19(24) Термодинамические свойства макросистем – законы термодинамики: энтропия как мера молекулярного беспорядка.

Термодинамика (т\д) – в отличие от молекулярно-кинетического (м\к) не рассматривает конкретно молекулярные картины. Т\д рассматривает св-ва тел конечных размеров.

Тело т\ки – некоторая часть пространства, заполненная веществом.

В т\д на основании опытных данных формируются основные законы, которые называются принципами. Эти законы и выводы из них применяются к конкретным физическим явлениям, связанным с превращением энергии макроскопическим путём.

Т\д подход не применяется к малым объёмам, к которым не могут быть применены статистические законы. Т\д методами решаются вопросы о газе, электричестве, излучении и т.д.

Термодинамика – это учение о связи и взаимопревращении различных типов энергии, теплоты и работы – это наука, исследующая причины тепловых явлений.

Система – тело или группа тел, мысленно выделенная из окр.среды.

Система находится в состоянии равновесия, когда её состав и свойства не претерпевают изменений при постоянных внешних условиях.

Система называется замкнутой, если она не обменивается ни со средой, ни с веществом, ни с энергией. В замкнутой системе процессы перераспределения энергии происходят только между элементами, а в замкнутой – ещё и со средой.

До конца 18го века считалось, что теплота – это невесомая жидкость, передаваемая от одного тела к другому. Эта жидкость – теплород. Теплота передаётся от тела к телу, а энергия охраняется. Чем больше теплородов в теле, тем выше температура.

В 19ом веке было доказано, в т\ке тела распределяются набором т\ких параметров или всех физических и химических свойств.

Т\кие параметры: темп.,объём и давление. Процесс в т\ке – изменение хотя бы одного т\кого параметра.

Первый закон т\ки:

Одна из самых важных характеристик системы – полная энергия системы:

E=Ek+En+V - внутр. энергия системы

Внутренняя энергия является суммой различных энергий:

5. кинетическая энергия молекулярного движения;

6. межмолекулярная энергия;

7. внутримолекулярное взаимодействие;

8. энергия электронного возбуждения: лучистая, ядерная, магнитная и т.д.

Внутренняя энергия системы – это та энергия, которая заключена в телах, заключающих эту систему.

В идеальном газе молекуле не взаимодействуют друг с другом, и внутренняя энергия газа определяется только кинетической энергией хаотического движения молекул.

Изменение внутренней энергии системы всегда является результатом обмена энергией между системой и средой (открытая система).

Этот обмен энергии со средой происходит в результате 2х процессов: совершения работы и передачи тепла. Работа проявляется в передаче упорядоченного потока энергии, а тепло – в передаче хаотического.

В СИ измеряется в Дж.

Первый закон т\д устанавливает энергетический баланс, но не показывает процесс. Этот закон – математическое выражение закона сохранения энергии системы. Суммарное произведение энергии равно 0.

Переход системы из одного состояния в другое связан с сообщением системе некоторого количества теплоты и с совершением системы работы над внешними телами:

Q=A+дельтаU (изменение внутренней энергии системы)

дельтаU=q-A,

т.е.внутренняя энергия т\кой системы возрастает на величину теплоты, сообщённой системе и уменьшается на величину работы, совершённой системой против внешних сил.

F=q-дельтаU – работа, совершаемая системой над внешними телами либо за счёт количества теплоты, либо за счёт уменьшения внутренней энергии системы, следует невозможность построение вечного двигателя, т.е.машины, которая совершала бы работу без потребления энергии извне.

Если q=0, то работа может совершаться только за счёт уменьшения внутренней энергии, но внутренняя энергия имеет конечную величину, то есть она будет исчерпана.

Внутренняя энергия – это функция состояния систем, зависит только от параметров этих систем.

9. T=consA - изотермический процесс, внутренняя энергия удельного газа не изменяется.

делU=U2-U1

делU=0; q=A

2) V=const - изотопный процесс – всё тепло идёт на изменение внутр.энергии

10. Q=U2-U1+p(V2-V1) - изобарный процесс

U+pV=H - энтальпия процесса

Q=U2-U1+p(V2-V1)=H2-H1-делH

При постоянном давлении, сообщённое телу тепло равняется изменению энтальпии.

