Чему равна работа идеального газа при изотермическом, изохорическом, изобарическом и адиабатическом процессах?

Тема №3: Статистические распределения молекул. Второе начало термодинамики. Тепловые машины

Раздел №1: Статистические распределения молекул.

Понятие функции распределения, условие нормировки. Функция распределения Максвелла по скоростям молекул. Наиболее вероятная, средняя и средняя квадратичная скорости, их зависимость от молярной массы газа и температуры. Барометрическая формула. Зависимость давления на заданной высоте от молярной массы газа и температуры. Функция распределения Больцмана для концентрации молекул в потенциальном поле.

Раздел №2: Второе начало термодинамики. Тепловые машины.

Понятие энтропии. Энтропия как функция состояния системы. Изменение энтропии как интеграл от приведенного количества теплоты. Возрастание энтропии при необратимом процессе. Энтропия и вероятность состояния системы. Макро- и микросостояния системы. Термодинамическая вероятность. Формула Больцмана. Энтропия идеального газа. Формулировки второго начала термодинамики: неубывание энтропии (энтропийная формулировка); невозможность полного превращения тепла в работу (формулировка Планка-Томсона); невозможность самопроизвольной передачи теплоты от менее нагретого тела более нагретому (формулировка Клаузиуса). Вечные двигатели первого и второго рода.

Тепловые машины, их коэффициент полезного действия. Максимальный коэффициент полезного действия тепловых машин на примере обратимого цикла Карно.

Вопросы и задания для самостоятельной работе по теме:

1. Что такое функция распределения?

2. Каково условие нормировки для функции распределения?

3. Какой вид имеет функция распределения Максвелла молекул по скоростям?

4. Каким соотношением связаны наиболее вероятная, средняя и средняя квадратичная скорости? Как они зависят от температуры и молярной массы?

5. Какой вид имеет функция распределения Больцмана для концентрации молекул в потенциальном поле?

6. Как из функции распределения Больцмана получить барометрическую формулу?

7. Что такое энтропия?

8. Какова связь энтропии с приведенным количеством теплоты?

9. Каков статистический смысл энтропии?

10. Каков вид формулы Больцмана для энтропии?

11. Какое устройство называют тепловым двигателем?

12. Какова роль нагревателя холодильника и рабочего тела в тепловом двигателе?

13. Приведите формулировки Планка-Томсона и Клаузиуса для второго начала термодинамики и докажите их эквивалентность.

14. Почему невозможны вечные двигатели первого и второго рода?

15. Приведите выражение для КПД теплового двигателя. Каков максимальный КПД теплового двигателя?

Тема №4: Реальные газы. Агрегатные состояния. Элементы физической кинетики.

Физическое обоснование перехода от уравнения Менделеева-Клапейрона к уравнению Ван-дер-Ваальса. Уравнение Ван-дер-Ваальса, его изотермы и их сравнение с экспериментальными изотермами реального газа. Диаграмма состояний реального газа. Давление насыщенных паров. Метастабильные состояния: пересыщенный пар и перегретая жидкость. Критическое состояние вещества, критические параметры. Внутренняя энергия реального газа.

Основные агрегатные состояния и фазовые переходы между ними. Теплоты плавления и парообразования.

Элементы физической кинетики. Эффективный диаметр и эффективное сечение молекулы. Средняя длина свободного пробега, ее зависимость от параметров системы. Явления переноса. Градиенты скорости, температуры и концентрации. Эмпирические уравнения вязкости, теплопроводности и диффузии.

Вопросы и задания для самостоятельной работе по теме:

1. В каком случае необходимо учитывать силы межмолекулярного взаимодействия?

2. Какой вид имеет уравнение Ван-дер-Ваальса?

3. Сравните изотермы, получаемые из уравнения Ван-дер-Ваальса с изотермами идеального газа и экспериментальными изотермами реальных газов

4. Что такое метастабильные состояния?

5. Что характерно для критического состояния?

6. Чем отличается выражение для внутренней энергии реального газа от выражения для внутренней энергии идеального газа?

7. От каких параметров системы зависит средняя длина свободного пробега молекул?

8. Какие явления переноса Вам известны? Что между ними общего и каковы различия?

9. Запишите уравнения для диффузии, вязкого трения и теплопроводности? Как связаны между собой коэффициенты в этих уравнениях?