Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
1 лек МКТ.doc
Скачиваний:
12
Добавлен:
05.05.2019
Размер:
175.62 Кб
Скачать

1.3. Макроскопическое состояние. Идеальный газ

Системой тел (системой) будем называть совокупность рассматриваемых тел.

Простым примером системы, состоящей из множества частиц, является однородный газ.

Если газ разряжен, т.е. число молекул в единице объема мало, то среднее расстояние между молекулами велико и их взаимодействие друг с другом незначительно.

Понятие об идеальном газе.

Газ называется идеальным, если взаимодействием его молекул можно пренебречь.

Идеальный газ является, таким образом, чрезвычайно простой системой:

  • любая его молекула большую часть времени движется как свободная частица, на которую не оказывают влияния другие молекулы или стенки сосуда;

  • только изредка молекула настолько близко подходит к другой молекуле или к стенкам сосуда, что между ними может возникнуть взаимодействие;

  • если газ сильно разряжен, среднее расстояние между молекулами значительно больше, чем дебройлевская длина волны молекулы. В этом случае квантово-механические эффекты пренебрежимо малы, и молекулы можно считать обособленными частицами, движущимися по классическим траекториям.

Модель идеального газа позволяет изучать свойства газов в кинетической теории простейшим образом. В физике используется ряд других моделей (например, модель материальной точки, точечного электрического заряда и др.). Применение всех моделей в физике всегда преследует одну цель — изучить определенную группу физических явлений таким образом, чтобы можно было абстрагироваться от целого ряда реальных условий, усложняющих данные явления.

Например, рассматривая модель идеального газа, мы не учитываем, что реальные атомы и молекулы имеют сложную структуру — состоят из электрически заряженных частиц (электронов, протонов), а также нейтронов. Взаимодействие атомов и молекул, которое в модели идеального газа рассматривается как простое соударение, в действительности представляет собой очень сложное явление. В разделах курса, посвященных электродинамике и атомной физике, мы будем изучать это явление.

Модель идеального газа широко используется в физике.

Например, в электродинамике при изучении электропроводности металлов в классическом приближении электроны считаются идеальным электронным газом. Это дает возможность не учитывать электромагнитного взаимодействия электронов между собой и рассматривать их взаимодействие с положительными ионами кристаллической решетки металла как простое соударение. - изучении явлений, возникающих при движении проводников в магнитном поле.

Число примеров применений модели идеального газа можно было бы увеличить, но в этом нет необходимости.

1.4. Термодинамические системы. Термодинамические параметры и процессы.

Мысленно выделенная макроскопическая система, рассматриваемая методами термодинамики, называется термодинамической системой.

Все тела, не включенные в состав исследуемой системы, называются внешними телами или внешней средой. Обмен энергией и веществом может происходить как внутри самой системы между её частями, так и между системой и внешней средой.

В зависимости от возможных способов изоляции системы от внешней среды различают несколько видов термодинамических систем:

  • Открытая система – это термодинамическая система, которая может обмениваться веществом с внешней средой

Типичными примерами таких систем могут служить все живые организмы, а также жидкость, масса которой непрерывно уменьшается вследствие испарения или кипения

  • Закрытая система – не может обмениваться веществом с внешней средой.

В дальнейшем мы будем рассматривать только закрытые системы, химический состав и масса которых не изменяются.

  • Изолированная система – не может обмениваться с внешней средой ни энергией, ни веществом.

  • Замкнутая система – это термодинамическая система, изолированная в механическом отношении, т. е. не способная к обмену энергией с внешней средой путем совершения работы.

Пример: газ, заключенный в сосуд постоянного объема.

Адиабатной, если она не может обмениваться с другими системами энергией путем теплообмена.

Пример: тело, окруженное теплоизолирующей оболочкой (например, тело, помещенное в сосуд Дьюара). В каком-либо процессе систему можно приближенно считать адиабатной, если изменение ее состояния в этом процессе происходит достаточно быстро, так что теплообмен между системой и внешней средой не успевает происходить (например, при быстром сжатии газа в цилиндре с подвижным поршнем).

Термодинамическими параметрами (параметрами состояния) называются физические величины, служащие для характеристики состояния термодинамической системы.

Примерами термодинамических параметров являются давление, объем, температура, концентрация и др.

Состояние некоторой массы газа определяется некоторыми параметрами, называемыми параметрами состояния. Такими параметрами являются давление p, объем V и температура T , которые функционально связаны, и изменение одного из них приводит к изменению других.

Все макросвойства системы можно разделить на два класса :

1. Экстенсивные параметры, которые обладают свойствами аддитивности (масса, энергия, объем и т.д. – энергия системы равна сумме всех ее частиц). Пропорциональны количеству вещества в данной термодинамической системе (простейшим параметром является объем V системы). Величину v, равную отношению объема системы к ее массе, называют удельным объемом системы).

2. Интенсивные параметры. Эти параметры не обладают свойствами аддитивности (температура, концентрация и др.) и имеют тенденцию к выравниванию, когда изолированная система находится в равновесии. Не зависят от количества вещества в системе (простейшими параметрами являются давление р и температура Т).

