15

Термодинамика и молекулярная физика

1. Состояние макроскопической системы и его параметры. Микро- и макропараметры системы.

Система, состоящая из большого числа молекул, называется макросистемой. Макросистема, отделенная от внешних тел стенками с постоянными свойствами, после длительного промежутка времени приходит в равновесное состояние. Это состояние можно описать рядом параметров, называемых Параметрами состояния. Различают Микропараметры и Макропараметры состояния.

К микропараметрам состояния можно отнести следующие физические величины: массу M0 молекул, их скорость, среднюю квадратичную скорость молекул, среднюю кинетическую энергию молекул, среднее время между соударениями молекул, длину их свободного пробега и др. Это такие параметры, которые можно отнести и к одной молекуле макросистемы.

Макропараметры состояния характеризуют только равновесную систему в целом. К ним относятся объем V, давление P, температура T, плотность ρ, концентрация N, внутренняя энергия U, электрические, магнитные и оптические параметры. Значения этих параметров могут быть установлены с помощью измерительных приборов.

Микропараметры состояния

Параметр	Обозначение	Единицы в СИ
Масса молекулы	M0	Кг
Скорость молекулы		М/c
Cредняя квадратичная скорость движения молекул		М/c
Средняя кинетическая энергия поступательного движения		Дж

Макропараметры состояния

Параметр	Обозначение	Единицы в СИ	Способ измерения (косвенный способ)
Масса	M	Кг	Весы
Объем	V	М3	Мерный цилиндр с водой; измерение размеров и расчет по формулам геометрии
Давление	P	Па	Манометр
Температура	T	К	Термометр
Плотность	ρ	Кг/м3	Измерение массы, объема и расчет
Концентрация	N	1/м3 = м-3	Измерение плотности и расчет с учетом молярной массы
Состав (молярная масса и соотношение количеств)	М1, М2	Кг/моль	Приготовление газа смешением заданных масс или объемов

2. Состояние макроскопической системы и его параметры. Понятие о тепловом равновесии.

Система, состоящая из большого числа молекул, называется макросистемой. Макросистема, отделенная от внешних тел стенками с постоянными свойствами, после длительного промежутка времени приходит в равновесное состояние. Это состояние можно описать рядом параметров, называемых Параметрами состояния. Различают Микропараметры и Макропараметры состояния.

К микропараметрам состояния можно отнести следующие физические величины: массу M0 молекул, их скорость, среднюю квадратичную скорость молекул, среднюю кинетическую энергию молекул, среднее время между соударениями молекул, длину их свободного пробега и др. Это такие параметры, которые можно отнести и к одной молекуле макросистемы.

Макропараметры состояния характеризуют только равновесную систему в целом. К ним относятся объем V, давление P, температура T, плотность ρ, концентрация N, внутренняя энергия U, электрические, магнитные и оптические параметры. Значения этих параметров могут быть установлены с помощью измерительных приборов.

Тепловое равновесие - состояние термодинамической систем, в которое она самопроизвольно переходит через достаточно большой промежуток времени в условиях изоляции от окружающей среды.

В состоянии термодинамического равновесия:

- в системе прекращаются все необратимые процессы, связанные с изменением энергии: теплопроводность, диффузия, химические реакции и др.;

- макроскопические параметры системы не меняются со временем.

Следует различать состояния устойчивого, неустойчивого и относительно устойчивого равновесия.

Состояние устойчивого равновесия (стабильное состояние) характерно тем, что если каким-либо внешним воздействием вывести из него рассматриваемую систему, а затем снять это внешнее воздействие, то система сама возвратится в исходное состояние равновесия.

Если систему, находящуюся в состоянии неустойчивого равновесия (лабильное состояние), из него вывести, то она уже не возвратится в исходное состояние, а перейдет в состояние устойчивого равновесия. Даже очень малые внешние воздействия выводят систему из лабильного состояния.

Наконец, состояние относительно неустойчивого равновесия (метастабильное состояние) — это состояние, в котором система может находиться в течение длительного времени, причем слабые внешние воздействия(возмущения), вызывающие небольшие отклонения системы от метастабильного состояния, не приводят к переходу в другое состояние; после того как такое внешнее воздействие снято, система возвратится в исходное метастабильное состояние. Вместе с тем достаточно сильное воздействие выведет систему из метастабильного состояния, и она перейдет в новое состояние устойчивого равновесия. Таким образом, метастабильное состояние занимает промежуточное место по отношению к стабильному и лабильному состояниям.