- •Молекулярна фізика. Лабораторний практикум
- •Перелік лабораторних робіт
- •Список рекомендованої літератури
- •Частина і. Молекулярна фізика. Розділ 1. Будова речовини
- •1.1. Модель речовини. Маси атомів і молекул
- •1.2. Сили міжмолекулярної взаємодії. Агрегатні стани речовини
- •1.3. Енергія міжмолекулярної взаємодії. Потенціал Ленарда–Джонса
- •1.4. Структура речовини
- •1.4.1. Газоподібний стан
- •1.4.2. Рідини
- •1.4.3. Тверді тіла
- •Розділ 2. Основи молекулярно-кінетичної теорії газів
- •2.1. Ідеальний газ. Ізопроцеси. Рівняння стану ідеального газу
- •2.2. Тиск і температура ідеального газу. Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії
- •2.3. Поняття про статистичний розподіл. Функції розподілу
- •2.3.1. Закони розподілу молекул ідеального газу за швидкостями й енергіями теплового руху (розподіл Максвелла)
- •2.3.2. Барометрична формула. Розподіл Больцмана
- •2.3.3. Розподіл Максвелла–Больцмана
- •2.3.4. Квантові аспекти розподілів. Розподіли Бозе–Айнштайна і Фермі–Дірака
- •2.4. Середня кількість зіткнень молекул. Середня довжина вільного пробігу
- •Розділ 3. Основи термодинаміки
- •3.1. Головні поняття й означення
- •3.2. Внутрішня енергія ідеального газу Молекули ідеального газу не взаємодіють на відстані, тому
- •Вище доведено, що середня кінетична енергія теплового руху молекули ідеального газу
- •3.3. Теплоємність ідеального газу
- •Для ізобарного процесу
- •3.4. Теплоємність рідин
- •3.5. Теплоємність твердих тіл
- •3.5.1. Класична теорія теплоємності твердих тіл
- •3.5.2. Квантові теорії теплоємності твердих тіл.
- •3.6. Адіабатний процес
- •3.7. Політропні процеси
- •3.8. Робота в термодинамічних процесах
- •3.9. Стисливість газів
- •3.10. Ентропія
- •3.11. Циклічні процеси. Теплові машини
- •Розділ 4. Реальні гази
- •4.1. Рівняння стану реального газу. Рівняння Ван-дер-Ваальса
- •4.2. Внутрішня енергія і теплоємність реального газу
- •Розділ 5. Поверхневий натяг. Капілярні явища
- •На підставі (5.3) рівняння (5.4) запишемо у вигляді
- •Розділ 6. Фазові переходи
- •6.1. Агрегатні стани і фази речовини
- •6.2. Фазові переходи першого і другого роду
- •Розділ 7. Явища перенесення
- •7.1. Самодифузія і взаємна дифузія
- •7.2. Теплопровідність
- •7.4. Розріджені гази. Вакуум
- •Частина іі. Молекулярна фізика. Лабораторний практикум. Лабораторна робота № 201. Визначення коефіцієнта в’язкості рідини методом стокса
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 202. Дослідження залежності коефіцієнта в’язкості рідини від температури
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 203. Визначення коефіцієнта в’язкості рідини за допомогою капілярного віскозиметра оствальда
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота №205. Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини методом відривання кільця
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 206. Дослідження залежності коефіцієнта поверхневого натягу рідини від температури методом максимального тиску в бульбашці
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота №208. Дослідження теплового розширення металів
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота №209. Визначення питомої теплоємності металів методом охолодження
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 210. Визначення сталої больцмана та універсальної газової сталої
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота №211. Визначення середньої довжини вільного пробігу та ефективного діаметра молекул повітря
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 212 визначення співвідношення теплоємностей повітря сp/сv методом клемана–дезорма
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 213. Визначення співвідношення теплоємностей повітря ср / сv методом стоячої хвилі
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 214. Вимірювання вологості повітря психрометром
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 215. Дослідження критичного стану речовини
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота №216. Дослідження процесу плавлення кристалічних речовин
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Додатки Головні фізичні сталі
- •Густина твердих тіл . За температури 20ºС
- •Густина рідин за температури 20ºС
- •Густина газів
- •Додаток 4 Теплофізичні коефіцієнти твердих тіл
- •Додаток 5 Пружні властивості твердих тіл
- •Додаток 6 Коефіцієнти лінійного теплового розширення твердих тіл в інтервалі 0–100 ºС
- •Додаток 7 Швидкість поширення звуку в різних середовищах
- •Додаток 8 Деякі фізичні характеристики рідин
- •Додаток 11 Коефіцієнт об’ємного теплового розширення деяких рідин
3.11. Циклічні процеси. Теплові машини
Коловим, або циклічним, процесом називають процес, за якого система повертається в початковий стан через низку проміжних станів.
