- •Предисловие
- •Программа курса «Молекулярная физика. Термодинамика.»
- •2. Учебно-тематический план
- •3. Содержание курса
- •4. Примерная тематика семинарских занятий
- •5. Средства обеспечения дисциплины
- •Введение
- •Все вещества состоят из атомов или молекул
- •Атомы и молекулы веществ находятся в состоянии беспорядочного движения
- •Между атомами и молекулами вещества действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания.
- •Глава 1 Термодинамика
- •§1. Температура и термодинамическое равновесие
- •Давление
- •§2. Уравнение состояния идеального газа
- •§3. Законы идеальных газов
- •Изотермический процесс
- •Изобарический процесс
- •Закон Авогадро
- •Закон Дальтона
- •§4. Первое начало термодинамики
- •§5. Макроскопическая работа
- •I начало термодинамики для системы в адиабатической оболочке
- •§6. Внутренняя энергия
- •§7. Количество теплоты. Математическая формулировка первого начала термодинамики
- •§8. Различные приложения I начала термодинамики. Теплоёмкость
- •§9. Внутренняя энергия идеального газа. Закон Джоуля
- •Уравнение Роберта Майера
- •§10. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона
- •Работа при адиабатическом изменении объёма газа
- •§11. Политропический процесс
- •Вопросы и задания для самостоятельной работы студентов Основы термодинамики. I начало термодинамики
- •§12. II начало термодинамики
- •Различные формулировки основного постулата, выражающего II начало термодинамики
- •§13. Равновесные состояния
- •§14. Обратимые и необратимые процессы
- •Необратимость и вероятность
- •§15. Цикл Карно
- •Коэффициент полезного действия в цикле Карно
- •§16. Холодильная машина
- •§17. Свободная энергия
- •§18. Энтропия
- •§19. Некоторые термодинамические соотношения
- •§20. Закон возрастания энтропии. Второе начало термодинамики
- •Увеличение энтропии при теплопередаче
- •§21. Энтропия и вероятность
- •§22. Энтропия и беспорядок
- •§23. Третье начало термодинамики
- •Вопросы для контроля самостоятельной работы студентов
- •II начало термодинамики. Энтропия.
- •Глава 2. Неравновесная термодинамика §1. Основные принципы линейной термодинамики
- •§2. Нелинейная термодинамика
- •§3. Принцип синергетики
- •Свойства и примеры самоорганизации диссипативных структур
- •Глава 3. Статистическая физика и её применение к идеальному газу
- •§1. Давление газа с точки зрения молекулярно – кинетической теории
- •§2. Температура как мера средней энергии хаотичного движения молекул
- •Скорость газовых молекул
- •§3. Броуновское движение
- •§4. Кинетическая теория теплоты Внутренняя энергия идеального газа
- •§5. Классическая теория теплоёмкости и её недостатки
- •§6. Барометрическая формула
- •Закон Больцмана
- •§7. Распределение молекул по скоростям
- •§8. Функция распределения
- •§9. Формула Максвелла
- •§10. Средняя арифметическая, средняя квадратичная и наивероятнейшая скорости молекул
- •§11. Среднее число молекул, сталкивающихся со стенкой сосуда
- •Вопросы для контроля знаний студентов Молекулярно-кинетическая теория
- •Глава 4. Явления переноса §1. Столкновение молекул и явления переноса
- •§2. Среднее число столкновений в единицу времени и средняя длина свободного пробега молекул
- •§3. Рассеяние молекулярного пучка в газе
- •§4. Явление переноса в газах. Уравнение переноса
- •§5. Диффузия
- •§6. Нестационарная диффузия
- •§7. Теплопроводность газов
- •§8. Вязкость газов (внутреннее трение)
- •§9. Соотношения между коэффициентами переноса
- •§10. Физические явления в разреженных газах
- •Вопросы для самостоятельного контроля знаний студентов Явления переноса
- •Глава 5 §1. Неидеальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Отклонение свойств газов от идеальности
- •Уравнение Ван-Дер-Ваальса
- •§2. Учет сил отталкивания между молекулами
- •§3. Учет сил притяжения между молекулами
- •§4. Изотермы Ван-дер-Ваальса
- •§5. Критическая температура и критическое состояние
- •§6. Недостатки уравнения Ван-дер-Ваальса
- •§7. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса
- •§8. Приведенное уравнение Ван-дер-Ваальса. Закон соответственных состояний
- •§9. Сжижение газов
- •Эффект Джоуля-Томсона
- •Вопросы для самоконтроля изученного материала Реальные газы
- •Глава 6. Жидкое состояние §1.Строение жидкостей
- •§2. Поверхностное натяжение
- •§3. Условия равновесия на границе двух сред. Краевой угол
