3. Термодинамические процессы; графическое изображение процессов. Направленные процессы. Примеры термодинамических процессов.

Термодинамический процесс — переход термодинамической системы из одного состояния в другое, который всегда связан с нарушением равновесия системы.

Адиабатический процесс — термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается тепловой энергией с окружающим пространством. Адиабатический процесс для идеального газа описывается уравнением Пуассона. Линия, изображающая адиабатный процесс на термодинамической диаграмме, называется адиабатой. Адиабатическими можно считать процессы в целом ряде явлений природы. Так же такие процессы получили ряд применений в технике.

Изотермический процесс — термодинамический процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре. К изотермическим процессам относятся, например, кипение жидкости или плавление твёрдого тела при постоянном давлении. Графиком изотермического процесса является изотерма.

изобарный процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении и постоянной массе идеального газа.

Согласно закону Гей-Люссака, при изобарном процессе в идеальном газе .

Работа, совершаемая газом при расширении или сжатии газа, равна .

Количество теплоты, получаемое или отдаваемое газом, характеризуется изменением энтальпии: .

4. Внутренняя энергия. Циклические процессы. Работа и теплота. Первое начало термодинамики.

Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.

Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии:

Работа – одна из форм обмена энергией (наряду с теплотой) термодинамической системы с окружающими телами или количественная характеристика преобразованной энергии в физических процессах. Работа положительна, если она отдает энергию и отрицательна, если получает.

Теплота - кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы.

Первое начало термодинамики - термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

5. Теплоемкость. Закон Джоуля. Физический смысл универсальной газовой постоянной. Формула Майера. Энтальпия термодинамической системы. Теплоемкости одноатомных и многоатомных газов. Отношение теплоемкостей.

Теплоемкость – физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты δQ, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры δT:

Закон Джоуля. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и не зависит от его плотности.

Физический смысл универсальной газовой постоянной. УГЗ численно равна работе (расширению), которую совершает 1 моль идеального газа при его нагревании на 1 К при р=const. Таким образом для одного моля идеального одноатомного газа выполняется (формула Майера):

Первое больше второго по 1 началу термодинамики.

Энтальпия или энергия расширенной системы Е равна сумме внутренней энергии газа U и потенциальной энергии поршня с грузом E_пот = pSx = pV

Таким образом, энтальпия в данном состоянии представляет собой сумму внутренней энергии тела и работы, которую необходимо затратить, чтобы тело объёмом V ввести в окружающую среду, имеющую давление р и находящуюся с телом в равновесном состоянии. Энтальпия системы H — аналогично внутренней энергии и другим термодинамическим потенциалам  — имеет вполне определенное значение для каждого состояния, т. е. является функцией состояния. Следовательно, в процессе изменения состояния.

Так как энергия одной молекулы идеального газа , то внутренняя энергия одного моля идеального газа равна:

.

       то есть

.

(4.3.1)

       Внутренняя энергия произвольного количества газа:

.

(4.3.2)

       Её изменение:

.

       Теплоёмкости одноатомных газов  С_V  и  С_Р       

.

       где теплоемкость при постоянном объеме С_V – величина постоянная, от температуры не зависит.        Учитывая физический смысл R для изобарических процессов, можно записать:

(для одного моля)

(4.3.3)

       Тогда теплоемкость при постоянном давлении для одноатомных газов:

или

       Полезно знать соотношение:

(4.3.4)

       где γ - коэффициент Пуассона,        Так как , то  . Из этого следует, что

(4.3.5)

       Кроме того, , где i – число степеней свободы молекул.        Подставив в выражение для внутренней энергии, получим:

       Так как , то внутреннюю энергию можно найти по формуле

(4.3.6)

       То, что , хорошо подтверждается на опыте с Ne, He, Ar, Kr, парами одноатомных металлов.        Теплоемкости многоатомных газов        Опыты с двухатомными газами, такими как азот, кислород и др., показали, что

       Для водяного пара и других многоатомных газов (СН₃, СН₄ и так далее)

       Таким образом, молекулы многоатомных газов нельзя рассматривать как материальные точки. Необходимо учитывать вращательное движение молекул и число степеней свободы этих молекул.        Числом степени свободы (i) называется число независимых переменных, определяющих положение тела в пространстве.        Положение одноатомной молекулы, как и материальной точки, задаётся тремя координатами, поэтому она имеет три степени свободы (рис. 4.3).

Рис. 4.3

       Многоатомная молекула может ещё и вращаться. Например, у двухатомных молекул вращательное движение можно разложить на два независимых вращения, а любое вращение можно разложить на три вращательных движения вокруг взаимно перпендикулярных осей. Но для двухатомной молекулы вращение вокруг её собственной оси не изменит её положение в пространстве, а момент инерции относительно этой оси равен нулю (рис. 4.3).        Таким образом, у двухатомных молекул пять степеней свободы (i = 5), а у трёхатомных шесть степеней свободы (i = 6).

       При взаимных столкновениях молекул возможен обмен их энергиями и превращение энергии вращательного движения в энергию поступательного движения и обратно. Таким путём было установлено равновесие между значениями средних энергий поступательного и вращательного движения молекул. Больцман доказал, что для не слишком низких температур средняя энергия , приходящаяся на одну степень свободы, равна