Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физика. В 2 частях. Ч.2. Молекулярная физика. Термодинамика. Электродинамика. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 103 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Кельвин

Цельсий

Фаренгейт

Кельвин, K

= °C +273,15

= (°F + 459,67) / 1,8

Цельсий, °C

= K − 273,15

°C

= (°F − 32) / 1,8

Фаренгейт,

°F

= K1,8 − 459,67

= °C 1,8 + 32

°F

Задания

Выучите новые слова и словосочетания:

температура термодинамическое равновесие абсолютный нуль температуры

??? Ответьте на вопросы.

1. Что называется тепловым равновесием?

2. Что называется температурой?

Таблица 1

термометр шкала Цельсия шкала Кельвина

3. Что такое абсолютный нуль температуры?

Упражнение 4. Решите задачи.

1. Перевести 35°C, 66°C, 127°C в Кельвины.

2. Определить среднюю кинетическую энергию одноатомного газа

при температуре 290 К.

3. Определить температуру газа, если средняя кинетическая

энергия поступательного движения его молекул равна 1,6·10

-19

Дж.

4. Найти среднюю кинетическую энергию поступательного

движения молекул аргона при температуре 1200 К.

§ 5. Внутренняя энергия тела

Одной из основных термодинамических величин является внутренняя энергия.

Внутренняя энергия – величина, характеризующая термодинамическое состояние тела, обусловлена движением и взаимодействием частиц, из которых состоит тело.

к.м

п.м

п.мк.м

EEU 



Сумма кинетической энергии теплового движения молекул

потенциальной энергии взаимодействия молекул

называется

внутренней энергией тела (системы):

Внутренняя энергия является функцией состояния системы. Для идеального газа U = U(T), т.к. молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом:

U =

где U – внутренняя энергия идеального газа, i – число степеней свободы.

Число степеней свободы – это число независимых направлений движения молекулы в пространстве.

Рассмотрим одноатомный газ. Молекула одноатомного газа (рис. 7, а) – материальная точка, положение которой в пространстве определяется тремя координатами. Молекула может двигаться в 3-х направлениях.

Рис. 7

Следовательно, имеет три степени свободы поступательного движения (i = 3) по направлению осей координат пространственной системы отсчёта. При этом энергию вращательного движения можно не учитывать.

Молекула двухатомного газа рассматривается как совокупность двух материальных точек, жестко связанных недеформируемой связью (рис. 7, б). Эта система, кроме трёх степеней свободы

mi

поступательного движения, имеет ещё две степени свободы вращательного движения (относительно осей Oz, Оy). Таким образом, двухатомный газ обладает пятью степенями свободы (i = 5).

Трехатомная (многоатомная) молекула имеет шесть степеней свободы (i = 6): три поступательных и три вращательных (рис. 7, в).

Изменение внутренней энергии идеального газа ΔU =

Изменение внутренней энергии системы возможно в результате совершения системой (или над системой) работы или вследствие подведения к системе тепла.

То есть возможны два способа изменения внутренней энергии:

1. В результате теплообмена. Теплообмен – это процесс

передачи внутренней энергии от одного тела к другому, не сопровождаемый совершением механической работы.

Мерой энергии, получаемой или отдаваемой телом в процессе теплообмена, является физическая величина, называемая

количеством теплоты Q.

Существует три вида теплообмена (рис. 8): теплопроводность, конвекция, излучение.

Рис. 8

Теплопроводность – передача энергии от более нагретых тел к менее нагретым телам или от более нагретых частей тела к менее нагретым в результате теплового движения частиц (рис. 9).

2. При совершении механической

работы над телом. Принято считать, что если система совершает работу против

действия внешних сил, то она

положительная, а работу, совершаемую внешними силами над данной системой, считают отрицательной.

Рис. 9

Теплопроводность различных веществ разная. Металлы обладают самой высокой теплопроводностью, причём у разных металлов теплопроводность отличается (рис. 10).

Жидкости обладают меньшей теплопроводностью, чем твёрдые тела, а газы меньшей, чем жидкости.

Излучение – перенос энергии с помощью электромагнитных волн.

Конвекция – перенос энергии потоками жидкости или газа

(рис. 11).

Рис. 11

Совершаемая работа и количество переданной теплоты являются мерой изменения внутренней энергии системы.

Рис. 10

Задания

Выучите новые слова и словосочетания:

внутренняя энергия

излучение

конвекция

теплопередача

теплообмен теплопроводность число степеней свободы

??? Ответьте на вопросы.

1. Какая энергия называется внутренней энергией?

2. Что такое число степеней свободы?

3. Как можно изменить внутреннюю энергию тела?

4. Что называется теплообменом?

5. Что такое теплопроводность?

6. Что называется конвекцией?

7. Что такое излучение?

Упражнение 5. Решите задачи.

1. Воздух массой 87 кг нагревается от 10°C до 30°C. Определить

изменение внутренней энергии воздуха. Молярную массу воздуха следует принять равной 2,9·10-2 кг/моль, а воздух считать двухатомным (идеальным) газом.

2. Какова внутренняя энергия 5 моль кислорода при 10°C?

3. В стальном баллоне находится гелий массой 0,5 кг при

температуре 10°C. Как изменится внутренняя энергия гелия, если его температура повысится до 30°C.

4. Какова внутренняя энергия гелия, заполняющего аэростат

объёмом 50 м3 при давлении 60 кПа?

constEi



AUQ 

§ 6. Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам

Если термодинамическая система обменивается теплом с

окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы.

Так как внутренняя энергия U определяется макроскопическими

параметрами, характеризующими состояние системы, то процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

Исследования многих учёных установили, что при всех изменениях в системе выполняется закон сохранения и превращения энергии: полная энергия изолированной системы остаётся

постоянной при любых изменениях, происходящих в этой системе.

