Питання 25: Перший закон термодинаміки. Другий закон термодинаміки. Теорема Нернста. Недосяжність абсолютного нуля температур

Перший закон або початок термодинаміки. Спершу пригадаємо про те, що енергія постійно переходить з одного виду в інший. Перетворюючись, залежно від умов, з кінетичної в потенційну і назад, енергія з системи не йде. Однак нескладний приклад із маятником, якому надали прискорення, ставить під сумнів цю теорію. Перебуваючи в русі, маятник має кінетичну енергію, в крайніх точках амплітуди – потенційну. Теоретично такий рух не повинно мати кінця і краю, тобто бути нескінченним. На практиці ж ми бачимо, що рухи поступово згасають, маятник зупиняє свій хід. Відбувається це за рахунок опору повітря, яке обумовлює силу тертя при русі. У результаті та енергія, що повинна була надавати маятнику прискорення, витрачається на подолання повітряного перешкоди. Як наслідок, утворюється теплота. Згідно дослідам учених, температура підвісу і навколишнього середовища підвищується за рахунок хаотичного руху молекул речовини маятника і повітря.

Другий закон або початок термодинаміки. Сформований в 1850 р. ученим Р. Клаузіусом, він полягає в наступному спостереженні: внутрішній розподіл енергії в закритій системі змінюється хаотично таким чином, що корисна енергія зменшується, внаслідок чого збільшується ентропія.

Теорема Нернста (тепловая теорема Нернста) — утверждение, являющееся одной из формулировок третьего начала термодинамики, сформулированное Вальтером Нернстом в 1906 году как обобщение экспериментальных данных по термодинамике гальванических элементов.

Теорема Нернста утверждает, что всякий термодинамический процесс, протекающий при фиксированной температуре {\displaystyle T} в сколь угодно близкой к нулю, {\displaystyle T<T_{0}\to 0}, не должен сопровождаться изменением энтропии , то есть изотерма {\displaystyle T=0} совпадает с предельной адиабатой

Питання 26: Загальні властивості і структура рідини. Поверхневий шар рідини. Поверхневий натяг. Капілярні явища

Рідина – агрегатний стан речовини, проміжний між газоподібним і твердим. Рентгеноструктурний аналіз рідин також підтвердив, що характер розташування частинок рідини проміжний між газом і твердим тілом. У рідинах спостерігається ближній порядок в розташуванні частинок, тобто їх впорядковане розташування на відстанях, порівнянних з міжатомними, і твзагалі, дуже малі відстані між частинками. Для частинок рідини характерна велика рухливість. Ці чинники обумовлюють те, що рідини (подібно до твердих тіл) мають малу стисливість і легко (на відміну від твердих тіл) змінюють форму.

Оскільки молекули рідини розміщуються впритул одна до одної, то густина рідини набагато більша за густину газів (відстань між молекулами газу в сотні разів перевищує розміри самих молекул). Кожна молекула рідини протягом деякого часу коливається біля певного положення рівноваги, після чого стрибком переходить в нове положення, віддалене від початкового на відстань порядку міжатомного. Таким чином, молекули рідини поволі переміщкються по всій масі рідини і дифузія відбувається набагато повільніше, ніж в газах. З підвищенням температури рідини інтенсивність коливального руху різко збільшується, зростає рухливість молекул, що, в свою чергу, є причиною зменшення в'язкості рідини.

Рідинам властивий поверхневий натяг. Він обумовлений тим, що молекули поверхневого шару відчувають дещо іншу силу міжмолекулярої взаємодії, ніж молекули, які знаходяться всередині об'єму рідини.

Насправді, молекула всередині рідини з усіх боків рівномірно оточена

іншими молекулами, тому діючі на неї сили в середньому компенсуються.

Таким чином, результуюча сила, що діє на молекулу всередині рідини збоку інших молекул, дорівню нулю. Густина газоподібного середовища значно менша за густину рідини, тому молекула в приповерхневому шарі

менше притягується в бік молекул газу і більше – в бік молекул рідини.

Отже рівнодіюча сил, прикладених до кожної молекули поверхневого шару, нулю не дорівнює і направлена всередину. Молекули поверхневого шару рідини під дією результуючої сили втягуються всередину рідини, і число молекул, що знаходяться на поверхні, зменшується до тих пір, поки вільна поверхня рідини не виявиться мінімально можливою. Під дією поверхневого натягу рідина (за відсутності інших сил) приймає форму кулі (при заданому об'ємі це геометричне тіло має найменшу площу поверхні). Спостерігаючи найдрібніші крапельки, зважені в повітрі, можемо побачити, що вони дійсно мають форму куль, але дещо неідеальних через дію сил земного тяжіння. В умовах невагомості крапля будь-якої рідини (незалежно від її розмірів) має сферичну форму, що доведено в ході експериментів при космічних

польотах.

Сумарна енергія частинок рідини складається з енергії їх хаотичного (теплового) руху і потенційної енергії, обумовленої силами міжмолекулярної взаємодії. Для переміщення молекули з глибини рідини в поверхневий шар треба витратити роботу. Ця робота здійснюється за рахунок кінетичної енергії молекул і йде на збільшення їх потенційної енергії. Тому молекули поверхневого шару рідини мають більшу

потенційну енергію, ніж молекули всередині рідини. Ця додаткова енергія,

яку мають молекули в поверхневому шарі рідини, названа поверхневою енергією, пропорційна площі шару dS:

dP = αdS,

де α – коефіцієнт поверхневого натягу.