Основы термодинамики (уч.10кл.Стр.284-285)

Теория тепловых процессов, в которой не учитывается молекулярное строение тел, называется термодинамикой.

Термодинамика – теория наиболее общих энергетических превращений макроскопических систем.

Внутренняя энергия тела – сумма кинетической энергии хаотического движения его частиц (атомов, молекул) и потенциальной энергией их взаимодействия

Внутренняя энергия идеального газа

U = RT = pV

Число степеней свободы i - число возможных независимых направлений движения молекулы.

Внутренняя энергия замкнутой теплоизолированной системы сохраняется.

Изменение внутренней энергии возможно в результате теплообмена и работы внешних сил.

Теплообмен – процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы

Количество теплоты, получаемое телом – энергия, передаваемая телу извне в результате теплообмена.

Работа совершаемая газом

A = p∆V

При расширении ∆V>0, при сжатии ∆V<0

Первый закон термодинамики – количество теплоты, подведенное в к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы

Q = ∆U + A

Первый закон термодинамики при изопроцессах

- изохорный процесс Q = ∆U

- изотермический процесс Q = A

- изобарный процесс Q = ∆U + A

- адиабатный процесс A = - ∆U

Адиабатный процесс – термодинамический процесс в теплоизолированной системе (Q=0)

Тепловые двигатели – устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Наличие нагревателя и холодильника – необходимые условия для непрерывной работы теплового двигателя.

Замкнутый цикл – совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние.

Для циклического процесса требуется сжатие газа, которое не может происходить самопроизвольно. Необходимое уменьшение объема газа возможно при его охлаждении.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя – отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя

η =

Цикл Карно – цикл работы теплового двигателя, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов.

В цикле Карно исключена теплопередача без совершения работы, поэтому его КПД максимален

η_max = =

Т₁ – температура нагревателя, Т₂ – температура холодильника

Второй закон термодинамики:

в циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, полученной от нагревателя, в механическую работу.

Второй закон термодинамики – следствие необратимости тепловых процессов.

Необратимый процесс – процесс, обратный которому самопроизвольно не происходит.

Второй закон термодинамики определяет статистическую направленность изменения состояния системы, состоящий из большого числа частиц.

Статистическая формулировка второго закона термодинамики:

замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное (или из менее вероятного в более вероятное состояние)

Тепловое равновесие температура и ее измерение(уч.10кл.Стр.239-241)

Равновесное стационарное состояние газа (уч.10кл.стр.239)

Температура – определение

Единица термодинамической температуры – Кельвин

Абсолютный нуль.

Абсолютная температурная шкала

Шкалы Цельсия и Фаренгейта.

Соотношения шкал

ДОБАВИТЬ ПРО ТЕРМОМЕТРЫ

Скорость теплового движения молекул

Молярная газовая постоянная

Основное уравнение МКТ для идеального газа устанавливает связь легко измеряемого макроскопического параметра – давления – с такими микроскопическими параметрами газа, как средняя кинетическая энергия и концентрация молекул. Но, измерив только давление, мы не можем узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужны измерения еще какой-то физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул.

Такой величиной является температура.

В результате большого числа столкновений между молекулами газа устанавливается стационарное равновесное состояние – состояние, при котором число молекул в заданном интервале скоростей остается постоянным.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.

Тепловое равновесие – это такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными.

Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

Температура — скалярная физическая величина, описывающая состояние тер­модинамического равновесия (состояния, при кото­ром не происходит изменения микроскопических па­раметров).

Как термодинамическая величина температура характеризует тепловое состояние системы и измеряется степенью его отклонения от принятого за нулевое, как молекулярно-кинетическая величина характеризует интенсивность хаотического движения молекул и измеряется их средней кинетической энергией.

Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины в зависимости от температуры: объема, давления, электрического сопротивления и т.д.

Чаще всего на практике используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры.

При градуировке термометра обычно за начало отсчета (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении (шкала Цельсия).

Так как различные жидкости расширяются при нагревании неодинаково, то установленная таким образом шкала будет до некоторой степени зависеть от свойств данной жидкости.

Конечно, 0 и 100С будут совпадать у всех термометров, но 50С совпадать не будут.

В отличие от жидкостей все разреженные газы расширяются при нагревании одинаково и одинаково меняют свое давление при изменении температуры. Поэтому в физике для установления рациональной температурной шкалы используют изменение давления определенного количества разреженного газа при постоянном объеме или изменение объема газа при постоянном давлении.

Такую шкалу иногда называют идеальной газовой шкалой температур.

При тепловом равновесии средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул всех газов одинакова. Давление прямо пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул: p = n

При тепловом равновесии, если давление газа данной массы и его объем фиксированы, средняя кинетическая энергия молекул газа должна иметь строго определенное значение, как и температура. Т.к. n = , то p = или = .

Обозначим = Θ.

Величина Θ растет с повышением температуры и ни от чего, кроме температуры не зависит. Следовательно, ее можно считать естественной мерой температуры.

Важнейшим макроскопическим параметром, характеризующим стационарное равновесное состояние любого тела, является температура.

Температура – мера средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул. тела.

Средняя кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул пропорциональна термодинамической (или абсолютной температуре):

= kT

k = 1,38*10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана

Постоянная Больцмана является коэффициентом, переводящим температуру из градусной меры (К) в энергетическую (Дж) и обратно.

Она связывает температуру в Θ в энергетических единицах (Дж) с температурой Т в Кельвинах.

Единица термодинамической температуры – К (Кельвин)

1 К = 1^оС

Кинетическая энергия не может быть отрицательной. Следовательно не может быть отрицательной и термодинамическая температура. Она обращается в нуль, когда кинетическая энергия молекул становится равной нулю.

Абсолютный нуль (0К) – температура, при которой должно прекратиться движение молекул.

Для оценки скорости теплового движения молекул в газе рассчитаем средний квадрат скорости:

= = =

Произведение kN_a = R = 8,31 Дж/(моль*К) называется молярной газовой постоянной

Средняя квадратичная скорость молекул:

v_ср.кв. = =

Эта скорость близка по значению к средней и наиболее вероятной скорости и дает представление о скорости теплового движения молекул в идеальном газе.

При одинаковой температуре скорость теплового движения молекул газа тем выше, чем ниже его М.

Шкала Цельсия – опорная точка – температура таяния льда 0^оС, температура кипения воды – 100^оС

Шкала Кельвина - опорная точка – абсолютный нуль – 0^оК (-273,15^оС)

t^оК = t^оС -273

Шкала Фаренгейта – опорная точка – наименьшая температура, которую Фаренгейту удалось получить из смеси воды, льда и морской соли – 0^оF , верхняя опорная точка – температура тела человека - 96 ^оF УТОЧНИТЬ