Раздел 2. Молекулярно - кинетическая теория и основы термодинамики Тема 2.1. Основы молекулярно - кинетической теории

Основные понятия и определения Молекулярно - кинетическая теория – это раздел физики, который изучает строение и свойства тел движением и взаимодействием атомов, молекул и ионов, из которых состоит вещество Атом – это наименьшая частица данного химического элемента Молекула – это наименьшая устойчивая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы состоят из одного или более атомов и для данного вещества все молекулы одинаковые

Основные положения МКТ Все вещества состоят из частиц – атомов, молекул и ионов. В состав атомов входят более мелкие элементарные частицы ( протоны, электроны, нейтроны ) Атомы, молекулы и ионы находятся в постоянном хаотическом движении Между частицами любого тела существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания

Броуновское движение Броуновским движением называется непрерывное хаотическое движение частиц, помещенных в жидкость или газ при условии, что сила тяжести не влияет на их движение Причина броуновского движения состоит в том, что молекулы жидкости и / или газа воздействуют на броуновские частицы с различными импульсами и тоже хаотически движутся Броуновское движение – есть прямое экспериментальное доказательство существования молекул жидкости ( газа ) Законы броуновского движения : Продолжается неограниченно долго без видимых изменений Характеристики броуновского движения не зависят от вещества частиц, а только от их размера и формы Характеристики движения частиц ( средний квадрат перемещения частицы ) возрастает с ростом температуры жидкости ( газа ) и уменьшается с увеличением их вязкости

Диффузия Диффузия – это процесс выравнивания плотностей ( или концентраций ) двух веществ при их смешивании друг с другом. Причиной диффузии является беспорядочное движение частиц веществ и изменение плотности вдоль какого - либо направления ( направления диффузии ) Диффузия ускоряется с повышением температуры

Измерение вещества Количество вещества – это физическая величина, определяемая количеством элементов вещества. Мерой измерения количества вещества является один моль Количество структурных элементов в 1 моле вещества постоянно ( постоянная Авогадро ) Молярным объемом называется объем одного моля вещества Масса одного моля вещества называется молярной массой и зависит от массы одного структурного элемента вещества За 1 единицу атомной массы принята 1/12 массы атома углерода

Силы взаимодействия между молекулами Между молекулами любого вещества действуют силы взаимного притяжения и отталкивания Силы взаимодействия между частицами вещества носят электрический характер Силы притяжения являются краткодействующими – они быстро убывают с увеличением расстояния между молекулами Силы отталкивания убывают еще быстрее Действия сил определяются коэффициентами a и b, характеризующими строение молекул

Потенциальная энергия взаимодействия двух молекул Потенциальной энергией U(r) называется часть энергии системы двух молекул, зависящая от расстояния r между их центрами Величина U(r) измеряется той работой, которую должна проделать сила f(r) для изменения расстояния между молекулами от r до бесконечности Если две молекулы сближаются под воздействием силы f(r), тогда эта сила совершает положительную работу A. При этом кинетическая энергия увеличивается, а потенциальная уменьшается Если молекулы сближаются так, что начинают действовать силы отталкивания, тогда f(r) совершает отрицательную работу –A, и потенциальная энергия будет расти

Агрегатные состояния вещества Существует три агрегатных состояния вещества : Твердое Жидкое Газообразное Определить состояние вещества можно по соотношению минимальной потенциальной энергии взаимодействия двух молекул U 0 со средней кинетической энергией

Тема 2.2. Молекулярно - кинетическая теория и законы идеальных газов

ОСНОВЫ МКТ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ

Идеальный газ Идеальным газом считается газ, между молекулами которого отсутствуют силы взаимного притяжения При соударении молекулы идеального газа между собой и стенками сосуда ведут себя как абсолютно упругие шарики конечных, но весьма малых размеров В элементарной физике считается, что молекулы идеальных газов состоят из одного атома ( одноатомарные газы ) Идеальные газы в природе не существуют. Наиболее близки к идеальным разреженные газы при не слишком низкой температуре и весьма малом давлении

Скорость молекул газов Хаотичность движения молекул газа говорит о том, что в их движении нет преимущественного направления – молекулы с одинаковой вероятностью могут двигаться во всех направлениях Соударение молекул приводит к тому, что скорость и направление их движения постоянно и хаотично меняются Для описания движения молекул газа используют статистические методы, т. е. характеризуют движение средними величинами Скорость движения молекул газов зависит от термодинамической температуры

Основное уравнение кинетической теории газов Основное уравнение КТГ устанавливает связь между давлением p, объемом газов V и кинетической энергией E K поступательного движения молекул газа

Связь кинетической энергии с термодинамической температурой Из уравнения идеального газа для одного моля и уравнения Менделеева Клайперона можно установить связь термодинамической температуры и средней кинетической энергии молекул газа Коэффициент k носит название постоянной Больцмана

ЗАКОНЫ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ

Термодинамика Термодинамика – это раздел физики, в котором изучаются условия превращения одного вида энергии в другой и количественные соотношения при таких превращениях Каждое тело характеризуется термодинамическим состоянием, которое описывается температурой, плотностью, теплоемкостью и т. д. С помощью законов термодинамики можно получить много сведений о свойствах тел и закономерностях процессов, которые происходят с телами в различных условиях

Состояние вещества и уравнение состояния Состояние вещества называется стационарным, если оно не изменяется в течение времени, т. е. не меняется ни один термодинамический параметр Стационарное состояние равновесное, если оно не обусловлено никакими явлениями, происходящими с телами, внешними по отношению к данной системе Основными термодинамическими параметрами, определяющими равновесное состояние считаются удельный объем v, давление p и термодинамическая температура T