- •§4. Граница жидкости и твердого тела
- •§5. Силы, возникающие на кривой поверхности жидкости
- •§6. Капиллярные явления
- •§7. Упругость насыщенного пара над кривой поверхностью жидкости
- •Вопросы для самоконтроля знаний студентов
- •Глава 7. Жидкие растворы §1. Свойства растворов
- •§2. Упругость насыщенного пара над идеальным раствором
- •§3. Закон Генри
- •§4. Осмотическое давление
- •Глава 8. Кристаллическое состояние §1. Отличительные черты кристаллического состояния
- •§2. Классификация кристаллов
- •§3. Физические типы кристаллических решеток
- •§4. Тепловое движение в кристаллах
- •Глава 9. Фазовые переходы §1. Фаза и фазовые равновесия
- •§2. Условия равновесия фаз химически однородного вещества
- •§3. Уравнение Клапейрона
- •Вопросы для самоконтроля знаний студентов
- •Содержание
I начало термодинамики для системы в адиабатической оболочке
Пусть термодинамическая система заключена в какую-то оболочку, отделяющую её от других тел. Различные части оболочки могут перемещаться, например, газ в цилиндре с поршнем. Изменить состояние системы внутри оболочки можно различными способами. Один из способов - перемещение поршня, т. е. изменение внешних параметров, определяющих наряду с температурой внутреннее состояние системы. Это способ, сопровождается производством механической работы. Работа внешних сил, связанная с перемещением оболочки или изменением внешних параметров называется макроскопической работой, произведённой над системой – A внеш.
Но состояние тел в оболочке можно изменять и без механических перемещений её стенок. Так, нагревая поршень, можно изменить состояние газа, как и при изменении объёма газа в цилиндре.
Оболочка называется адиабатической, когда состояние заключённой в ней системы остаётся неизменным при любых изменениях температуры окружающих тел, если только значения внешних параметров поддерживаются постоянными. Таким образом, изменить состояние тела в адиабатической оболочке можно только путём изменения внешних параметров. Систему, заключённую в адиабатическую оболочку, называют адиабатически изолированной.
Если система тел адиабатически изолирована, то работа внешних сил над этой системой зависит только от ее начального и конечного состояний, но совсем не зависит от способа или пути, каким осуществляется переход системы из начального состояния конечное. Это один из постулатов I начала термодинамики. Таким образом, работа, совершаемая газом, находящимся в адиабатической оболочке является функцией состояния.
§6. Внутренняя энергия
Понятие внутренней энергии относится только к равновесным состояниям. Будем считать, что начальные и конечные состояние системы являются равновесными.
Внутренней энергией системы U называется функция состояния, приращение которой во всяком процессе, совершаемое системой в адиабатической оболочке, равно работе внешних сил над системой при переходе её из начального состояния в конечное, т.е.
U2-U1=A12.
Как всякая энергия, внутренняя энергия определена не однозначно, а с точностью до определённой постоянной. Такая неоднозначность не отражается в реальном содержании физических выводов, т.к. реальный смысл имеют не сама энергия, а их разности в различных состояниях. Одно из состояний можно принять за нулевое и условиться считать, что в этом состоянии внутренняя энергия равна нулю. Тогда внутренняя энергия в другом состоянии определится однозначно.
Таким образом, можно дать следующее определение внутренней энергии. Внутренней энергией системы в каком – либо равновесном состоянии называется работа, которую должны совершить внешние силы, чтобы любым возможным адиабатическим путём перенести систему из нулевого состояния в рассматриваемое.
Надо отметить, что внутренняя энергия не включает энергию макроскопических движений системы и действие внешних силовых полей. Она зависит только от параметров, характеризующих внутреннее состояние тела. Внутренняя энергия, в свою очередь, состоит из суммы внутренних энергий макроскопических подсистем, на которую мысленно можно разделить всю систему, а также энергии взаимодействия этих подсистем.
С точки зрения молекулярной физики внутренняя энергия представляет сумму кинетических энергий всех частиц системы плюс потенциальную энергию взаимодействия между ними. Отметим, что внутренняя энергия является функцией состояния. Для кругового процесса .