Параметры состояния системы разделяются на:

  • Внешние параметры системы - физические величины, зависящие от положения в пространстве и различных свойств (например, электрических зарядов) тел, которые являются внешними по отношению к данной системе.

Например, внешним параметром:

- для газа, является объем V сосуда, в котором находится газ, ибо объем зависит от расположения внешних тел — стенок сосуда.

- для диэлектрика, находящегося в электрическом поле, является напряженность этого поля, связанного с внешними источниками поля.

- для жидкости в открытом сосуде, является атмосферное давление.

  • Внутренние параметры системы – физические величины, зависящие как от положения внешних по отношению к системе тел, так и от координат и скоростей частиц, образующих данную систему.

Например, внутренними параметрами газа, являются его давление и энергия, которые зависят от координат и скоростей движущихся молекул и от плотности газа.

Давлением называется физическая величина , где dFn— модуль нормальной силы, действующей на малый участок поверхности тела площадью dS.

Температура. Если давление и удельный объем имеют ясный и простой физический смысл, то гораздо более сложным и менее наглядным является понятие температуры. Понятие температуры строго говоря, имеет смысл только для равновесных состояний системы.

Под равновесным состоянием понимают состояние термодинамической системы, характеризующееся при постоянных внешних условиях неизменностью параметров во времени и отсутствием в системе потоков (например, потоков энергии или вещества).

Из этого определения следует, что постоянство параметров не связано с протеканием каких-либо процессов во внешней среде.

Другими словами, равновесное состояние — это состояние, в которое при неизменных внешних условиях приходит в конце концов термодинамическая система и дальше остается в этом состоянии сколь угодно долго. Температура во всех частях термодинамической системы, находящейся в равновесном состоянии, одинакова.

При теплообмене между двумя телами с различной температурой происходит передача теплоты от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Этот процесс прекращается, когда температуры обоих тел выравниваются.

Равновесное состояние можно представить точкой в пространстве, по координатным осям которого откладываются значения параметров состояния. Если независимыми являются только две переменные (например, р и V), то равновесное состояние изображают точкой на диаграмме .

Тепловое равновесие макросистемы характеризуется температурой. Если при установлении теплового контакта между телами одно из тел передает энергию другому посредством теплопередачи, то считают, что первое тело имеет большую температуру, чем второе.

Температура системы, находящейся в равновесном состоянии:

является мерой интенсивности теплового движения атомов, молекул и других частиц, образующих систему ( В этом состоит молекулярно-кинетическое истолкование температуры).

характеризует степень нагретости тела, т.к. в системе частиц, описываемых законами классической статистической физики и находящейся в равновесном состоянии, средняя кинетическая энергия теплового движения частиц прямо пропорциональна термодинамической температуре системы.

При измерении температуры, которое можно производить только косвенным путем, используется зависимость от температуры целого ряда физических свойств тела, поддающихся прямому или косвенному измерению.

Например, при изменении температуры тела изменяются его длина и объем, плотность, упругие свойства, электрическое сопротивление и т. д. Изменение любого из этих свойств является основой для измерений температуры. Для этого необходимо, чтобы для одного тела, называемого термометрическим телом, была известна функциональная зависимость данного свойства от температуры.

Любой метод измерения температуры требует установления температурной шкалы. Для этого используют некоторые особые точки. По международному соглашению температурную шкалу строят по одной реперной точке – тройной точке воды .

В термодинамической шкале температур (шкале Кельвина) принимается по определению, что К. При таком значении интервал между точками плавления льда и кипения воды равен 100К. Температура t по шкале Цельсия связана с температурой по шкале Кельвина равенством:

Температуру Т=0 называют абсолютным нулем, ему соответствует

Температура – это одна из макроскопических характеристик макросистемы. Она не имеет смысла для систем, состоящих из нескольких молекул.

Для практических измерений температуры применяются температурные шкалы, установленные с помощью термометрических тел.

В Международной стоградусной температурной шкале температура выражается в градусах Цельсия (°С) и обозначается t, причем принимается, что при нормальном давлении 1,01325-105 Па температуры плавления льда и кипения воды равны соответственно 0 и 100 °С.

В термодинамической температурной шкале температура выражается в Кельвинах (К), обозначается Т и называется термодинамической температурой.

Связь между термодинамической температурой Т и температурой по стоградусной шкале имеет вид Т = t + 273,15 °С.

Под термодинамическим процессом понимают всякое изменение состояния рассматриваемой термодинамической системы, характеризующееся изменением ее термодинамических параметров.

Термодинамический процесс называется равновесным, если в этом процессе система проходит непрерывный ряд бесконечно близких термодинамически равновесных состояний. Реальные процессы изменения состояния системы всегда происходят с конечной скоростью и поэтому не могут быть равновесными. Очевидно, однако, что реальный процесс изменения состояния системы будет тем ближе к равновесному, чем медленнее он совершается, поэтому равновесные процессы называют квазистатическими.

Примерами простейших термодинамических процессов могут служить следующие процессы:

а) изотермический процесс, при котором температура системы не изменяется (Т = const);

б) изохорный процесс, происходящий при постоянном объеме системы (V = const);

в) изобарный процесс, происходящий при постоянном давлении в системе (р = const).

Большую роль играет адиабатный процесс, который происходит без теплообмена между системой и внешней средой.