- •2. Термодинамика идеального газа
- •Первое начало в форме конечной разности.
- •Адиабатический процесс
- •Работа при адиабатическом и изотермическом процессах.
- •I. Для бесконечно малого количества теплоты , переданного системе обратимым образом, существует интегрирующий множитель, такой, чтоесть дифференциалнекоторой функции состояния системы (энтропии).
- •Заключительная часть
МЧС России
Санкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы
Утверждаю
Начальник кафедры физики и теплотехники, полковник вн.сл. Иванов А.Н.
(должность, звание, ФИО)
«13» октября 2008 года
ЛЕКЦИЯ
по учебной дисциплине «Физика»
Специальность 280104.65 - Пожарная безопасность
Заочное отделение, 6 лет
Тема № 7 «Основы молекулярной физики и термодинамики»
Обсуждена на заседании кафедры
Протокол № 2/10 от
«13» октября 2008 года
Санкт- Петербург
2008
I. Цели занятия
1. Образовательная – изучение понятий и законов раздела основы молекулярной физики и термодинамики
2. воспитательные
- применение рассмотренных явлений в пожарной безопасности
- повышение квалификации сотрудников ГПС
II. Расчёт учебного времени
Содержание и порядок проведения занятия |
Время, мин. |
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Учебные вопросы 1. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. 2. Термодинамика идеального газа ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ |
5 170
80
90 5 |
III. Литература
Основная:
1. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2003, с.81-118.
Дополнительная:
Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1989, Т.1.
Трубилко А.И., Звонов В.С., Поляков А.С., Дятченко А.А. Электричество. Пособие для самостоятельной работы - СПб.: СПбИПБ МВД России, 1998.
IV. Учебно-материальное обеспечение
Технические средства обучения: мультимедийный проектор, интерактивная доска.
V. Текст лекции
Вводная часть. Ставятся цели занятия.
Учебные вопросы
1. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа.
Различают три агрегатных состояния вещества твердое, жидкое и газообразное. Газообразное состояние является наиболее простым, т. к. в этом случае силы, действующие между молекулами, очень малы, и при определенных условиях ими можно пренебречь. В настоящем курсе молекулярной физики в основном рассматриваются свойства газов. При этом сначала мы будем полагать, что межмолекулярные силы в них не только малы, но и полностью отсутствуют. Пренебрежем также размерами молекул, т. е. будем считать их материальными точками. При таких допущениях молекулы газа должны считаться совершенно свободными. Это означает, что, как и тела, не подверженные действию каких-либо сил, они движутся прямолинейно и равномерно. Следовательно, каждая молекула ведет себя так, как будто других молекул в сосуде нет. Газ, обладающий такими же свойствами, как и совокупность невзаимодействующих материальных точек, называется идеальным газом. Более строго: под идеальным газом понимается система, в которой можно пренебречь энергией взаимодействия частиц (атомов или молекул) по сравнению с их кинетической энергией. В такой системе частицы в основном движутся прямолинейно и равномерно, испытывая кратковременные столкновения друг с другом и со стенками сосуда, в котором газ заключен.
Уравнение, связывающее три величины давление , объеми температуругаза, для данной его массы называетсяуравнением состояния. В общем виде оно может быть записано следующим образом: . Это значит, что состояние газа определяется только двумя независимыми параметрами (например, давлением и объемом), третий параметр однозначно определяется двумя другими.
Всякий газ, если он достаточно разрежен, подчиняется закону Клапейрона
. (1)
Здесь масса газа, молекулярный вес, универсальная газовая постоянная. Величина
(2)
представляет собой число киломолей в данной массе газа. Если ввести понятие молярного объема . т. е. объема, приходящегося на один киломоль газа
, (3)
то уравнение (1.1) примет вид
, (4)
универсальный для всех сортов газов. Уравнение (1) (или (4)) представляет собой уравнение состояния идеального газа.
Единицы измерения:
,
,
,
,
,
.
Отсюда вытекает размерность газовой постоянной: и численное значение в системе единиц СИ:
. (5)
Из (1.4) легко получить как частный случай известные законы идеальных газов.
1) Закон Бойля Мариотта
При .
. (6)
Это – изотермы При малых объемах газ в действительности перестает быть идеальным.
2) Закон Гей-Люссака Шарля
При .
(7)
Это – изобары. График изобары имеет вид прямой, исходящей из начала координат
3) Закон Гей-Люссака
При .
(8)
Процесс, происходящий при постоянном объеме, называется изохорическим. График изохоры, как и график изобары, представляет собой прямую, исходящую из начала координат
2. Термодинамика идеального газа
Изменение состояния и работа.Возьмем какое-либо физическое тело. Будем называть его системой. С точки зрения физики система характеризуется своим состоянием. Состояние характеризуется совокупностьюпараметров (внешних и внутренних).
Всякая система, поставленная в определенные внешние условия, рано или поздно приходит в состояние термодинамического (статистического) равновесия.Это утверждение можно рассматривать как один из основных постулатов статистической физики.
В понятие определенных внешних условий входит, во-первых, задание положений (координат) внешних по отношению к системе тел, определяющих силы, действующие на частицы системы. Эти координаты (положения) внешних тел называются внешними параметрами.В случае однородной изотропной системы вместо задания координат стенок сосуда, внутри которого заключена система, в качестве внешнего параметра можно ввести просто объем системы. В тех случаях, когда внешние тела создают в системе протяженные полямагнитные, электрические, гравитационные,в качестве внешних параметров выбираются напряженности самих полей.
Наряду с внешними параметрами будем различать внутренние параметрывеличины, характеризующие свойства самой системы. Например, к их числу относится давление, которое для однородной и изотропной системы при отсутствии внешних полей зависит от объема и температуры (или энергии) системы. К числу внутренних же параметров принадлежит степень диссоциации молекулярного газа, зависящая от его плотности (объема) и температуры. Вообще говоря, внутренние параметры зависят от внешних параметров и температуры (или энергии) системы.
В состоянии термодинамического равновесия системы ее внутренние параметры имеют, при заданных внешних параметрах и температуре (энергии),определенные численные значения(с точностью до малых флуктуаций, обусловленных молекулярной структурой системы).
Рассмотрим простейшую систему идеальный газ. Если считать массу газа заранее заданной, например,, то параметрами, характеризующими состояние этой системы, будут давление, объеми температура. Они связаны уравнением состояния идеального газа (1.4): . Таким образом, независимыми будут любые два из них. Варьируя параметры можно приводить систему в разные состояния.
1.Опыты Джоуля показали, что при переходе механической работы в тепло 1) одинаковое количество работывсегдадает одинаковое количество тепла; 2) тепло пропорционально работе.
4,184 дж1калория, (9)
где 1 калорияколичество тепла, нагревающего 1гводы в интервале температур отдо.
Замечание:количество тепла измеряется при этом исходя из формулы:.
2.Если мы будем переводить систему (газ) из состояния 1 в 2 и учитывать при этом не только работу (зависящую от пути перехода), но и переданное тепло (тоже зависящее от пути перехода), то в сумме совершенная над газом работа и сообщенное ему тепло не зависят от пути перехода. Значит, их сумма является функцией, зависящей только от состояний 1 и 2.Этаоднозначнаяфункция состояниявнутренняя энергия системы
Отсюда мы приходим к первому началу термодинамики, которое является обобщением закона сохранения механической энергии: при любых возможных способах перехода из состояния 1 в 2 сумма механических эквивалентов всех внешних воздействий остается неизменной.
В дифференциальной форме:
, (10)
здесь работа, совершаемая внешними силами над газом, а- теплота, сообщаемая газу.
Таким образом, при феноменологическом развитии термодинамики 1-ое начало постулируетдля системы существование некоторой функции состояния, называемой внутренней энергией, которая может меняться как за счет работы, совершаемой над системой, так и за счет теплоты, ей передаваемой .