при каждом столкновении, с другой стороны, увеличивается число столкновений молекул со стенкой в единицу времени.

Выражение основного уравнения молекулярно-кинетической теории можно представить в виде:

P = ⅔nW_{Kср.пост.} , где W_{Kср.пост.} – средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы (давление газов обусловлено только поступательным движением молекул). 2 закон Ньютона: Δp = F*Δt

Если система изолирована, то процесс переходит из менее в более вероятное состояние (равновесие). Термодинамическая вероятность определяется числом микросостояний, которыми может быть осуществлено данное макросостояние. Энтропия изолированной системы не может убывать. Она показывает направление процесса. Термодинамическое определение энтропии: dS=dQ/T. Изменение энтропии равно количеству теплоты, полученному системой в обратном процессе, деленному на температуру системы. dQ=dU+dA (если газ) .       Каждый из изопроцессов идеального газа характеризуется своим изменением энтропии, а именно:

изохорический:   , т.к.  ;

изобарический:   т.к. Р₁ = Р₂;

изотермический:   т.к.  ;

адиабатический:   , т.к. 

4.9 Уравнение идеального газа.

И деальный газ – газ, который состоит из точечных частиц с конечной массой (материальных точек), между которыми отсутствуют силы взаимодействия на расстоянии и которые сталкиваются друг с другом по закону упругого ударения шаров. Термическое уравнение состояний идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона): pV = νRT ν =N/N_A=m/M где ν – количество вещества, m – масса, М – молярная масса, N_A = 6,022*10²³ моль^-1 – постоянная Авогадро, R = 8,31 Дж/моль*К – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная термодинамическая температура. Закон Авогадро: при одинаковых значениях Р и Т идеальные газы имеют одинаковые молярные объемы. При нормальных условиях молярный объем идеального газа = 22,4*10^-3 м³/моль. В модели реального газа Ван-дер-Ваальса молекулы рассматриваются как абсолютно твердые слабо притягивающиеся друг к другу сферы определенного диаметра. Для моля газа объемом V при температуре Т и давлении р, уравнение Ван-дер-Ваальса имеет вид: ((р+а)/V_m²)(V_m-b)=RT , где R – газовая постоянная; a и b – экспериментальные константы, учитывающие отклонение свойств реального газа от свойств идеального газа. Изотермы идеального газа в координатах — гиперболы, расположенные на графике тем выше, чем выше температура, при которой происходит процесс . При изотермическом процессе системе, вообще говоря, сообщается определённое количество теплоты (или она отдаёт теплоту) и совершается внешняя работа. Альтернативный процесс, при котором теплообмен с окружающей средой отсутствует (термодинамическая система находится в энергетическом равновесии — система не поглощает и не выделяет тепло), называется адиабатическим процессом. На изотермах Ван-дер-Ваальса хорошо просматривается участок, где давление растет с ростом объема. Этот участок не имеет физического смысла. В области, где изотерма делает зигзагообразный изгиб, изобара пересекает ее три раза, то есть имеется 3 значения V при одинаковых значениях Р и Т. Это соответствует существованию трех действительных корней уравнения. При повышении температуры волнообразный участок уменьшается и превращается в точку. Эта точка называется критической, а значения Р_кр, V_кр и Т_кр в этой точке называются критическими параметрами. При температурах, превышающих критическую, изотермы Ван-дер-Ваальса становится монотонно убывающими функциями.

4.10 Внутренняя энергия. Энергия, которая связана со всевозможными движениями частиц системы и их взаимодействиями между собой, включая энергию покоя частиц и энергию, обусловленную взаимодействием и движением частиц, составляющих сложные частицы, называется внутренней. Она включает: кинетическую энергию, связанную с движением системы как целого, и потенциальную энергию системы во внешних полях. Теплота — это фактическое состояние передаваемой энергии, а не вещества. Термин «теплопередача» часто используется для описания передачи энергии, хотя термин «теплота» содержит аспект передвижения энергии. Тепловая энергия передается от одного тела другому всякий раз, когда у них различные температуры. Следующие три отношения управляют потоком тепловой энергии между телами: 1. Теплопередача всегда происходит от области более высокой температуры к области более низкой температуры. 2. Всякий раз, когда тело находится в тепловом равновесии с окружающей средой, температура тела и окружающей среды будет одинаковой. При таком условии не может быть никакой передачи тепловой энергии между телом и окружающей средой. 3. Теплопередача не может произойти спонтанно от холодного тела более теплому. Для теплопередачи в данном направлении необходимо применить к системе работу. Система машинного охлаждения — это пример системы, которая передает теплоту из более прохладного места в более теплое. Так как теплота — это энергия, и, следовательно, ее нельзя использовать или уничтожить, вся тепловая энергия одного тела должна быть поглощена другим телом или веществом, температура которых ниже. Теплопроводность, конвекция и излучение — это три способа теплопередачи. Интенсивность теплопередачи пропорциональна разнице температур тел. Процесс теплопередачи характеризуется количеством теплоты. Количеством теплоты (Q) называется изменение внутренней энергии тела, происходящее в результате теплопередачи. Количество теплоты измеряется в системе СИ в джоулях. [Q] = 1Дж. Удельная теплоемкость вещества показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы изменить температуру единицы массы данного вещества на 1°С. Единица удельной теплоемкости в системе СИ : [c] = 1Дж/кг·градусС.Согласно первому закону термодинамики, все сообщенное системе количество теплоты идет на изменение внутренней энергии системы. Классическая теория теплоемкости была создана Эйнштейном в 1907 г. при попытке объяснить экспериментально наблюдаемую зависимость теплоемкости от температуры. Предположения Эйнштейна: 1. Атомы в кристаллической решетке ведут себя как гармонические осцилляторы, не взаимодействующие друг с другом; 2. Частота всех колебаний всех осцилляторов одинакова; 3. Число осцилляторов в 1 моле вещества равно 3N_a ; 4. Энергия их квантована; 5. Число осцилляторов с различной энергией определяется распределением Больцмана: N=N₀exp (-ħωn/kT) Однако, теория Эйнштейна не достаточно хорошо согласуется с результатами экспериментов в силу неточности некоторых предположений Эйнштейна, в частности, предположения о равенстве частот колебаний всех осцилляторов.