Послідовність виконання роботи

1. Закрити кран К₂ (див. рис. 20.1). Провести нагнітання повітря у балон до тиску, що відповідає різниці рівнів у манометрі: 20-25 см (нагнітати повітря обережно, щоб не виплескати рідину з манометра).

2. Почекати, поки температура повітря в балоні досягне температури Т₁ навколишнього середовища. Виміряти різницю рівнів h₁, що встановилась.

3. Відкрити кран (або затискач) К₂ на короткий час. Швидкість зняття затискача повинна бути такою, щоб в перший момент, коли рівні рідини в манометрі зрівняються, сполучення з атмосферним повітрям було припинено. У момент відкриття крана повітря розширюється, тиск його в балоні стає рівним атмосферному Р₂ (при відкритті крана від різкої зміни тиску повітря в балоні можливе виникнення коливань рідини, яке швидко припиняється і не впливає на хід досліду).

4. Почекати, поки повітря в балоні, яке охолонуло при адіабатичному розширенні, нагріється до кімнатної температури Т₁, . Виміряти різницю рівнів манометра h₂, що встановилась.

5. Дослід повторити 8 - 10 разів і обчислити коефіцієнт Пуассона γ та зміну ентропії S. Знайти середнє значення γ та S, визначити похибку вимірювань.

6. Результати вимірювань занести до табл. 20.1.

Таблиця 20.1

Номер досліду

h1

h2

S

S_ср

Контрольні запитання

1. Якими параметрами характеризується стан даної маси газу?

2. Що називається тиском? Яка одиниця вимірювання тиску?

3. Який процес називається ізобаричним, ізохоричним, ізотермічним? Які закони визначають стан газу при цих процесах?

4. Запишіть рівняння Менделєєва–Клапейрона для І моль і для довільної маси газу.

5. Який процес називається адіабатичним?

6. Як і чому змінюється температура газу в балоні при проведенні досліду?

7. Поясніть фізичний зміст теплоємності.

6. Яка теплоємність більша – С_p або С_v , та чому?

9. Який існує зв’язок між С_p та С_v ?.

10. Поясніть відміну молярної теплоємності від питомої. В яких одиницях вони вимірюються?

11. Поясніть, що таке число ступенів свободи? Як це число пов’язане з показником γ ? Знаючи γ (з досліду), підрахуйте число ступенів свободи молекул повітря.

12. Дайте визначення І закона термодинаміки. Запишіть його математичне вираження. Поясніть як трансформується це вираження для різних процесах в газах.

1З. Дайте визначення ентропії і поясніть її фізичний зміст.

II закон термодинаміки

І закон термодинаміки виражає закон збереження енергії в загальному випадку. Якщо процес не відповідає І закону термодинаміки, то можна впевнено сказати, що такий процес не реалізується. Але може бути випадок, коли процес не протирічить І закону термодинаміки, але не може бути реалізованим. Наприклад, самочинний перехід енергії від менш нагрітого тіла до більш нагрітого можливий згідно І закону термодинаміки. Проте на практиці такий процес не відбувається.

Існують різні формулювання II закону термодинаміки, еквівалентні один одному. Щоби навести ці формулювання, необхідно ввести поняття "термодинамічна імовірність" та "ентропія".

Існують поняття про мікро- та макростани системи. Мікростан системи задається станом кожної відмінної одна від одної молекули, що до неї входять, а макростан характеризується лише кількістю молекул в тому чи іншому стані і не залежить від їх властивостей.

Термодинамічна імовірність стану - це число мікростанів системи відповідно до даного макростану (позначається W ).

Больцман визначив функцію, що характеризує міру хаотичності теплового руху, S, пропорційну логарифмові термодинамічної ймовірності W . Функція S називається ентропією системи, що розглядається.

Порівнюючи імовірності двох станів термодинамічної системи, можна відразу встановити спрямованість процесу, який можливий в даній системі: це буде перехід із менш імовірного в більш імовірний стан. Однак обчислення термодинамічної імовірності є складним завданням. Тому для термодинамічних розрахунків користуються ентропією.

