Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

02_Молекулярная_физика

.pdf
Скачиваний:
16
Добавлен:
04.03.2016
Размер:
646.75 Кб
Скачать

81

Теплообмен в изолированной системе протекает единственным образом: тепло передается от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.

п.2 Максимальный КПД тепловой машины

Рассмотрим цикл в координатах (TS). Разобьем его на участки 12 и 21.

Запишем

dS = dQT , dQ = TdS ,

Q = TdS.

На участке 12 энтропия возрастает, следовательно

Q = 2 TdS > 0 ,

1

2

Q1 = TdS ,

1

где Q1 - количество теплоты, полученное рабочим телом. На участке 21 очевидно, что

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q = TdS < 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q2

= 1

TdS ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

Q2

= −

 

Q2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Работа, совершаемая за цикл равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

КПД цикла равен

 

A = Q1

 

Q2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q1

 

Q2

 

 

 

 

 

 

 

 

Q2

 

 

η =

A

=

 

 

=1

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

82

Для увеличения КПД нужно уменьшать Q2 и увеличивать Q1 . Пусть T1 , T2 - температуры нагревателя и холодильника. Величина Q1 численно равна площади, ограниченной кривой 1а2. Чтобы ее увеличить, нужно чтобы участок 1а2 шел по прямой T1 . Величина Q2 численно равна площади под кривой 2в1. Для ее уменьшения необходимо, чтобы график шел по прямой T2 . В результате приходим к циклу: 12341.

Участки 12 и 34 это T1 = const и T2 = const , т.е. изотермическое расширение и сжатие. На участках 23 и 41 имеем

dS = 0 , dQ = TdS = 0 ,

dQ = 0 .

Следовательно, это участки адиабатического расширения и сжатия. График 12341 соответствует циклу Карно. Найдем КПД цикла

2

2

(S2 S1 )> 0 ,

Q1 = TdS = T1

dS = T1

1

1

 

Q2 = 4 TdS = T2 4 dS = T2 (S4 S3 )= T2 (S1 S2 )< 0 ,

3

3

 

= T2 (S2 S1 ),

 

 

Q2

 

 

 

 

 

η =1

 

Q2

 

 

=1

T2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

Теорема Нернста

Рассмотрим идеальный газ при 0К.

T= 0 ,

ε= 2i kT = 0 .

Все молекулы неподвижны. Каждой молекуле в фазовом пространстве соответствует одна фазовая ячейка, которую данная молекула не может покинуть.

Статистический вес молекулы равен единице

83

Г1 =1.

Статистический вес N молекул

Г = Г1 Г2 Г3 ...ГN =1 1 1...1 =1.

Энтропия системы

S = k lnГ = k ln1 = 0 .

При температуре 0 K энтропия всякой системы равна нулю. Это третье начало термодинамики или теорема Нернста.

84

ГЛАВА 7. ВЕРОЯТНОСТЬ СОСТОЯНИЯ

Математическая вероятность и вероятность состояния

Рассмотрим идеальный газ из N одинаковых молекул, находящихся в объеме V . Разделим этот объем на одинаковые объемы V.

Обозначим ω(1) - вероятность того, что одна молекула находится в этом объеме V. Если все объемы Vодинаковые, то ω(1) - вероятность нахождения молекулы в любом объеме V. Вероятность тог, что молекула находится в одном из объемов Vравна ω(1)+ω(1)+...+ω(1)= (1),

k = VV.

На событие, заключающееся в том, что молекула находится в одном из объемов V, принадлежащих объему V , есть достоверное событие, значит

(1)=1.

Величина в левой части имеет смысл времени, в течение которого N молекул соберутся в одной половине сосуда

t = ∆t ln(1ωn (N)). ln 121N

Для того чтобы считать такое событие возможным, положим

ωn (N)= 0.9 .

Кроме того, пусть выполняется условие

21N <<1.

Для этого достаточно, чтобы N > 5

ln(1± x)≈ ±x, x <<1,

85

ln 121N ≈ −21N ,

 

 

t = ∆t

ln0.1

= −∆t 2N ln0.1 = ∆t 2N ln10 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t =2N ∆t ln10 =2N ∆t .

 

 

 

 

Обозначим t - время, в течение которого все N молекул окажутся в одной

половине сосуда. Пусть время измерения ∆t =1c . Расчеты даны

 

N

 

5

 

 

10

 

 

 

100

 

 

105

1019

t,c

 

32

 

 

103

 

 

 

1032

 

 

2105

21019

 

 

 

 

 

 

 

 

V

ω(1)=1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначим

 

 

 

ω(1)= V .

 

 

 

 

 

ω(N) - вероятность того, что все N молекул находятся в

одном объеме V. По теореме умножения вероятностей

 

 

 

ω(N)

= ω

(1) ω(1)...ω(1)=

[ω(1)]

,

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

ω(N)= VN .V

Обозначим ω(N1, N2 )- вероятность того, что N1 молекул находятся в объеме V, а N2 молекул в остальном объеме (V V). Очевидно, что

 

 

VN1

 

V VN2

ω(N1

, N2 )=

 

 

 

 

.

 

V

 

 

V

 

 

Вероятности ω(1), ω(N), ω(N1, N2 )

 

есть

математическая вероятность

определенного события. Рассмотрим систему, в которой, например, 4 одинаковые молекулы. Пронумеруем их: 1,2,3,4.… Найдем вероятность того, что в объеме V- одна любая молекула, а в объеме (V V) остальные три.

 

 

1

 

3

 

V V V

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

ω(1,3)=

 

V

 

 

 

V

 

 

 

Проанализируем возможные распределения молекул по объемам Vи (V V). Каждое распределение характеризуется вероятностью ω(1,3).

Поскольку все молекулы одинаковые, то если рассматривать макросостояние данной системы, то совершенно неважно, какие именно молекулы находятся в объемах Vи (V V).

Таким образом, макросостоянию, которое можно обозначить (1,3) соответствует 4 комбинации, при которых в объемах Vи (V V) находятся 1 и 3 молекулы.

86

Обозначим ω(1,3) - вероятность макросостояния (состояния), при котором

в объеме V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

одна молекула, а в объеме (V V ) тир молекулы.

 

 

 

 

 

 

 

ω(1,3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ω(1,3) 4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обобщим результат. Рассмотрим макросостояние, при котором в объеме

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

находится N1 молекул, а в объеме (V V ) соответственно N2 молекул.

Обозначим z(N1, N2 ) - число комбинаций,

 

 

при которых в объемах V

 

 

 

и (V V )

находятся соответственно N1 и N2

любых молекул.

 

 

 

 

Обозначим ω(N1, N2 ) - вероятность данного состояния.

 

 

 

 

 

Тогда

ω(N1, N2 )

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

(N1, N2 ) z(N1, N2 ),

 

 

 

 

 

 

 

z(N1, N2 )=

(N1 + N2 )!

=

 

 

 

N!

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N !N

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N !N

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VN1 V

VN2

 

 

 

 

N!

 

 

 

 

 

 

 

ω(N1, N2 )=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

N1!N2!

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N = N1 + N2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наиболее вероятное распределение молекул

 

 

 

 

Разделим объем V пополам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V′ =

V

, (V V)=

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω(N1, N2 )=

 

1 N1

 

 

1 N2

 

 

N!

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N1!N2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем значение N1 , при котором ω(N1, N2 ) имеем максимум.

 

 

 

 

Проинтегрируем ω(N1, N2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 N1

 

 

 

1

N2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln ω(N1, N2 )= ln

 

 

 

+ln

 

 

 

+lnN!lnN!1 lnN2!.

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Логарифм есть положительная функция. Поэтому если ω(N1, N2 ) имеет

максимум,

 

то и ln ω(N1, N2 ) также

 

имеет

 

максимум. Применим

формулу

Стирлинга.

lnN!= N lnN .

Запишем

N2 = N N1 ,

87

ln ω(N1, N N1 )= −N1 ln2 (N N1 )ln2 + N lnN N1 lnN1 (N N1 )ln(N N1 ).

Продифференцируем по N1

с учетом того, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N = const ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d lnω(N1, N N1 )

= 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

dN1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(−1)

 

 

 

 

 

ln2 +ln2 lnN1

 

+ln(N N1 )(N N1 )

 

 

= 0 ,

 

1

 

 

 

 

 

N

(N N )

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln(N Ni )= ln N1 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N Ni

= N1 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N1

=

N

,

 

N2 =

 

 

N

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем ω(N1, N2 )max

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

N

 

1

N

 

 

 

N!

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

N!

 

 

 

 

 

ω(N1, N2 )

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

N

2N

 

N

N

max

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!

 

!

 

 

 

 

 

!

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

N!

 

 

 

 

N

ln

 

 

 

 

 

 

 

= lnN!2ln

 

!=

 

N

N

2

 

 

 

 

 

 

!

 

 

!

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

N

 

N

 

N

= N ln2 = ln2

N

N lnN 2

 

ln

 

= N lnN N ln

 

= N lnN ln

 

 

 

2

2

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

ω(N1, N2 )max = 21N 2N =1,

ω(N1, N2 )max = ω N , N =1.

2 2

Молекулы в одной половине сосуда

Разделим сосуд на две одинаковые части и будем наблюдать за одной из них. Пусть всего в сосуде находится N молекул.

 

 

1

N

1

0

N!

 

ω(N1, N2 )= ω1

(N,0)=

 

 

 

 

 

 

 

 

,

2

2

N!0!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0!=1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω1 =

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначим ω- вероятность того, что в соседней половине нет ни одной молекулы. Очевидно, что

ω1 +ω =1 ,

ω=1ω1 ,

ω=121N .

Обозначим

n - количество опытов по измерению тела молекул в обеих половинах сосуда. ωn(0) - вероятность того, что в n опытах в половине сосуда не окажется ни одной

молекулы.

88

Очевидно, что

ωn(0) = ω ω ω...ω = 121N n .

Обозначим ωn(N) - вероятность того, что в опытах в другой половине сосуда находится N молекул.

ωn(N) =1ωn(0) =1121N n ,

121N n =1ωn (N),

n ln 121N = ln(1ωn (N)),

n = ln(1ωn (N)). ln 112N

Пусть каждый опыт продолжается ∆t секунд. Умножим обе части на ∆t ,

∆t n = ln(1ωn (N)) ∆t . ln 11

2N

89

ГЛАВА 8. ЯВЛЕНИЕ ПЕРЕНОСА В ГАЗАХ

Столкновение молекул

В идеальном газе происходят столкновения между двумя молекулами. Одновременными столкновениями между тремя и большим числом молекул пренебречь.

Молекулы в газе могут сближаться на достаточно малые расстояния, при котором между ними возникают силы отталкивания. Молекулы при этом нужно представлять как упругие сферы радиусами r1 и r2 .

Столкновение молекул возможно только в случае, если центры молекул сблизятся на расстояние равное сумме радиусов (r1 + r2 ).

Минимальное расстояние между центрами двух молекул называется эффективным диаметром молекулы.

Характеристики соударений

Столкновения молекул являются случайными событиями. При столкновении скорость молекулы изменяется случайным образом, как по направления, так и по величине. Следовательно, в общем случае в промежутках между столкновениями молекула пролетает различные отрезки пути.

Расстояние, которое молекула проходит двумя последовательными столкновениями называется длиной свободного пробега.

Обозначим эту величину буквой l . Из вышесказанного следует, что l является случайной величиной и характеризуется функцией распределения.

f (l)=

1

 

 

l

 

exp

 

.

λ

 

 

 

 

λ

Вычислим среднее значение длины свободного пробега

1

 

 

l

l = l f (l)dl = l

 

exp

 

dl = λ .

λ

 

0

0

 

 

λ

Параметр λ в функции распределения f (l) имеет смысл средней длины свободного пробега молекулы.

Очевидно, что значение λ должно зависеть как от размеров молекул, так и от их тела.

Расчет дает

90

λ = 1d2n ,

где d - эффективный диаметр молекулы

n- концентрация молекул.

При нормальных условиях в газах

λ107 .

Промежуток времени между двумя последовательными столкновениями молекулы называется временем свободного пробега.

Эта величина также является случайной и можно определить среднее время свободного пробега τ. Расчет дает

τ = λυ ,

где υ - средняя арифметическая скорость молекул газа.

Частота столкновений (среднее число столкновений) молекулы есть величина равная среднему количеству столкновений молекулы в единицу времени.

Обозначим частоту столкновений z .

Запишем:

z =

1

=

 

1

 

=

υ

=

 

υ

 

 

= 2πd2n υ ,

 

τ

 

λ

 

λ

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

n

 

 

 

 

 

υ

 

 

 

2 πd

 

z = 2πd2n υ .

Диффузия в газах

Диффузией называется процесс самопроизвольного выравнивания концентрации вещества в системе. Пусть концентрация молекул газа n изменяется вдоль некоторого направления z .

Очевидно, что

dn

0 .

 

 

 

dz

 

 

 

 

dn(z)

 

 

 

 

 

Если

0 ,

то

существует

градиент

концентрации n вдоль

 

 

dz

 

 

 

 

 

направления

оси

z .

Проведем

мысленно

плоскую поверхность

перпендикулярную оси z и выделим участок поверхности, площадь которого обозначим dS .