- •1 Курс, 1 Семестр.
- •Содержание:
- •Цикл Карно:
- •Вопрос № 11: Методы статистической физики:
- •Вопрос № 12: Вероятность случайного события:
- •Вопрос № 15: Распределение Максвелла молекул газа по модулю скорости:
- •Закон Максвелла – Больцмана:
- •Барометрическая формула:
- •Вопрос № 21: Явления переноса:
- •Перенос импульса – вязкость:
- •Перенос энергии – теплопроводность:
- •Диффузия – перенос массы:
Московский Авиационный Институт
Конспект по физике
Молекулярная физика и
Термодинамика
1 Курс, 1 Семестр.
Москва
2002г.
Содержание:
Вопрос № 1 “ Идеальный и реальный газы ” 3
Вопрос № 2 “ Число степеней свободы ” 3
Вопрос № 3 “ Первое начало термодинамики ” 4
Вопрос № 4 “ Изопроцессы ” 5
Вопрос № 5 “ Теплоёмкость при постоянном объёме и давлении ” 7
Вопрос № 6 “ Работа при изотермическом расширении ” 8
Вопрос № 7 “ Работа газа при адиабатическом процессе ” 8
Вопрос № 8 “ Второе начало термодинамики в формулировках Клаузиса и Томпсона ” 8
Вопрос № 9 “ Запись первого начала термодинамики через энтропию ” 9
Вопрос № 10 “ Круговые процессы (циклы) ” 9
Вопрос № 11 “ Методы статистической физики ” 10
Вопрос № 12 “ Вероятность случайного события ” 11
Вопрос № 13 “ Среднее значение случайной величины ” 11
Вопрос № 14 “ Распределение Максвелла молекул газа по проекциям скорости ” 12
Вопрос № 15 “ Распределение Максвелла молекул газа по модулю скорости ” 13
Вопрос № 16 “ Распределение Максвелла молекул газа по энергии ” 14
Вопрос № 17 “ Распределение Максвелла молекул газа по импульсу ” 14
Вопрос № 18 “ Наиболее вероятная скорость движения молекул ” 14
Вопрос № 19 “ Среднеарифметическая и среднеквадратичная скорости движения молекул ” 15
Вопрос № 20 “ Распределение Больцмана ” 15
Вопрос № 21 “Явления переноса” 16
Вопрос № 1: Идеальный и реальный газы:
-
Уравнение состояния идеального газа (три формы записи)
Идеальный газ – это газ, молекулы которого рассматриваются как материальные точки, между которыми отсутствуют силы взаимодействия.
Реальный газ – газ, в котором между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания.
Уравнение состояния:
Для фиксированной массы можно записать:
Нормальными – называются условия, при которых давление составляет 101325 Па или 105 Па, температура – 273 К. Число Авогадро = 6,02 1023 моль-
Уравнение состояния для одного моля:
Уравнение состояния для произвольной массы:
a – добавка, необходимая для учёта взаимодействия молекул реального газа.
б – добавка, учитывающая реальные объемы молекул реального газа.
Внутренняя энергия системы:
– то есть полная энергия системы равна сумме кинетической энергии системы, как единого целого, потенциальной энергии молекулярного взаимодействия, энергии электронных оболочек и энергии взаимодействия нуклонов в ядре.
Вопрос № 2: Число степеней свободы:
-
Закон равномерного распределения по степеням свободы.
-
Внутренняя энергия идеального газа.
Число независимых координат, которые необходимо задать, что бы полностью определить положение тела в пространстве называют числом степеней свободы. Число степеней свободы складывается из числа поступательных, числа вращательных и числа колебательных степеней свободы.
В одноатомном газе число степеней свободы равно трём, в двухатомном – (три поступательных и две вращательных – жёсткая гантель) равно пяти, в трёх и более – шести.
