Термодинамика
Термодинамика – это раздел физики, содержанием которого являются процессы преобразования механической энергии во внутреннюю (тепловую) и обратно. В основе термодинамики лежат несколько фундаментальных законов, установленных путём обобщения многочисленных экспериментальных фактов.
До XIX века теплоту считали особым видом жидкости (теплородом), общее количество которой неизменно. Нагревание тела объясняли перетеканием этой жидкости из одного тела в другое. В середине XIX века Джеймс Джоуль и Роберт Майер экспериментально установили, что теплота и механическая работа являются двумя формами энергообмена между телами. Они впервые сформулировали принцип сохранения энергии, называемый теперь первым законом термодинамики.
1. Некоторые понятия термодинамики
1. Атомная единица массы (а.Е.М.).
Массы отдельных атомов и молекул удобно измерять не в килограммах, а в относительных единицах – в атомных единицах массы.
Определение. Единица, равная 1/12 массы атома углерода С12, называется атомной единицей массы (а.е.м.). В абсолютном выражении
1 а.е.м.=1,66·10−27 кг.
С точностью до 0,7% за 1 а.е.м. можно принять массу протона:
1 а.е.м.≈mp=1,67·10−27 кг.
Относительные атомные массы элементов, т.е. массы атомом, выраженные в а.е.м., указаны в таблице Менделеева.
2. Моль. Число Авогадро.
В системе СИ количество вещества (не масса) измеряется в молях.
Определение. Количество вещества, содержащее столько его структурных единиц (молекул), сколько атомов С12 в 12 г углерода, называется молем этого вещества (1кмоль=1000 моль).
А интересно, − сколько же атомов С12 содержится в 12 г углерода? Это число называется числом Авогадро, NA. Опытным путём найдено, что
NA=6,02·1023 (молекул в моле)≈6·1023 моль−1.
Таким образом, по определению, число NА есть количество структурных единиц (молекул) вещества в одном его моле. Например, 1 моль меди содержит NA атомов Сu, 1 моль углерода − NA атомов С, 1 моль молекулярного кислорода содержит NA молекул О2.
3. Молярная масса.
Определение. Масса (в килограммах) одного моля вещества называется его молярной массой (М):
М=m NA,
где m – масса молекулы данного вещества в килограммах.
Так
например, МCu=64
г/моль=0,064 кг/моль,
=2
г/моль,
=32
г/моль. Видно, что моль меди в 2 раза
тяжелее моля кислорода, хотя и там, и
там содержится одинаковое число молекул
– по 6·1023
штук.
4. Оценка размеров молекул.
Оценим
характерные размеры молекул на примере
молекулы Н2О.
Так как 1 моль воды (т.е. 18 граммов) занимает
объём V=18
см3=18·10−6
м3,
то на одну молекулу Н2О
приходится объём
=V/NA=30·10−30
м3.
Тогда характерные линейные размеры
молекулы Н2О
l~
м=0,3
нм=3 Å.
Молекулы других веществ имеют размеры того же порядка.
2. Термодинамические системы. Первый закон термодинамики
2.1. Понятие термодинамической системы
Далее мы будем рассматривать тепломеханические свойства термодинамических систем.
В общем смысле, система – это некоторое множество элементов, как-либо взаимодействующих друг с другом. Термодинамическая система – это любое твёрдое, жидкое или газообразное тело, свойства которого мы собираемся описывать; или же несколько тел, например, система «пар-жидкость» (гетерогенные системы).
Однако далее мы будем рассматривать только однородные (гомогенные) системы, состоящие к тому же из молекул одного химического вещества. При этом предполагается. что термодинамическая система содержит очень большое число молекул, порядка NА, так как при малом числе молекул будет меньшая точность термодинамических законов.
Число частиц в системе предполагается фиксированным.