27. Термодинамические и статистические свойства макросистем.

Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимодополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый лежит в основе термодинамики, а второй – молекулярной физике.

Термодинамика – наука о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел и тепловые явления характеризуются параметрами, регистрируемыми приборами. Законы термодинамики описывают тепловые св-ва тел. Такие тела наз. макросистемами. Тепловые св-ва макросистем определяются термодинамическими параметрами: температурой, давлением и удельным объемом. Температура - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. К концу XIX в. была создана последовательная теория, описывающая св-ва большой совокупности атомов и молекул – молекулярно-кинетическая теория, или статистическая механика. Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул, которое анализируется статистическим методом, основанным на том, что св-ва макросистемы в конечном результате определяются особенностями движения частиц и их усредненными кинетическими и динамическими характеристиками. Термодинамические и статистические методы описания св-в макросистем дополняют друг друга и широко используются при решении различных естественно-научных задач.

Основные положения молекулярно-кинетических представлений:

любое тело – твердое, жидкое или газообразное – состоит из большого числа весьма малых частиц – молекул

молекулы всякого в-ва находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления в движении

интенсивность движения молекул, определяемая их скоростью, зависит от температуры в-ва

Тепловые св-ва в-ва связаны с его внутренним строением. Исследование тепловых явлений можно использовать для выяснения общей картины строения в-ва.

Из основного ур-ния м.-к. теории вытекает важный вывод: средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа прямо пропорциональна его термодинамической температуре и зависит только от нее: E = 3/2* kT (k – постоянная Больцмана, T – температура).

28. Термодинамические законы.

Первое начало термодинамики: количество теплоты ΔQ, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии ΔU и на совершение телом работы ΔA: ΔQ = ΔU + ΔA.

Отсюда следует важный вывод: невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. такой двигатель, который совершал бы работу без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу. Термодинамические процессы необратимы.

Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела находятся в состоянии покоя по отношению друг к другу, обладая одинаковыми температурой и давлением. Равенство температур во всех точках есть условие равновесия двух систем или двух частей одной и той же системы. Это положение называется нулевым началом динамики. Достигнув равновесия, система сама по себе из него не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер. Самопроизвольный переход тела из равновесного состояния в неравновесное не невозможен, а лишь весьма маловероятен. В конечном результате необратимость тепловых процессов обусловливается колоссальностью числа молекул, из которых состоит тело.

Количественной характеристикой теплового состояния системы является термодинамическая вероятность W, равная числу микроскопических способов, с помощью которых это состояние может быть достигнуто. Система, предоставленная самой себе, стремится перейти в состояние с большим значением W. Принято пользоваться не самой вероятностью W, а ее логарифмом, который еще умножается на постоянную Больцмана k: S= k ln W. Определенную таким образом величину S называют энтропией системы. Возрастание энтропии для необратимых процессов есть следствие перехода системы от менее вероятного состояния к более вероятному, при этом состояние равновесия выступает как наиболее вероятное.

Второе начало термодинамики: (закон возрастания энтропии) – для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии: ΔS >=0.Идеальному случаю - полностью обратимому процессу замкнутой системы - соответствует неизменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает.

Третье начало термодинамики: (тепловая теорема, сформулированная Нернстом) – при абсолютном нуле температуры энтропия принимает значение, не зависящее от давления, агрегатного состояния и других характеристик в-ва. Такое значение можно положить равным нулю.