Ентропія, як і термодинамічна ймовірність, - це фізична величина, яка характеризує спрямованість процесів в природі. Ці обидві величини можуть служити мірою невпорядкованості системи, яка складається з великої кількості частинок.

Больцман встановив, що

,

де S - ентропія; К - постійна Больцмана.

Ентропія є функцією стану системи і не залежить від способу переходу в цей стан. Для визначення ентропії використовується також інше рівняння (згідно формулюваню Клаузіуса) :

.

Отже, ентропія - це така функція стану системи, зміна якої S чисельно дорівнює кількості теплоти Q_обор, що надається системі в оборотному процесі, поділеній на абсолютну температуру.

Спрямованість теплових процесів визначається IIзаконом термодинаміки. Цей закон має декілька формулювань :

1) при всіх процесах, що протікають в макроскопічній системі, система самочинно не може переходити з більш ймовірного стану в менш ймовірний;

2) при всіх процесах, що протікають в макроскопічній системі, її ентропія або зростає, або залишається незмінною. S 0 – (закон зростання ентропії);

3) теплота ніколи не може переходити самочинно від тіл з більш низькою температурою до тіл з більш високою температурою;

4) у природі неможливий процес, результатом якого було б лише охолодження теплового резервуара і виконання еквівалентної механічної роботи без змін стану навколишніх тіл.

Функція стану –є фізичною характеристикою системи, зміна якої при переході системи з одного стану до іншого цілком визначається значенням параметрів початкового і кінцевого станів, і не залежить від виду відповідного цьому переходу термодинамічного процесу.

Найважливішими функціями стану системи є внутрішня енергія U, ентропія S, вільна енергія F. Всі ці величини є однозначними функціями стану систем, тобто при переході із стану 1 в стан 2, наприклад, зміна внутрішньої енергії ∆U не залежить від вигляду процесу:

.

Якщо система виконує коловий процес (коловим процесом, або циклом, називається такий процес, при якому система виходить з якогось термодинамічного стану і, зазнавши ряд змін, поверта­ється до початкового стану), то . Отже, повна зміна внутрішньої енергії системи в такому разі дорівнює нулю.

Рівноважний процес - це такий термодинамічний процес, при якому система проходить безперервний ряд рівноважних станів, тобто таких, в яких система без зовнішніх взаємодій може перебувати довгий час. При рівноважних адіабатичних процесах dQ = 0 та S=const ентропія не змінюється.

Підставляючи в рівняння І закону термодинаміки значення , одержимо:

.

Для оборотного ізотермічного процесу

;

.

Вираз (вільна енергія систем) є функцією стану системи.

Вільна енергія є мірою тієї максимальної роботи, яку б могла виконати ця система в оборотному ізотермічному процесі. Зв’язок між внутрішньою енергією системи U та вільною енергією F виражається співвідношенням

U = F + TS

З вищесказаного можемо зробити наступні висновки.

1. Внутрішня енергія системи дорівняє сумі вільної енергії та зв’язаної енергії TS.

Зв’язана енергія TS є тією частиною внутрішньої енергії системи, яка не може бути переведена в ізотермічному процесі в роботу. Це немов би "знецінена" частина внутрішньої енергії, яка тим більша, чим більша ентропія. Тому можна вважати, що ентропія є мірою "знеціненої" енергії (розуміється робота).

2. При ізотермічному процесі в роботу перетворюється лише вільна енергія системи,

3. Чим більша ентропія системи S, тим менша вільна енергія системи.

Межі застосування П закону термодинаміки:

1. П закон термодинаміки має імовірнісний характер. У ньому ведеться мова про термодинамічну імовірність, яка характеризує спрямованість процесів в природі.

2. За П законом термодинаміки в ізольованій системі відбуваються лише такі процеси, внаслідок яких вона переходять у стан термодинамічної рівноваги, а ентропія системи набуває максимального значення. Воно стосується лише макроскопічних систем, які складаються з величезної кількості молекул.

3. Поширення цих тверджень на Всесвіт є безпідставним і хибним.

Лабораторна робота № 21