Термодинамика

Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы. Границы применимости закона о равномерном распределении энергии и понятие о квантовании энергии вращения и колебания молекул. Внутренняя энергия идеального газа. Работа газа при изменении объема. Количество теплоты. Теплоемкость. Уравнение Майера. Первое начало термодинамики. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам. Адиабатный процесс. Понятие политропного процесса.

Обратимые и необратимые процессы. Круговой процесс. Энтропия. Энтропия идеального газа. Статистическое толкование энтропии. Принцип возрастания энтропии. Второе начало термодинамики. Теорема Нернста. Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно. Максимальный коэффициент полезного действия тепловой машины.

Число степеней свободы молекулы

Числом степеней свободы тела называется число независимых координат, которые полностью определяют положение тела в пространстве.

Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы

на каждую степень свободы молекулы в среднем приходится одинаковая кинетическая энергия, равная 0,5kT

Границы применимости закона о равномерном распределении энергии и понятие о квантовании энергии вращения и колебания молекул

С помощью теоремы о равнораспределении можно делать количественные

предсказания. Как и вириальная теорема, она даёт полные средние кинетические и

потенциальные энергии для системы при данной температуре, из которых можно

вычислить теплоёмкость системы. Однако теорема о равнораспределении также

позволяет определить средние значения отдельных компонентов энергии, такие как

кинетическая энергия одной частицы или потенциальная энергия отдельной пружины.

В теореме утверждается, что каждая молекула одноатомного идеального газа,

находящегося в термодинамическом равновесии (или в состоянии, близком к

термодинамически равновесному), обладает средней кинетической энергией равной

(3/2)kBT, где kB — постоянная Больцмана, T — температура. В общем случае её можно

применять к любой классической системе, находящейся в состоянии теплового

равновесия, независимо от того, насколько она сложна. Теорема о

равнораспределении может использоваться для вывода уравнения состояния

идеального газа и закона Дюлонга — Пти, для определения удельной теплоёмкости

твёрдых тел. Её также используют в предсказании свойств звёзд, даже таких как

белые карлики и нейтронные звезды, поскольку закон равнораспределения остаётся

верен даже когда следует учитывать релятивистские эффекты.

внутренняя энергия идеального газа

Внутренняя энергия — это кинетическая энергия хаотического (теплового) движения частиц системы (молекул, атомов, ядер, электронов) и потенциальная энергия взаимодействия этих частиц.Внутренняя энергия идеального газа есть сумма кинетических энергий его частиц

Количество теплоты

Внутренняя энергия термодинамической системы может изменяться двумя способами: посредством совершения работы над системой и посредством теплообмена с окружающей средой. ...

Теплоёмкость тела— физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты δQ, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры δT: Единица измерения теплоёмкости в Международной системе единиц — Дж/К.

уравнение майера:- ур-ние, устанавливающее связь между теплоёмкостями при пост, давлении Cp и пост, объёме С V 1 моля идеального газа,где R- газовая постоянная. Впервые было получено Ю. P. Майером в 1842

первое начало термодинамики:Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе, то есть, оно зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход

адиабаатный процесс— термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается теплотой с окружающим пространством.Адиабатический процесс является частным случаем политропного процесса, так как при нём теплоёмкость газа равна нулю и, следовательно, постоянна. Адиабатические процессы обратимы только тогда, когда в каждый момент времени система остаётся равновесной (например, изменение состояния происходит достаточно медленно) и изменения энтропии не происходит

Обратимый процесс — термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений.Обратимый процесс можно в любой момент заставить протекать в обратном направлении, изменив какую-либо независимую переменную на бесконечно малую величину.Обратимые процессы дают наибольшую работу. Бо́льшую работу от системы вообще получить невозможно. Это придает обратимым процессам теоретическую важность. На практике обратимый процесс реализовать невозможно. Он протекает бесконечно медленно, и можно только приблизиться к нему.

Необратимым называется процесс, который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния. Все реальные процессы необратимы. Примеры необратимых процессов: диффузия, термодиффузия, теплопроводность, вязкое течение

Термодинами́ческие ци́клы(круговой процесс) — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела, совпадают.

Энтропия- это величина позволяющая установить в каком направлении "естественно"

потечет процесс или реакция. В системе без внешних воздействий энтропия может

только возрастать.

энтропия идеального газаесть параметр состояния, поскольку ее можно определить

через любую пару параметров состояния. В свою очередь, поскольку энтропия сама

является параметром состояния, используя ее в паре с любым независимым

параметром состояния, можно определить любой другой параметр состояния газа.

Статистическое толкование энтропии

Термодинамическая вероятность W состояния тела или системы - это число способов,

которыми может быть реализовано данное конкретное термодинамическое состояние

(макросостояние). Иначе говоря, это число всевозможных микрораспределений частиц

по координатам и скоростям (микросостояний), которыми может быть осуществлено

данное макросостояние. Формула Больцмана: S=k·lnW, где k - постоянная Больцмана. Энтропия системы определяется логарифмом числа микросостояний, с помощью, которых может быть реализовано данное макро состояние.

Энтропия является мерой неупорядоченности системы, - чем больше число

микросостояний, реализующих данное макросостояние, тем больше энтропия.

Пусть у нас имеется замкнутый объем, разделенный на две половины проницаемой

перегородкой (мембраной). В этом замкнутом объеме имеются четыре,

пронумерованные молекулы - 1,2,3,4, которые могут располагаться по разные стороны

мембраны.

Принцип возрастания энтропии. Все процессы в замкнутой системе ведут к

увеличению её энтропии. В замкнутой системе процессы идут в направлении от менее

вероятных состояний к более вероятным, до тех пор, пока вероятность состояния не

станет максимальной. В состоянии равновесия - наиболее вероятном состояния

системы - число микросостояний максимально, при этом максимальна и энтропия.

Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю (невозможно построить замкнутый цикл, проходящий через точку с нулевой температурой)Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Теорема Нернста— утверждение, являющееся одной из формулировоктретьего начала термодинамики, сформулированноеВальтером Нернстомв 1906 году как обобщение экспериментальных данных по термодинамике гальванических элементов.

Теорема Нернста утверждает, что всякий термодинамический процесс, протекающий при фиксированной температуре в сколь угодно близкой к нулю,, не должен сопровождаться изменениемэнтропии, то есть изотермасовпадает с предельной адиабатой.

Теплово́й дви́гатель— устройство, совершающее работу за счет использования

внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую

энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры.

Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики

Принцип работы теплового двигателя: от термостата с более высокой температурой T1,

называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q1, а термостату с

более низкой температурой T2, называемому холодильником

Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно,

работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых

максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают

соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно, за цикл

передается количество теплоты Q2. При этом совершается работа A=Q1-Q2

Из последнего выражения следует, что КПД тепловой машины, работающей по циклу

Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит ни от

устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела. Этот результат

составляет содержание первой теоремы Карно. Кроме того, из него следует, что КПД

может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна

абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля

(этот вопрос решается только третьим началом термодинамики, учитывать которое

здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он

вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм.

Поэтому максимальный КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД

тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и

холодильника. Это утверждение называется второй теоремой Карно. Оно даёт

верхний предел КПД любой тепловой машины и позволяет оценить отклонение

реального КПД от максимального, то есть потери энергии вследствие неидеальности

тепловых процессов.

Третье начало термодинамики(теорема Нернста) — физический принцип, определяющий поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному нулю. Является одним из постулатов термодинамики, принимаемым на основе обобщения значительного количества экспериментальных данных.Третье начало термодинамики позволяет находить абсолютное значение энтропии, что нельзя сделать в рамках классической термодинамики (на основе первого и второго начал термодинамики). В классической термодинамике энтропия может быть определена лишь с точностью до произвольной аддитивной постоянной S_0, что не мешает термодинамическим исследованиям, так как реально измеряется разность энтропий (S_0) в различных состояниях. Согласно третьему началу термодинамики, при T-> 0 значение S ->0.