Раздел II. Основы молекулярной физики и термодинамики

1. Внутренняя энергия системы как функция состояния. Работа, совершаемая газом. Количество теплоты. Эквивалентность теплоты и работы. Первое начало термодинамики и его применение к различным изопроцессам. Теплоёмкость газов

Состояние системы

Состояние макросистемы характеризуется величинами, которые называются термодинамическими параметрами (давление, объём, температура). Если эти параметры имеют определённые и постоянные значения для любой части макросистемы при низменных внешних условиях, то состояние системы называется равновесным.

Если система переходит из одного состояния в другое:

Любой процесс, т. е. переход системы из одного состояния в другое проходит через последовательность неравновесных состояний.

Но если процесс происходит очень медленно, то можно сказать, что система проходит через ряд равновесных состояний, и такой процесс называется равновесным или квазистатическим. Равновесный процесс можно осуществить в обратном порядке:

В нутренняя энергия системы как функция состояния

Внутренняя энергия – кинетическая энергия хаотического теплового движения всех молекул, потенциальная энергия взаимодействия между молекулами и внутримолекулярная энергия.

Внутренняя энергия является функцией состояния системы. Это значит, что всякий раз, когда система оказывается в состоянии с параметрами p, V, T, ей присуща вполне определенная внутренняя энергия U.

Изменение внутренней энергии при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от пути перехода, а зависит только от начального и конечного состояния.

Работа и количество теплоты

Внутреннюю энергию макросистемы можно изменить, совершив над системой работу внешними макроскопическими силами, либо передав некоторое количество теплоты путем теплопередачи.

• Работа, совершаемая макросистемой

Т.к. величина работы зависит от того, по какому пути происходит переход из точки 1 в точку 2, то работа не является функцией состояния.

Работа – это функция процесса, т. е. зависит от того, по какому пути происходит переход.

Если в результате перехода система возвращается в исходную точку, то такой процесс называется круговым (циклическим).

• Т еплопередача

Передача теплоты макросистеме не связана с перемещением внутри тела. Она осуществляется путем непосредственной передачи внутренней энергии от внешних тел макросистеме. Передача может осуществляться либо при непосредственном контакте, либо путем излучения. Энергия, передаваемая в результате теплообмена, называется количеством теплоты.

Количество теплоты является функцией процесса.

Первое начало термодинамики

Изменение внутренней энергии осуществляется за счет совершения над системой работы и подведения количества теплоты.

Теплоёмкость газов

Теплоемкость тела – количество теплоты, необходимое для того, чтобы изменить температуру на 1 К.

Удельная теплоемкость – количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг вещества, чтобы изменить температуру на 1 К.

Молярная теплоёмкость – количество теплоты, которое необходимо подвести в 1 моль вещества, чтобы изменить его температуру на 1 К.

– постоянная адиабаты

– адиабатный процесс

Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы

Степенями свободы называется число независимых координат, определяющих положение системы (для нашего случая – молекулы).

Если молекула одноатомная, то достаточно 3 поступательные степени свободы. Если молекула 2-атомная (жёсткая, типа гантели), то она имеет 5 степеней свободы (3 поступательные и 2 вращательные).

Если молекула нежёсткая, то возможны колебания атомов, и появляется колебательная степень свободы.

На одну степень свободы приходится:

, где i – число степеней свободы

Внутренняя энергия одного моля: