ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Липецкий государственный технический университет

Кафедра физики

и биомедицинской техники

Лекция № 08

по разделу «Молекулярная физика и термодинамика»

учебного курса «Общая физика»

для специальностей ЛП, СП, ЧМ, ХТ-5

1. Основы термодинамики

1. Внутренняя энергия термодинамической системы.

2. Закон Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы (закон равнораспределения)

3. Первое начала термодинамики.

4. Работа газа при его расширении.

5. Равновесные и неравновесные процессы.

6. Теплоемкость.

7. Работа при изопроцессах.

8. Адиабатический процесс.

9. Уравнение Пуассона.

10. Политропические процессы.

11. Круговой процесс(цикл).

12. КПД кругового процесса.

13. Обратимый и необратимый процессы.

14. Энтропия.

15. Второе и третье начала термодинамики.

16. Тепловые двигатели и холодильные машины.

17. Теорема Карно.

18. Цикл Карно.

Составил: _____________ Т.А.Герасименко

Липецк – 2014

Основы термодинамики

1. Внутренняя энергия термодинамической системы

Внутренняя энергия U — это энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер и т.д.) и энергия взаимодействия этих частиц.

К внутренней энергии не относятся кинетическая энергия движения системы как целого и потенциальная энергия системы во внешних полях.

Внутренняя энергия — однозначная функция термодинамического состояния системы — в каждом состоянии система обладает вполне определенной внутренней энергией. Поэтому, внутренняя энергия не зависит от того, каким образом система пришла в данное состояние.

При переходе системы из одного состояния в другое изменение внутренней энергии определяется только разностью значений внутренней энергии этих состояний и не зависит от пути перехода.

2. Число степеней свободы

Число степеней свободы — это число независимых переменных, полностью определяющих положение системы в пространстве.

Таблица. Число степеней свободы для идеального газа жестких

молекул (нет колеб.движ.).

Тип газа	Одноатомный	Двухатомный	Многоатомный
С хема строения молекулы
Число степеней свободы одной молекулы газа - i
Поступательных	3	3	3
Вращательных	—	2	3
Всего	3	5	6

В реальных молекулах нет жесткой связи между атомами в молекуле, поэтому необходимо учитывать также степени свободы колебательного движения атомов внутри молекулы.

Независимо от общего числа степеней свободы молекулы, три степени свободы всегда поступательные. На каждую из них приходится треть кинетической энергии поступательного движения молекулы (ε₀):

3. Закон Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы (закон равнораспределения).

Для системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия на каждую поступательную и вращательную степень свободы приходится в среднем кинетическая энергия, равная , а на каждую колебательную степень свободы — в среднем энергия, равная kT.

Энергия колебательных степеней свободы вдвое больше, поскольку колебательная система обладает равными по величине средними значениями как кинетической, так и потенциальной энергии.

Т аким образом, средняя энергия молекулы:

,

где i — сумма числа поступательных, числа вращательных и удвоенного числа колебательных степеней свободы молекулы:

i = i_пост + i_вращ +2·i_колеб

В классической теории рассматривают молекулы с жесткой связью между атомами; для них i совпадает с числом степеней свободы молекулы.

В идеальном газе молекулы между собой не взаимодействуют и их потенциальная энергия равна нулю. Поэтому внутренняя энергия одного моля идеального газа U_μ и произвольной массы т газа U будут соответственно: