Обратимые и необратимые процессы.

ОБРАТИМЫЙ ПРОЦЕСС в термодинамике, процесс, который возможно осуществить в обратном направлении, последовательно повторяя в обратном порядке все промежуточные состояния прямого процесса. Обратимым процессом может быть только равновесный процесс. Реальные процессы, строго говоря, являются необратимыми процессами.

НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ, диффузия, теплопроводность, вязкое течение жидкости (газа) и другие физические процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении — в сторону равномерного распределения вещества, теплоты и т. д.; характеризуются положительным производством энтропии. В замкнутых системах необратимые процессы приводят к возрастанию энтропии.

Необратимость тепловых про­цессов. Процессы теплопередачи са­мопроизвольно осуществляются только в одном направлении, поэтому их называют необрати­мыми процессами. Всегда осуществляется тепло­передача тепла от горячего тела к холодному, потому что равно­мерное распределение быстрых и медленных молекул в двух соприкасающихся телах является более вероятным, чем такое распределение, при котором в одном теле будут только «быстрые» моле­кулы, а в другом — только «мед­ленные».

Второй закон термодинамики и его статистический смысл— один из ос­новных законов термодинамики. Устанавливает необратимость термодинамических процессов, про­текающих с конечной скоростью (см. необратимые процессы). Имеет несколько эквивалентных фор­мулировок:

1) невозможно провести процесс, единственным ре­зультатом которого был бы переход теплоты от хо­лодного тела к нагретому (формулировка немецко­го ученого Р. Клаузиуса);

2) в природе невозможен периодический процесс, единственным результатом которого является со­вершение работы, произведенной за счет охлажде­ния нагревателя (формулировка английского уче­ного У. Томсона);

3) невозможно создать вечный двигатель второго рода — устройство, периодически совершающее ра­боту за счет внутренней энергии нагревателя и не изменяющее термодинамического состояния ок­ружающих тел (формулировка немецкого физика В. Оствальда).

В современной физике второй закон термодина­мики называют законом возрастания энтропии: в замкнутой макроскопической системе энтропия при любом реальном процессе возрастает. В состоянии равновесия энтропия замкнутой системы макси­мальна и никакие процессы в системе невозможны.

Тепловые машины. Устройство и принцип действия тепловых двигателей.

Цикл Карно - обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов; впервые рассмотрен Н. Л. С. Карно (1824) в связи с определением кпд тепловых машин.

Коэффициент полезного действия цикла Карно. Кпд Карно цикла не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа и т. п.) и определяется температурами теплоотдатчика Т₁ и теплоприемника Т₂, = ( Т₁- Т₂)/ Т₁. Кпд любой тепловой машины не может быть больше кпд Карно цикла (при тех же Т₁ и Т₂).

Холодильные машины. осуществляет искусственное охлаждение с помощью подводимой энергии (механической, тепловой и т. д.). Различают холодильные машины компрессионные (газовые и паровые), абсорбционные, пароэжекторные и термоэлектрические.

Реальные газы. отличается от идеального газа существованием взаимодействия между его частицами (молекулами, атомами). При малых плотностях наличие межмолекулярного взаимодействия учитывается вириальным уравнением состояния реального газа:

pV = RT[1 + B( T)/ v + C( T)/ v² + ...],

где p — давление, v — мольный объем, Т — абсолютная температура, R — газовая постоянная, В( Т), С( Т) и т. д. — вириальные коэффициенты, зависящие от температуры и характеризующие парные, тройные и т. д. взаимодействия частиц в газе. Существуют и др. полуэмпирические и теоретические уравнения состояния реального газа, напр. Ван-дер-Ваальса уравнение.

Строение газообразных, твердых и жидких тел.

Свой­ства вещества в различных агрегатных состояниях и фазовые переходы.

Изо­термы реального газа. Спо­собность реального газа превра­щаться в жидкость приводит к тому, что его изотермы яв­ляются гиперболами только при температурах выше критической. Для сжижения любого газа необходимо сначала охладить его до температуры ниже критиче­ской, а затем увеличить давле­ние до значения, превышаю­щего давление насыщенного пара.

Критическая температура. 1) предельная температура равновесного сосуществования двух фаз (жидкости и ее пара), выше которой эти фазы неразличимы (см. Критическое состояние).2) Температура, при которой в жидких смесях с ограниченно растворимыми компонентами наступает их взаимная неограниченная растворимость (критическая температура растворимости). 3) Температура, при достижении которой вещество теряет свойства сверхпроводимости или сверхтекучести.

Зависимость давления и плотности насыщенного пара от температуры.

Кипение. интенсивный переход жидкости в пар (парообразование) вследствие образования и роста в жидкости пузырьков пара (пузырьковое кипение) или появление пленки пара на поверхности нагрева в жидкости (пленочное кипение). Температура кипения Т_к при атмосферном давлении называется точкой кипения вещества

Зависимость темпера­туры кипения жидкости от давления. При температуре 100 °С дав­ление насыщенного водяного па­ра равно нормальному атмо­сферному давлению, поэтому при нормальном давлении кипение воды происходит при 100 °С. При температуре 80 °С давление насыщенного пара примерно в два раза меньше нормального атмосферного давления. Поэто­му вода кипит при 80 "С, если давление над ней уменьшить до 0,5 нормального атмосферного давления .

При понижении внешнего давления температура кипения жидкости понижается, при по­вышении давления температура кипения повышается.

Влажность воздуха. содержание водяного пара в воздухе; одна из наиболее существенных характеристик погоды и климата. Количественно влажность воздуха может определяться упругостью водяного пара, абсолютной влажностью, относительной влажностью, дефицитом влажности, точкой росы.

Точка росы. температура, до которой должен охладиться воздух при данном давлении, для того чтобы содержащийся в нем пар достиг насыщения и начал конденсироваться, т. е. появилась роса.

Психро­метр. прибор для измерения температуры и влажности воздуха, состоящий из двух термометров, у одного из которых («смоченного») резервуар обернут смоченным батистом. Температура определяется по «сухому» термометру, влажность — по разности показаний сухого и смоченного термометров.

Гигрометр. прибор для определения влажности воздуха. Наиболее распространены психрометр и волосной гигрометр, измеряющий относительную влажность воздуха по изменению длины обезжиренного человеческого волоса в зависимости от влажности воздуха.

Свойства жидкости. Жидкость агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе черты твердого состояния (сохранение объема, определенная прочность на разрыв) и газообразного (изменчивость формы). Для жидкости характерны ближний порядок в расположении частиц (молекул, атомов) и малое различие в кинетической энергии теплового движения молекул и их потенциальной энергии взаимодействия. Тепловое движение молекул жидкости состоит из колебаний около положений равновесия и сравнительно редких перескоков из одного равновесного положения в другое, с этим связана текучесть жидкости.

Поверхностная энергия. избыток потенциальной энергии вещества, определяемой всеми взаимодействиями частиц, у поверхности какого-либо тела по сравнению с энергией в объеме.

Поверхностное натяже­ние жидкостей. стремление вещества (жидкости или твердой фазы) уменьшить избыток своей потенциальной энергии (поверхностную энергию) на границе раздела с газовой фазой (напр., с собственным паром) или др. жидкой или твердой фазой. Определяется как работа, затрачиваемая на создание единицы площади поверхности раздела фаз при постоянной температуре. Поверхностное натяжение жидкости часто определяют как силу, действующую на единицу длины контура поверхности раздела фаз и стремящуюся сократить эту поверхность до минимума. Благодаря поверхностному натяжению капля жидкости при отсутствии внешних воздействий принимает форму шара.

Сила поверхностного натяжения. Сила (касательная) действующая к поверхности и перпендикулярная участку периметра, ограничивающего поверхность жидкости.

Смачивание. поверхностное явление, возникающее при соприкосновении жидкости с твердым телом. Проявляется в растекании жидкости по твердой поверхности, пропитывании пористых тел и порошков, образовании мениска

Капиллярные явления. Опустим в воду тонкую стеклянную трубку, на­зываемую капиллярной. Казалось бы, однородная жидкость и в широ­ком сосуде, и в капиллярной труб­ке должна установиться на одном уровне. Но опыт показывает, что если один из сосудов капиллярный, то во­да, которая смачивает стенки трубки, поднимается в ней на некоторую вы­соту h над ее уровнем в широком сосуде. Если аналогич­ный опыт провести с жидкостью, не смачивающей стенок трубки, то окажется, что уровень жидкости в капилляре будет ниже, чем в широ­ком сосуде. Эти явле­ния называются капиллярными.