Закон равного распределения энергии по степеням свободы:
На каждую степень свободы приходится энергия: следовательно
Рассмотрим идеальный газ, состоящий из N молекул:
В реальном газе внутренняя энергия включает в себя ещё и энергию межмолекулярного взаимодействия.
Вопрос № 3: Первое начало термодинамики:
-
Дифференциальная, интегральная формы записи.
-
Работа газа.
-
Теплоёмкость.
-
Удельная.
-
Молярная.
-
Связь.
-
-
Запись первого начала термодинамики с учётом теплоёмкостей.
Обмен энергией между термодинамической системой и внешними телами осуществляется двумя путями: совершением работы и теплообменом.
Дифференциальная форма записи первого начала термодинамики:
Интегральная форма записи первого начала термодинамики:
Теплоёмкость:
Физическая величина, численно равная отношению к дифференциалу тела в рассматриваемом термодинамическом процессе называется теплоёмкостью.
зависит от химического состояния вещества, массы тела, термодинамического состояния и от вида процесса, в котором поступает теплота.
Удельная теплоёмкость – это отношение теплоёмкости к массе
Молярная теплоёмкость –
Вопрос № 4: Изопроцессы:
-
Законы для изопроцессов.
-
Графики.
-
-
Адиабатный процесс.
-
Закон Паусона.
-
Изохорный процесс:
Объём неизменен.
Изобарный процесс:
Давление неизменно.
Работа в изобарном процессе:
– так как давление неизменно!
Изотермический процесс:
Температура неизменна.
Адиабатический процесс:
где γ – показатель адиабаты.
– уравнение Паусона.
Вопрос № 5: Теплоёмкость при постоянном объёме и давлении:
-
Вывод уравнения Маера.
Теплоёмкость при постоянном объёме:
Теплоёмкость при постоянном давлении:
Вывод уравнения Маера:
– газовая постоянная численно равна работе, совершаемой одним молем идеального газа при его изобарном нагреве на один градус кельвина.
Физический смысл уравнения Маера заключается в том, что при изобарном нагревании газа к нему необходимо подвести большее количество теплоты, нежели при таком же изохорном.
Вопрос № 6: Работа при изотермическом расширении:
Вопрос № 7: Работа газа при адиабатическом процессе:
Вопрос № 8: Второе начало термодинамики в формулировках Клаузиса и Томпсона:
-
Энтропия.
-
Формулировка второго начала термодинамики через энтропию.
-
Второе начало термодинамики по Клаузису:
Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от холодного тела к горячему.
Второе начало термодинамики по Томпсону:
Невозможен процесс, единственным результатом которого является совершение работы за счёт охлаждения одного тела.
Энтропия:
Энтропия – это функция состояния термодинамической системы.
Для обратимых процессов – ,.
Для необратимых процессов – .
В изолированной системе энтропия неизменна. Если в системе присутствуют необратимые процессы, то энтропия будет возрастать.
Формулировка второго начала термодинамики через энтропию:
Энтропия замкнутой системы не может убывать при любых происходящих в ней процессах.
Внутренняя энергия и энтропия являются функциями состояния, а работа и теплота – нет, по этом по энтропии и внутренней энергии берутся полные дифференциалы, а по работе и теплоте – частичные.
Т – S – диаграмма:
Вопрос № 9: Запись первого начала термодинамики через энтропию:
-
Энтропия в изопроцессах.
Энтропия в изохорном процессе:
Вопрос № 10: Круговые процессы (циклы):
-
Цикл Карно
-
Расчёт К.П.Д. цикла Карно.
-
Циклом называется такая совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние.
Тепловая машина – устройство, преобразующее тепло в работу.
Для непрерывного цикла необходимо: нагреватель, рабочее тело, холодильник. Холодильник необходим, чтобы вернуть рабочее тело в исходное состояние.
К.П.Д. цикла рассчитывается как отношение работы цикла к затраченному теплу. Или как отношение разности между затраченным и выделившимся теплом к затраченному теплу.