МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА_пособие

но оси х); D- коэффициент диффузии; dρ - градиент плотности,

dx

равный скорости изменения плотности на единицу длины х в направлении нормали к этой площадке. Знак минус показывает, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности. Коэффициент диффузии:

D1νλ . 3

Механизм возникновения внутреннего трения между параллельными слоями газа (жидкости), движущимися с различными скоростями, заключается в том, что из-за хаотического теплового движения происходит обмен молекулами между слоями, сопровождающийся переносом импульса молекул в направлении движения слоев. В результате возникает торможение слоя, движущегося быстрее, и ускорение слоя, движущегося медленнее, что и составляет суть внутреннего трения.

Экспериментально установлено, что модуль силы внутреннего трения, приложенной к слоям, подчиняется закону Ньютона:

F η dv S, dx

где η - коэффициент вязкости; dv - градиент скорости в направле-

dx

нии, перпендикулярном к слоям; S- площадь слоев(рис. 7).

X

Z Y

Рис.7. Иллюстрация закона Ньютона

Коэффициент вязкости численно равен силе внутреннего тре-

ния при dv c 1 и S 1м2 . В системе СИ единицы измерения коэффи-

dx

циента вязкости:

η Па с Н с . м2

Коэффициент вязкости зависит от средней скорости молекул и длины их свободного пробега:

20

Из формулы (18) с учетом выражения (15) для средней скорости молекул получим следующее выражение для коэффициента вязкости:

η2 p2Mλ . 3 πRT

21

2.ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

2.1.Внутренняя энергия системы. Степени свободы

молекул

Важной характеристикой термодинамической системы является ее внутренняя энергия. Как известно, энергия тела состоит из кинетической энергии движения тела со скоростью v и потенциальной энергии тела во внешних силовых полях (гравитационном, магнитном и т.д.):

Согласно МКТ, все тела состоят из молекул, которые находятся в состоянии непрерывного, хаотического движения, то есть обладают кинетической энергией, а вследствие взаимодействия между собой обладают потенциальной энергией взаимодействия.

Внутренняя энергия – суммарная энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы и энергия взаимодействия этих частиц.

Внутренняя энергия - однозначная функция термодинамического состояния системы (при переходе системы из одного состояния в другое изменение внутренней энергии определяется разностью значений внутренней энергии этих состояний и не зависит от пути перехода).

Как известно из механики, движение тел (или материальных точек) происходит в пространстве и во времени. Любое движение тела можно представить как комбинацию поступательного и вращательного движений. Положение тела в каждый момент времени характеризуется числом степеней свободы.

Рис. 8. К определению числа степеней свободы для одноатомной (а), двухатомной (б) и трехатомной (в) молекулы

22

Число степеней свободы молекулы – число независимых пе-

ременных (координат), полностью определяющих положение системы в пространстве.

Молекулу одноатомного газа (в виду ее малости) можно рассматривать как материальную точку, которой приписывают три степени свободы поступательного движения: i iПОСТ. 3 (рис.8,а).

Средняя кинетическая энергия поступательного движения одноатомной молекулы идеального газа:

Вращательные степени свободы в данном случае не учитываются, так как момент инерции данной молекулы относительно каждой из осей: IX mr2 , IY mr2 , IZ mr2 , расстояние до осей вращения

Молекула двухатомного газа рассматривается как совокупность двух материальных точек, жестко связанных недеформируемой связью (рис.8,б). Кроме трех поступательных степеней свободы, у такой молекулы появляются две вращательные степени свободы относительно осей OY и OZ: i iпост. iвращ. 5.

Трехатомная и многоатомная нелинейные молекулы имеют шесть степеней свободы: три поступательных и три вращательных

(рис.8,в):

i iпост. iвращ 6.

На самом деле, жесткой связи между атомами не существует. Атомы в молекуле могут сближаться и расходиться, то есть могут совершать колебания около положения равновесия. Энергия колебательного движения молекулы является суммой кинетической и потенциальной энергий, средние значения которых одинаковы. Таким образом, для реальных молекул необходимо учитывать также степени свободы колебательного движения.

В классической статистической физике выводится закон Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням сво-

боды молекул: для статистической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, на каждую поступательную и вращательную степени свободы приходится в среднем кинетическая

энергия, равная kT , а на каждую колебательную степень свободы –

2

в среднем энергия, равная kT . Средняя энергия молекулы:

ε i kT , 2

где i iпост. iвращ. 2iколеб. .

23

Экспериментально установлено, что для молекулярного водорода при низкой температуре (≈50К) проявляются только поступательные степени свободы, при комнатной температуре (≈300К) добавляются вращательные, и лишь при высоких температурах (более 3000К) проявляются колебательные степени свободы.

Внутренняя энергия идеального газа складывается только из кинетических энергий всех молекул в данном объеме, так как потенциальной энергией взаимодействия молекул, согласно допущениям модели идеального газа (п. 1.3), можно пренебречь.

Для одного моля идеального газа:

Внутренняя энергия для произвольной массы идеального

газа:

U Umν i m RT. 2 M

2.2. Первое начало термодинамики. Удельная и молярная теплоемкости

Внутренняя энергия системы может изменяться в результате различных процессов, например совершения над системой работы, либо теплообмена системы с окружающей средой.

При взаимодействии тел происходит переход энергии из одного вида в другой, а также обмен механической и внутренней энергией. При нагревании газа под поршнем энергия теплового движения молекул переходит в механическую энергию движения поршня. При соприкосновении тел передается их внутренняя энергия, энергия теплового движения молекул. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии, получивший назва-

ние первого начала термодинамики:

количество теплоты ΔQ, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии ΔU и на совершение системой работы A .

Количество теплоты ΔQ считается положительным, если тепло передается из окружающей среды данной системе, механическая работа A считается положительной, если система производит работу над окружающими телами.

Первое начало термодинамики можно представить в дифференциальной форме:

δQ dU δA,

24

где δQ- бесконечно малое количество теплоты (не является полным дифференциалом); dU- бесконечно малое изменение внутренней энергии системы (полный дифференциал); δA- элементарная работа (не является полным дифференциалом).

Согласно (19), единицы измерения количества теплоты в СИ: Q Дж .

Удельная теплоемкость вещества – величина, равная коли-

честву теплоты, необходимому для нагревания 1 кг вещества на 1 К:

c δQ . mdT

Молярная теплоемкость - величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 моля вещества на 1 К:

Связь удельной и молярной теплоемкости:

Cm cM ,

где M - молярная масса вещества.

2.3. Работа газа при изменении объема. Теплоемкость при постоянном объеме и давлении

Работа газа (при сообщении ему некоторого количества теплоты) по перемещению поршня на бесконечно малое расстояние

(рис.9):

Рис.9. Работа газа по перемещению поршня

25

Первое начало термодинамики для 1 моль газа с учетом (20) и (21) примет вид:

CmdT dUm pdVm .

Если газ нагревается при постоянном объеме или давлении, то различают молярную теплоемкость соответственно при постоянном объеме и при постоянном давлении:

CV dUm , dT

CP dUm PdVm . dT dT

Из полученных зависимостей, используя уравнение (6), получаем уравнение Майера, связывающее CP и CV :

CP CV R .

Это выражение показывает, что CP всегда больше CV на величину R (при нагревании газа при постоянном давлении требуется дополнительное количество теплоты на совершение работы расширения газа).

Связь молярных теплоемкостей с числом степеней свободы молекул газа имеет вид:

При рассмотрении термодинамических процессов важно знать характерное для каждого газа отношение:

γCP i 2 ,

CV i

где - постоянная Пуассона.

Из выражений (22) следует, что теплоемкости не зависят от температуры. Это утверждение справедливо в довольно широком интервале температур лишь для одноатомных газов. Уже у двухатомных газов число степеней свободы зависит от температуры.

2.4. Применение первого начала термодинамики

кизопроцессам. Адиабатный процесс. Политропный

процесс

1. Изотермический процесс (рис.10,а). Изменение внутрен-

ней энергии при изотермическом процессе не происходит. Все количество теплоты, переданное системе, согласно формуле (19), идет на совершение работы: ΔQ A .

Полная работа A , совершаемая газом при изменении его объема от V1 до V2 :

26

2. Изобарный процесс (рис.10,б) - процесс, протекающий при постоянном давлении. Первое начало термодинамики для изобарного процесса:

ΔQ CV m RΔΔ PΔΔ CP m ΔT. M M

в)

Рис.10. Изотермический (а), изобарный (б) изохорный (в) процесс

3. Изохорный процесс (рис.10,в). При изохорном процессе газ не совершает работы. Первое начало термодинамики для изохорного процесса:

ΔQ ΔU .

27

Изменение внутренней энергии системы при изохорном процессе:

m

ΔU M CVΔT .

4. Адиабатный процесс - процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой (ΔQ 0). Все быстропротекающие процессы можно отнести к адиабатным.

Адиабатный процесс описывается уравнением Пуассона, которое в переменных P,V , T,V , T,P имеет вид соответственно:

PVγ const, TV γ 1 const , TγPγ 1 const.

Рис.11. Адиабатный процесс

Диаграмма адиабатического процесса (адиабата) в координатах (p,V) изображается более крутой гиперболой, чем изотерма (рис.11). Это объясняется тем, что при адиабатическом сжатии увеличение давления газа обусловлено не только уменьшением его объема, как при изотермическом сжатии, но и повышением температуры. Первое начало термодинамики для адиабатного процесса (внешняя работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы):

A ΔU , или PΔΔ m CVΔT. M

5. Политропный процесс – процесс, в котором теплоемкость остается постоянной:

PVn const ,

где n - показатель политропы:

n C CP . C CV

Все рассмотренные выше процессы являются политропическими. Ниже приведены значения n и C для различных процессов:

-изобарный процесс: n 0, C Cp ;

-изотермический процесс: n 1, C ;

-адиабатный процесс: n γ, C 0;

-изохорный процесс: n , C CV .

28

2.5. Круговой процесс. Обратимые и необратимые процессы

Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние. На (р,V)-диаграмме цикл изображается замкнутой кривой, где участок 1-2 соответствует расширению, а 2-1 - сжатию газа (рис.12).

Работа расширения А1 (площадь фигуры 1a2V2V11)- положительна: A1 0.

Работа сжатия A2 (площадь фигуры 2b1V1V22) - отрицательна: A2 0.

Работа за цикл А определяется площадью, охватываемой замкнутой кривой: A A1 A2 .

Таким образом, работа - это функция не только состояния термодинамической системы, но и вида процесса, который происходит. Поэтому работа не является однозначной функцией состояния

(такой, как внутренняя энергия). Из первого начала термодинамики

рис.12,а).

Цикл называется обратным, если за цикл совершается отрицательная работа A pdV 0 (цикл протекает против часовой стрел-

ки, рис.12,б).

Прямой цикл используется в тепловых двигателях (совершают работу за счет полученной извне теплоты). Обратный цикл

29