Реакции отрицательные – экзотермические; если делН – положительная – это процессы эндотермические, т.е.для их проникновения тепло системе нужно сообщить.

Второй закон термодинамики – в окр.мире сущ-ют процессы, разрешённые первым законом т\ки, но в действительности эти процессы происходить не могут. Например, невозможен переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому. Тело, массой m, находящееся на высоте h над землёй падает вниз. На высоте h тело обладает потенциальной энергией, равной mgh. При падении потенциальная энергия переходит в кинетическую. В случае, когда кин.энергия становится потенциальной - энергетический баланс сохраняется.

В момент удара тела о землю кинетическая энергия переходит в тепловую, и тепло рассеивается в окр.среду. Суммарное кол-во энергии остаётся постоянным.

Второй закон т\ки устанавливает направление течения и характер процессов, происходящих в природе. Этот закон даёт возможность определить, какими должны быть внешние условия, чтобы процесс мог происходить в нужном направлении и требуемой среде.

В 1859году Рудольф Клаузиус открыл этот закон.

Не возможен процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от менее нагретого тела к более нагретому.

Энтропия. С молекулярной точки зрения односторонность процесса означает, что в конечном состоянии расположение частиц в пространстве более вероятно, чем в начальном. Наиболее вероятное хаотичное состояние!

Отличить обратимые процессы от необратимых позволяет энтропия (S).

S=R*lnW

W-величина, называемая т\кой вероятностью – определяет число способов, которыми из данного числа частиц может быть построено тело;

R – газовая постоянная, постоянная Больцмана.

Поскольку S эквивалентна вероятности (W), то с увеличением W возрастёт и S. Это означает переход системы от наименее вероятного состояния к наиболее вероятному.

Наиболее вероятное – состояние теплового равновесия. Приэтом прекращаются все виды теплообмена, и темп-ры всех частей т\кой системы одинаковы.

S стремится к max (в сост.равновесия)

Для приращения S характерно выведенное из уравнения Клаузиуса соотношения:

делS>=q\T

q – темп.,передаваемая телу

T – темп.тела (в этом случае – обратимые процессы)

Если делS>q\T, то это характеризует необратимость процессов.

Общая энтропия системы возрастает!

Из закона возрастания энтропии замкнутой системы следует невозможность создания вечного двигателя, т.е.машины, которая содержала бы работу только за счёт охлаждения источника тепла,т.е.без передачи тепла более холодному телу.

Энтропия не только характеризует направленность природных процессов, но и является мерой Хауса; уменьшение энтропии характеризует упорядоченность системы.

Ещё одно важное следствие 2го закона т\ки – это связь между энтропией и информацией. Информация – любое сведение, переданное от одного объекта другому.

Учёный Шеннон разработал статистическую теорию информации и ввёл понятие информационной энтропии. Она явл-ся мерой неопределённости, которая базируется на вероятностном подходе.

В случае с молекулами информация о нахождении молекулы в том или ином месте пространства больше, если все частицы находятся в одной части объёма.

Чем более система упорядочена, тем меньше энтропия, тем больше знания о системе.

Статистическое истолкование энтропии ограничивается только макросистемой. Для мегомира нет понятия наиболее вероятного состояния, поэтому, принадлежащая Клаузиусу гипотеза о тепловой смерти Вселенной (вся энергия станет тепловой, и она не распределится по всей Вселенной), не правомочна.

27(25)

Принцип относительности Галилея

Принцип инерции Галилея выделяет определенный класс систем отсчета, которые называют инерциальными. Инерциальными являются системы отсчета, в которых выполняется принцип инерции (первый закон Ньютона). Общепринятая формулировка первого закона Ньютона такова: "Существуют системы отсчета, относительно которых всякое тело сохраняет состояние своего движения (состояние покоя или равномерного прямолинейного движения), пока действие всех тел и полей на него компенсировано". Если мы имеем хотя бы одну такую инерциальную систему отсчета, то всякая другая система отсчета, которая движется относительно первой равномерно и прямолинейно, также является инерциальной. Все другие системы отсчета называются неинерциальными. Оговоримся прежде всего, что под системой отсчета понимается тело отсчета, относительно которого рассматривается движение, связанная с телом отсчета система координат (например, декартова система координат, состоящая из трех взаимоперпендикулярных пространственных координатных осей), и заданный способ определения времени.

Тот факт, что ускорения тел относительно обеих инерциальных систем отсчета одинаковы, позволяет сделать вывод о том, что законы механики, определяющие причинно-следственные связи движения тел, одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. И это составляет суть принципа относительности Галилея: "Во всех инерциальных системах отсчета все физические явления происходят одинаково".

Мы намеренно в формулировке употребили более широкое определение, говоря обо всех физических явлениях, хотя первоначально принцип относительности Галилея относился лишь к механическим явлениям. Однако не следует забывать, что существующая вплоть до XX века механистическая картина мира ставила своей задачей сведение всех физических явлений к механическим. А развитие физики нашего столетия распространило принцип относительности Галилея на все физические явления.

Попробуем критически взглянуть на проделанные нами процедуры при получении преобразований Галилея. Беря производные по времени от кинематических параметров, мы рассматривали изменения этих величин за бесконечно маленькие промежутки времени. При этом нам представлялось само собой разумеющимся, что эти бесконечно маленькие промежутки времени, равно как и любые промежутки времени, одинаковы в обеих системах отсчета. Желая описать движение какого-либо тела, то есть получить уравнений зависимости координат тела от времени, мы некритически оперируем понятием времени. И так было вплоть до создания теории относительности Эйнштейна. Все наши суждения, в которых время играет какую-либо роль, всегда являются суждениями об одновременных событиях. А отсюда -- два следствия, неявно присутствующие в наших рассуждениях: во-первых, что "правильно идущие часы" идут синхронно в любой системе отсчета; во-вторых, что временные интервалы, длительность событий одинакова во всех системах отсчета.

Иными словами, мы пользуемся ньютоновским истинным математическим временем, протекающим независимо от чего-либо, независимо от движения.

Рассмотрим теперь неинерциальные системы отсчета. Система отсчета, которая движется относительно инерциальной системы отсчета с ускорением, является неинерциальной. Как следует из принципа относительности Галилея, никакими опытами, проведенными в инерциальной системе отсчета, невозможно установить, покоится ли она или движется равномерно или прямолинейно, то есть движение инерциальной системы отсчета не влияет на ход протекающих в ней физических процессов. В неинерциальных системах отсчета это не так: всякое ускорение системы сказывается на происходящих в ней явлениях. Таким образом, на неинерциальные системы отсчета принцип относительности Галилея не распространяется, и законы Ньютона в них не выполняются. Можно попытаться использовать законы Ньютона для описания движения тел и в неинерциальных системах отсчета. Для этого вводят дополнительные силы -- силы инерции, равные произведению массы тела на ускорение системы отсчета, но при этом направленные противоположно ускорению системы отсчета.

28.(26)

Теория относительности Альберта Эйнштейна

Частная (специальная) теория относительности

Наибольшую известность Эйнштейну принесла теория относительности, изложенная им впервые в 1905 г. в статье «К электро-динамике движущихся тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. Будучи студентом, Эйнштейн изучал труды Максвелла, был убежден в существовании всепроникающего эфира и размышлял о том, как на него действуют различные поля (в частности, магнитное) и как можно экспериментально обнаружить движение относительно эфира. Теперь Эйнштейн решительно отверг концепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамками механики. Исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, делавших излишней гипотезу о существовании эфира, которые составили основу обобщенного принципа относительности:

1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отчета и не должны меняться при преобразованиях Лоренца;

2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения источника.

Эйнштейн выдвинул удивительный и на первый взгляд парадоксальный постулат, что скорость света для всех наблюдателей, как бы они ни двигались, одинакова. Этот постулат (при выполнении некоторых дополнительных условий) приводит к полученным ранее Х. Лоренцем формулам для преобразований координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой. Но Лоренц рассматривал эти преобразования как вспомогательные, или фиктивные, не имеющие непосредственного отношения к реальному пространству и времени. Эйнштейн понял реальность этих преобразований, в частности, реальность относительности одновременности.