Термодинамические процессы Всякое изменение термодинамического состояния тела ( изменение хотя бы одного параметра его состояния ) называется термодинамическим процессом Термодинамический процесс называется равновесным, если тело при этом проходит ряд равновесных состояний Изопроцессами называются термодинамические процессы протекающие при неизменной массе и при постоянном значении одного из термодинамических параметров Изохорный ( изохорический ) Изобарный ( изобарический ) Изотермический ( изотермный )

Изотермический процесс Изотермический процесс протекает при постоянной температуре и подчиняется закону Бойля - Мариота

Изобарный процесс Изобарный процесс протекает при постоянном давлении и для него справедлив закон Гей - Люссака

Изохорный процесс Изохорный процесс протекает при постоянном объеме и описывается законом Шарля

Адиабатический ( адиабатный ) процесс Адиабатическим процессом называется процесс, который осуществляется в системе без теплообмена с ее внешними телами

Закон Авогадро При одинаковых давлениях и одинаковых температурах в равных объемов различных газов содержится одинаковое число молекул При одинаковых давлениях и температурах моли различных идеальных газов занимают одинаковые объемы Число молекул, находящихся в 1 см 3 идеального газа при нормальных условиях (T=273,15 К, p 0 =1, Н / м 2 ) называется постоянной Лошмидта и равно 2, см -3

Тема 2.3. Основы термодинамики

Полная и внутренняя энергия тела Полная энергия тела состоит из : Кинетической энергии его движения как целого K Потенциальной энергии П, обусловленной наличием внешних силовых полей Внутренней энергии U, зависящей только от термодинамического состояния тела Внутренняя энергия U состоит из : Кинетической энергии теплового движения молекул ; Потенциальной энергии частиц, обусловленной силами их взаимодействия Энергии электронов Внутриядерной энергии

Работа Работой идеального газа называется работа, которую совершает газ против внешнего давления Работа положительна, если газ расширяется, и отрицательная, если газ сжимается Работа является мерой изменения энергии системы тел. При совершении работы энергия одного тела переходит в энергию другого тела

Теплота, теплообмен и теплоемкость Теплота – это форма передачи энергии при непосредственном взаимодействии частиц одного тела с частицами другого тела Процесс передачи энергии без совершения работы называется теплообменом Теплота ( количество теплоты ) – это мера переданной в результате теплообмена энергии Теплоемкость – количество теплоты, которое нужно сообщить телу для изменения температуры на 1 градус

Теплоемкость при изопроцессах При адиабатическом процессе, когда Q=0, теплоемкость также равна 0 При изотермическом процессе, когда T = const, понятие теплоемкости не имеет смысла, т. к. не происходит изменения температуры и теплообмена ( T=0, C= ) При кипении жидкости и плавлении тел изменения температуры также не происходит, а следовательно понятие теплоемкости не имеет смысла ( T=0, C= )

Первый закон термодинамики Изменение внутренней энергии тела при переходе из одного состояния в другое равно сумме совершенной над телом работы и полученного им количества теплоты Количество теплоты, полученное телом, расходуется на изменение внутренней энергии и на работу тела против внешних сил Изменение внутренней энергии тела при переходе из одного состояния в другое равно сумме совершенной над телом работы и полученного им количества теплоты Количество теплоты, полученное телом, расходуется на изменение внутренней энергии и на работу тела против внешних сил

Первый закон термодинамики при изопроцессах При изотермическом процессе внутренняя энергия не изменяется, поэтому вся полученная теплота расходуется на работу тела против внешних сил При изорхорном процессе вся полученная теплота расходуется только на изменение внутренней энергии тела ( работа не совершается ) При изобарном процессе расход тепла ведется и на изменение внутренней энергии, и на работу против внешних сил ( внешнего давления ) При адиабатическом процессе вся совершенная работа внешних сил расходуется на изменение внутренней энергии тела ( теплообмена не происходит ).

Обратимые, необратимые и круговые процессы Обратимый процесс – это термодинамический процесс, который допускает возвращение системы в первоначальное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие - либо изменения Чтобы термодинамический процесс являлся обратимым необходимо и достаточно, чтобы он был равновесным Любой процесс, не удовлетворяющий этим условиям – необратимый Круговым процессом ( циклом ) называется процесс, при котором тело возвращается в исходное состояние Круговые процессы являются основой работы тепловых двигателей

Циклы Карно Циклом Карно называется круговой обратимый процесс, состоящий из двух изотерм (1,3) и двух адиабат (2,4), при которых : 1. Рабочее тело получает от нагревателя с постоянной температурой T 1 количество теплоты Q 1 2. При адиабатическом расширении энергия извне к рабочему телу не поступает ( происходит расширение за счет внутренней энергии ) 3. Рабочее тело отдает холодильнику ( теплоприемнику ) с постоянной температурой T 2 (T 2

Термический ( термодинамический ) коэффициент полезного действия Термическим КПД произвольного цикла называется отношение работы, произведенной рабочим телом в прямом цикле, к количеству теплоты Q1, сообщенному рабочему телу нагревателем Термический КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела и определяется только температурами T1 и T2 Невозможно достигнуть КПД = 1, т. к. невозможно получить нагреватель с T1 и невозможно создать холодильник с T2 = 0

Второй и третий законы термодинамики Первый закон термодинамики допускает создание вечного двигателя второго рода, т. е. вечного двигателя, в котором рабочее тело получало бы энергию в форме тепла от одного тела и полностью передавало бы ее в форме работы другому телу Второй закон термодинамики : Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от одного тела другому Второй закон можно сформулировать в виде теорем Карно Третий закон термодинамики говорит о том, что недостижим абсолютный ноль температуры

Тема 2.4. Фазовые переходы