Первое начало термодинамики – частный случай общего закона сохранения энергии:

Оно устанавливает закон взаимопревращения теплоты, энергии и работы и формулируется так: количество теплоты, сообщённое

системе, идёт на изменение её внутренней энергии и на работу, которую система совершает над внешними телами:

(7)

Выражение (7) – математическая запись первого закона термодинамики.

Рассмотрим применение первого закона термодинамики к различным процессам (табл. 2).

Процесс

Постоянная

Запись первого

Следствия из

величина

закона

термодинамики

первого закона

термодинамики

Изотермический

T = const

0U

0T

AQ 

при

00  AQ

;

00  AQ

при

Изохорический

V = const

0V

UQ 

00  UQ

;

0 VpA

Q = U(T2) − U(T1)

00  UQ

при

;00  AQ

Изобарический

p = const

0p

AUQ 

0U

;00  AQ

0U

Адиабатический –

процесс, в котором система не обменивается теплотой с окружающей средой

Q = 0

ΔU = –A

Таблица 2

Задания

Выучите новые слова и словосочетания:

закон термодинамики

адиабатический процесс

количество теплоты

??? Ответьте на вопросы.

1. Как читается первый закон термодинамики?

2. Чему равна работа, совершаемая газом?

3. Какой процесс называется адиабатическим?

4. Как записывается первый закон термодинамики для

изотермического процесса? Изобарического? Изохорического? Адиабатического?

Упражнение 6. Решите задачи.

1. На рисунке приведён график зависимости давления газа от

объёма. Найти работу газа при расширении.

2. Идеальный газ переходит из состояния 1 в состояние 4 так, как

показано на рисунке. Вычислить работу, совершаемую газом.

Рис. к задаче 1 Рис. к задаче 2

3. Какую работу совершает идеальный газ в количестве 2 моль при

его изобарном нагревании на 5°C?

4. При изотермическом расширении идеальным газом совершена

работа 15 кДж. Какое количество теплоты сообщено газу?

5. В закрытом баллоне находится газ. При охлаждении его

внутренняя энергия уменьшилась на 500 Дж. Какое количество теплоты отдал газ? Совершил ли он работу.

6. Для изобарного нагревания газа, количество вещества которого 400 моль, на 3000 К ему сообщили количество теплоты 5,4 МДж. Определить работу газа и изменение его внутренней энергии.

§ 7. Второй закон термодинамики.

Необратимость тепловых процессов

Первый закон термодинамики не даёт никаких указаний

относительно того, в каком направлении могут протекать тепловые процессы.

В природе же существует определённая направленность тепловых

процессов. В реальных процессах теплота всегда переходит от более нагретых тел к более холодным. Тепловой процесс идёт до тех пор, пока в изолированной системе не установится тепловое равновесие, т.е. температуры всех тел выравниваются. Обратный процесс

передачи тепла от более холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, но такой процесс никогда не наблюдается. Это свойство выражает второе начало термодинамики, которое характеризует направленность процессов в природе.

В формулировке Клаузиуса оно звучит так: невозможен процесс,

единственным результатом которого была бы передача теплоты от холодного тела к горячему.

В формулировке Томсона: невозможен процесс, единственным

результатом которого было бы отнятие от тела некоторого количества теплоты и превращение этой теплоты в работу.

С другой стороны, превращение механической энергии во

внутреннюю и внутренней – в механическую происходит неодинаково. Механическая энергия может превращаться во внутреннюю в любом количестве. Обратный переход – внутренней энергии в механическую – возможен лишь частично. Например, при сгорании топлива часть внутренней энергии превращается в механическую, а другая часть теряется на нагревание окружающей среды.

Неравноценность механической и внутренней энергии объясняется

тем, что механическая энергия связана с упорядоченным движением, а внутренняя – с неупорядоченным движением молекул.

Обычно всякий процесс, при котором система переходит из одного

состояния в другое, протекает таким образом, что нельзя провести этот процесс в обратном направлении так, чтобы система проходила через те же промежуточные состояния, и при этом в окружающих телах не произошли какие-либо изменения.

Задания

Выучите новые слова и словосочетания:

второе начало термодинамики

??? Ответьте на вопросы.

1. В каком направлении протекают тепловые процессы?

2. Сформулируйте второй закон термодинамики.

3. Что можно сказать о превращениях механической энергии во внутреннюю и наоборот?

§ 8. Количество теплоты. Уравнение теплового баланса

При соприкосновении тел, имеющих разные температуры, между

этими телами происходит теплообмен. С точки зрения молекулярно-

кинетической теории, это объясняется так: при теплообмене на границе между телами происходит столкновение медленно движущихся молекул менее нагретого тела с быстро движущимися молекулами более нагретого тела. Молекулы более нагретого тела имеют большую кинетическую энергию, чем молекулы тела, менее нагретого. При столкновениях молекул соприкасающихся тел

происходит процесс выравнивания их средних кинетических энергий. Молекулы более нагретого тела теряют часть своей кинетической энергии, при этом нагретое тело будет остывать. Кинетическая энергия молекул холодного тела возрастает, поэтому температура этого тела будет увеличиваться. В конечном итоге кинетические энергии молекул обоих тел сравняются и температуры тел станут одинаковыми. На этом теплообмен прекращается.

Энергию, которую тело получает или отдаёт в процессе

теплообмена, называют количеством теплоты.

Количество теплоты Q является энергетической величиной. В СИ, как и все другие виды энергии, количество теплоты измеряется в джоулях (Дж).

До введения СИ количество теплоты выражали в калориях. Калория – это количество теплоты, необходимое для нагревания 1 г дистиллированной воды на 1°С от 19,5°С до 20,5°С.

<<< < Предыдущая 1 23 / 103 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]