
- •Молекулярная физика и термодинамика
- •1 Основные понятия и определения. Уравнение состояния идеального газа
- •1.1 Предмет и метод молекулярной физики и термодинамики Статистические и термодинамические методы исследования
- •1.2 Термодинамические системы. Термодинамические параметры и процессы
- •1.3. Температура
- •1.4 Уравнение состояния идеального газа
- •2 Первый закон термодинамики
- •2.1 Внутренняя энергия системы
- •2.2 Работа и теплота
- •2.3 Первый закон термодинамики
- •2.4 Работа при расширении или сжатии газа
- •2.5 Теплоемкость идеального газа
- •2.6 Изопроцессы идеального газа
- •Изохорный процесс, .
- •Изобарный процесс, .
- •Адиабатный процесс, .
- •Политропный процесс
- •3. Статистическая физика
- •3.1 Вероятность и средние значения величин
- •Характер теплового движения молекул
- •3.3 Число ударов молекул о стенку
- •3.4 Давление газа на стенку сосуда
- •3.5 Средняя энергия молекул
- •Внутренняя энергия и теплоемкость идеальных газов
- •3.7 Барометрическая формула
- •3.8 Распределение Больцмана
- •3.9 Функция распределения
- •3.1 Распределение Максвелла
- •3.11 Средние скорости молекул
- •4 Второй закон термодинамики
- •4.1 Обратимые и необратимые процессы
- •4.2 Круговые процессы.
- •4.3 Цикл Карно, теорема Карно, обратный цикл Карно
- •4.4 Энтропия
- •4.5 Принцип возрастания энтропии
- •4.6 Второй закон термодинамики
- •4.7 Статистический смысл II начала термодинамики
- •4.8 Энтропия и вероятность
2.5 Теплоемкость идеального газа
Из
опыта следует, что внутренняя энергия
идеального газа зависит только от
температуры. Отсутствие зависимости
от объема газа указывает на то, что
молекулы идеального газа не взаимодействуют
друг с другом, иначе бы во внутреннюю
энергию входило слагаемое, зависящее
от расстояния между молекулами, т.е., от
.
Значит, подавляющую часть времени
молекулы проводят в свободном полете.
Теплоемкостью
какого-либо тела называют величину,
равную количества тепла, которое нужно
сообщить телу, чтобы повысить его
температуру на 1К. Если сообщение телу
тепла
повышает его температуру на
,
то теплоемкость тела по определению:
.
Теплоемкость единицы массы вещества называют удельной теплоемкостью:
,
тогда, молярная теплоемкость:
,
а теплоемкость тела:
.
2.6 Изопроцессы идеального газа
Уравнение
первого закона термодинамики можно
записать для равновесных процессов
изменения его состояния в ином виде,
используя выражения для теплоемкости
однородного тела, откуда
или с учетом молярной теплоемкости:
.
Тогда первый закон можно записать в виде:
Применим его к различным изопроцессам идеального газа.
рис.3
Изохорный процесс, .
На
диаграмме
это
вертикальная прямая: 1 – 2 нагрев , а 1 -
3 охлаждение. Практически этот процесс
проводят, изменяя температуру газа,
находящегося в толстостенном сосуде с
неизменным объемом. В этом процессе
работа не совершается:
.
Вся теплота идет на изменение его
внутренней энергии.
,
(1),
где
-
молярная теплоемкость при постоянном
объеме. Из опытов известно, что
зависит от химического состава газа и
его Т. Для не очень широкой области
температур можно считать, что
=const.
При изохорном конечном нагреве газа от температуры Т1 до температуры Т2 изменение внутренней энергии равно
(2),
и теплота, сообщенная системе:
(3)
Для идеального газа внутренняя энергия это энергия теплового движения молекул, непосредственно не зависящая от объема (расстояния между молекулами), как в реальных газах. При расширении и сжатии газа его будет изменяться только за счет изменения кинетической энергии теплового движения, т.е., за счет температуры. Таким образом, соотношения (1) и (2) справедливы для любого процесса изменения состояния идеального газа, а не только изохорного. Внутренняя энергия газа зависит только от его массы, химического состава и температуры. Это подтверждается опытами Гей – Люссака и Джоуля.
Значит, для любого равновесного процесса изменения состояния идеального газа уравнение первого закона термодинамики имеет вид:
(4)
Изобарный процесс, .
Он реализуется при нагревании газа в цилиндре с подвижным поршнем, на который действует постоянное внешнее давление.
На рис. изображены процессы изобарного расширения газа при его нагревании (1-2) и изобарного сжатия при его охлаждении (2-3).
Элементарная теплота, сообщенная газу в изобарном процессе:
(5),
где
-
молярная теплоемкость при постоянном
давлении.
Элементарная работа, совершенная идеальным газом при этом:
(6),
учитывая уравнение Менделеева
–Клапейрона.
Из последнего уравнения можно выяснить смысл :
,
т.е. универсальная газовая постоянная
численно равна работе, совершенной
одним молем идеального газа при его
изобарном нагревании на 1К.
Подставим в первый закон выражения для и и найдем связь между и :
,
откуда:
(7) – уравнение
Майера для молярных теплоемкостей.
Отсюда видно, что при изобарном нагревании
газа к нему должна быть подведена большая
теплота, чем для такого же изохорного
нагревания, разность их равна работе,
совершенной газом при изобарном
расширении.
Работа газа при изобарном расширении при переходе из состояния 1 в состояние 2 , рис.
(8).
Если постоянная, то теплота, сообщенная газу в изобарном процессе:
(9),
а изменение внутренней энергии в
процессе:
(10).
Рис.4
3. Изотермический процесс, Т=const.
Может происходить в условиях, когда теплообмен между газом и внешней средой осуществляется при постоянной (конечной) разности температур. Для этого теплоемкость внешней среды должна быть велика и процесс расширения или сжатия должен идти весьма медленно (для квазиравновесия). Изотермическими являются процессы кипения, конденсации, плавления и кристаллизации химически чистых веществ, происходящих при постоянном давлении.
Для
идеального газа в этом процессе
выполняется закон Бойля – Мариотта:
,
графиком которого является гипербола,
рис. . Внутренняя энергия газа постоянна
в процессе, значит:
(11) , а
,
т.е., вся теплота, сообщенная системе, идет на совершение газом работы против внешних сил:
(12)
При
изотермическом расширении
,
к нему подводится теплота
,
газ совершает положительную работу,
,
рис. , процесс 1-2. При сжатии газа,
процесс 1-3, работа, совершенная газом
отрицательна, положительную работу при
этом выполняют внешние силы, От газа
отводится теплота
.
Теплоемкость
газа в изотермическом процессе
,
т.к.,
.
рис.5