Строение кристаллов. твердые тела, атомы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку). Кристаллы обладают симметрией атомной структуры, соответствующей ей симметрией внешней формы, а также анизотропией физических свойств. Кристаллы — равновесное состояние твердых тел: каждому веществу, находящемуся при данных температуре и давлении, в кристаллическом состоянии соответствует определенная атомная структура. При изменении внешних условий структура кристаллов может измениться . Большинство природных и технических твердых материалов являются поликристаллами, одиночные кристаллы называются монокристаллами.

Анизотропия кристаллов. зависимость свойств среды от направления. Анизотропия характерна, напр., для механических, оптических, магнитных, электрических и др. свойств кристаллов.

Полиморфизм. свойство некоторых веществ существовать в нескольких кристаллических состояниях (модификациях) с разной структурой. Пример полиморфизма — алмаз и графит.

Монокристаллы и поликристаллы. Монокристалл, отдельный кристалл с непрерывной кристаллической решеткой. От монокристалла отличают поликристаллы. Поликристаллы , агрегаты из большого числа маленьких кристаллических зерен, ориентированных друг относительно друга хаотически. Большинство твердых технических материалов являются поликристаллическими.

Пространственная решетка. Для наглядного представления внутренней структуры кристалла применяется способ изображе­ния его с помощью простран­ственной кристаллической решет­ки. Кристаллической решеткой называется пространственная сет­ка, узлы которой совпадают с центрами атомов или молекул в кристалле .

Элементарная ячейка. часть кристаллической решетки, параллельные переносы которой в трех измерениях (трансляции) позволяют построить всю кристаллическую решетку. Выбор элементарной ячейки кристалла производится различными способами. Элементарная ячейка кристалла в общем случае имеет форму параллелепипеда. Длины ребер обозначают a, b, c, а углы между ними — a, b, g.

Симметрия кристаллов. закономерность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов, заключающаяся в том, что кристалл может быть совмещен с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов (трансляций) и др. преобразований симметрии, а также комбинаций этих преобразований. Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрией его строения.

Дефекты в кристаллах. Точечные дефекты в идеальной кристаллической решетке возникают в результате замещения собственно­го атома чужеродным, внедрения атома в междоузлие, отсутствия ато­ма в одном из узлов кристалличес­кой решетки . Наруше­ние в порядке расположения атом­ных плоскостей в кристалле (нали­чие лишней полуплоскости) называ­ется дислокацией.

Аморфные тела. Аморфными на­зываются твердые тела, у кото­рых отсутствует кристаллическая структура. Фактически аморфные те­ла, у которых упаковка частиц сох­раняет ближний порядок,— это пе­реохлажденные жидкости. В при­роде аморфные тела встречаются редко. Примером аморфных тел могут служить куски затвердев­шей смолы — янтарь, изделия из стекла.

Аморфные тела изотропны. Изо­тропность аморфных тел означает одинаковость физических свойств по всем направлениям..

Деформация. 1) изменение взаимного расположения точек твердого тела, при котором меняется расстояние между ними, в результате внешних воздействий. Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления воздействия, и пластической, если она полностью не исчезает. Наиболее простые виды деформации — растяжение, сжатие, изгиб, кручение. 2) В переносном смысле — изменение формы, искажение сущности чего-либо (напр., деформация социальной структуры).

Напряжение. внутренние силы, возникающие в деформируемом теле под влиянием внешних воздействий.

Механические свойства твердых тел: упру­гость, пластичность, хрупкость. УПРУГОСТЬ, свойство тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил. Количественная характеристика упругих свойств материалов — модули упругости. Упругость обусловлена взаимодействием между атомами и молекулами и их тепловым движением. пластичность свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок. Пластичность определяет возможность обработки материалов давлением. ХРУПКОСТЬ, свойство тел разрушаться после незначительной пластической деформации.

Диаграмма растяжения. Зависимость относительного удлинения oбразца от приложенного к нему напряжения является одной из важнейших характеристик механических свойств твердых тел. Графическое изображение этой зависимости называется диаграммой растяжения. По оси ординат откладывается механическое напряжение о, приложенное к образцу, а по оси абсцисс — относительное удлинение.