Таким образом, принцип относительности, установленный для механики еще Галилеем, был распространен на электродинамику и другие области физики. Это привело, в частности, к установлению важного универсального соотношения между массой М, энергией Е и импульсом Р: E2 = М2c4 + P2с2 (где с - скорость света), которое можно назвать одной из теоретических предпосылок использования внутриядерной энергии.

29(27)

Общая теория относительности

В 1905 г. Эйнштейну было 26 лет, но его имя уже приобрело широкую известность. В 1909 г. он избран профессором Цюрихского университета, а через два года - Немецкого университета в Праге. В 1912 г. Эйнштейн возвратился в Цюрих, где занял кафедру в Политехникуме, но уже в 1914 г. принял приглашение переехать на работу в Берлин в качестве профессора Берлинского университета и одновременно директора Института физики. Германское подданство Эйнштейна было восстановлено. К этому времени уже полным ходом шла работа над общей теорией относительности. В результате совместных усилий Эйнштейна и его бывшего студенческого товарища М. Гроссмана в 1912 г. появилась статья «Набросок обобщенной теории относительности», а окончательная формулировка теории датируется 1915 г. Эта теория, по мнению многих ученых, явилась самым значительным и самым красивым теоретическим построением за всю историю физики. Опираясь на всем известный факт, что «тяжелая» и «инертная» массы равны, удалось найти принципиально новый подход к решению проблемы, поставленной еще И. Ньютоном: каков механизм передачи гравитационного взаимодействия между телами и что является переносчиком этого взаимодействия.

Ответ, предложенный Эйнштейном, был ошеломляюще неожиданным: в роли такого посредника выступала сама «геометрия» пространства - времени. Любое массивное тело, по Эйнштейну, вызывает вокруг себя «искривление» пространства, то есть делает его геометрические свойства иными, чем в геометрии Евклида, и любое другое тело, движущееся в таком «искривленном» пространстве, испытывает воздействие первого тела.

Созданная А. Эйнштейном общая теорией относительности является обобщением ньютоновской теории тяготения на основе специальной теории относительности. В основе общей теории относительности лежит принцип эквивалентности - локальной неразличимости сил тяготения и сил инерции, возникающих при ускорении системы отсчета. Этот принцип проявляется в том, что в заданном поле тяготения тела любой массы и физической природы движутся одинаково при одинаковых начальных условиях. Теория Эйнштейна описывает тяготение как воздействие физической материи на геометрические свойства пространства-времени; в свою очередь, эти свойства влияют на движение материи и другие физические процессы. В таком искривленном пространстве-времени движение тел «по инерции» (т.е. при отсутствии внешних сил, кроме гравитационных) происходит по геодезическим линиям, аналогичным прямым в неискривленном пространстве, но эти линии уже искривлены. В сильном поле тяготения геометрия обычного трехмерного пространства оказывается неевклидовой, а время течет медленнее, чем вне поля.

Общая теория относительности привела к предсказанию эффектов (конечной скорости изменения поля тяготения, равной скорости света в вакууме - это изменение переносится в виде гравитационных волн; возможности возникновения черных дыр и др.), которые вскоре получили экспериментальное подтверждение. Она позволила также сформулировать принципиально новые модели, относящиеся ко всей Вселенной, в том числе и модели нестационарной (расширяющейся) Вселенной.

Из уравнений релятивистской механики (как и механики Ньютона) вытекает закон сохранения энергии, для которого получается новое выражение: E = mc2. Это - знаменитое соотношение Эйнштейна, связывающее массу тела и его энергию. Иногда это соотношение ошибочно истолковывают как указание на возможность взаимных превращений массы и энергии. В действительности же оно означает лишь то, что масса всегда пропорциональна энергии. В частности, наличие у покоящейся частицы массы говорит и о наличии у нее энергии (энергии покоя), что не играет роли в классической механике, но приобретает принципиальное значение при рассмотрении процессов, в которых число и сорт частиц может изменяться и поэтому энергия покоя может переходить в другие формы. В атомных ядрах энергия притяжения частиц приводит к тому, что общая масса ядра оказывается меньше суммы масс отдельных частиц (дефект массы). Установление этого факта явилось одним из важнейших шагов к возникновению ядерной энергетики, так как позволило оценить ту значительную энергию, которая должна высвобождаться при делении тяжелых и слиянии легких ядер.