Явления переноса

В физической кинетике изучаются процессы, возникающие в системе при нарушении равновесия.

М олекулы газа совершают тепловое движение и могут соударяться. Однако из-за сил отталкивания молекулы не могут подойти вплотную. Минимальное расстояние d, на которое сближаются центры молекул, называется эффективным диаметром.

Путь, который проходит молекула между двумя последовательными соударениями, называется длиной свободного пробега. Так как число молекул огромное, и они находятся в беспорядочном движении, вводят понятие о средней длине свободного пробега.

Средняя длина свободного пробега молекул

 ,

где   средняя арифметическая скорость молекул, z  среднее число столкновений за 1 секунду.

Среднюю длину свободного пробега молекул определяется соотношением

   . (4)

т. е. средняя длина свободного пробега молекул обратно пропорциональна концентрации n молекул.

Так как молекулы газа движутся хаотически, могут возникать неоднородности плотности, температуры и скорости движения молекул. Неоднородности выравниваются в результате процессов, которые называются явлениями переноса. Различают три явления переноса: диффузию, теплопроводность и внутреннее трение (вязкость).

Изучите эти явления.

Основы термодинамики

Термодинамический метод исследования рассматривает все процессы с энергетической точки зрения.

В основе термодинамики лежат фундаментальные законы, которые называют началами.

Согласно первому началу термодинамики, теплота, сообщенная системе, идет на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы против внешних сил.

Q = U + A,

где Q – количество теплоты, полученное системой; A – работа системы против внешних сил; U– изменение внутренней энергии системы при переходе системы из первого состояния во второе.

Работа расширения газа, который находится под давлением p, A = p V,

где. V – изменение объема газа при расширении.

Различают три изопроцесса: изохорный при V = const, изобарный при p = const и изотермический при T = const.

Изохорный V = const	Изобарный p = const	Изотермический T = const
V = 0, A = 0	A = p V =	A
Q = U =	U Q	U = 0 Q = A

Здесь C_V и C_p – теплоемкости газа при постоянном объеме и давлении; C_p – C_V = R.

Процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой, называется адиабатным процессом.

При адиабатном процессе Q = 0, тогда согласно первому началу термодинамики

A = –U .

  

Большое значение в термодинамике имеют круговые процессы.

Круговым процессом (или циклом) называется совокупность процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние.

Термодинамический процесс называется обратимым, если он может происходить в прямом и обратном направлении, причем при возвращении системы в исходное состояние ни в самой системе, ни в окружающей среде не происходит никаких изменений. Все реальные процессы необратимы.

Французский инженер Карно теоретически обосновал, что самым экономичным является обратимый цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат.

Рабочим телом цикла Карно является идеальный газ, который находится в сосуде с подвижным поршнем.

П редставим на диаграмме p-V цикл Карно. Он состоит двух изотерм 12 и 34 и двух адиабат 23 и 41.

В процессе 12 газ изотермически расширяется за счет теплоты Q₁, полученной от нагревателя.

В процессе 23 газ теплоизолируют от нагревателя и он адиабатически расширяется.

В процессе 34 газ приводят в контакт с холодильником. Он отдает холодильнику теплоту Q₂ и изотермически сжимается.

В процессе 41 газ теплоизолируют от холодильника. Он адиабатически сжимается.

Коэффициент полезного действия машины, работающей по циклу Карно,

,

A – полезная работа, совершаемая в результате цикла.

  

Первое начало термодинамики не позволяет установить направление протекания процесса.

Есть много процессов, которые не противоречат первому началу термодинамики, но на деле не осуществляются. Например, чайник, стоящий на льду, согласно первому началу термодинамики, может забрать у льда некоторое количество теплоты и закипеть. Однако это не происходит.

В середине 19 в. было сформулировано второе начало термодинамики.

Формулировка Клаузиуса: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

Формулировка Оствальда: невозможен двигатель, в котором вся полученная теплота превращается в работу.

Клаузиус ввел понятие об энтропии, которая характеризует состояние системы и обозначается буквой S.

Согласно принципу возрастания энтропии, любой необратимый процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы возрастает. Тем самым второе начало термодинамики определяет направление протекания процесса.