У координатах рV циклічний процес зображають замкненою кривою (рис. 3.6). Якщо під час циклічного процесу виконана робота додатна ( >0), то цикл називають прямим (див. рис. 3.6, а). Якщо ж А<0, то цикл обернений (див. рис. 3.6, б).
У
а) б)
Рис. 3.6. Циклічні процеси
Т
Рис. 3.7. Структурна схема теплової і
холодильної машин
Внутрішня енергія U є функцією стану термодинамічної системи. Отже, для циклічного процесу ΔU=0, оскільки система завжди повертається в початковий стан. За цих умов, згідно з першим законом термодинаміки, Q=A, де Q – кількість теплоти, отримана системою за повний цикл; А – робота системи протягом циклу.
Р
Рис. 3.8. Цикл Карно
Головною характеристикою будь-якого оборотного циклу є його коефіцієнт корисної дії η, який визначають як відношення корисної роботи Ак до кількості теплоти Q1, яку система отримує від нагрівника протягом циклу:
Рис. 3.9. Цикл Карно в координатах
ТS
У координатах ТS цикл Карно має інший вигляд (рис. 3.9). Цим графіком зручно скористатись, щоб вивести іншу формулу для к.к.д. циклу Карно. Зокрема, корисній роботі Ак на графіку відповідає заштрихована площа 1–2–3–4, отже,
. (3.66)
Кількості теплоти Q1 відповідає площа прямокутника 1–2 –S2–S1:
Q1=T1(S2–S1). (3.67)
Тоді на підставі (3.65) – (3.67) отримаємо
, (3.68)
де Т1, Т2 – температури нагрівника і холодильника, відповідно. Зазначимо, що співвідношення (3.68), на відміну від (3.65), застосовне лише для оборотного циклу Карно.
Ми довели одне з важливих положень термодинаміки – першу теорему Карно, яка твердить, що к.к.д. циклу Карно не залежить від природи робочого тіла, а визначений лише температурами нагрівника і холодильника.
Друга теорема Карно стверджує, що к.к.д. необоротного циклу Карно не може перевищувати к.к.д. оборотного циклу Карно, якщо в обох циклах нагрівник і холодильник є спільними.
Отже, на підставі другої теореми Карно
або . (3.69)
Співвідношення (3.69) – це нерівність Клаузіуса для циклу Карно. Якщо узагальнити (3.69), то для будь-якого циклу можна довести, що або, ввівши ентропію S,
тобто ΔS . (3.70)
Співвідношення (3.70) є одним з виразів другого закону термодинаміки: в ізольованих системах усі фізичні процеси не супроводжуються зменшенням ентропії. Якщо процес оборотний, то ΔS=0, тобто ентропія системи є сталою. За умови необоротного процесу ΔS>0, тобто ентропія системи зростає.
Є ще кілька формулювань другого закону термодинаміки.
1. Неможливий процес, єдиний результат якого – передавання теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого (Р. Клаузіус).
2. Неможливий процес, єдиним результатом якого є виконання роботи лише внаслідок охолодження одного тіла (У. Томсон).
Неважко довести, що всі три формулювання другого закону термодинаміки еквівалентні.