МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА.

Основы термодинамики План: 1. Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа газа 2. Нулевое и первое начала термодинамики. 3. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам. 4. Уравнение Майера. Теплоемкость. 5. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона.

1. Внутренняя энергия идеального газа. Работа термодинамической системы. Количество теплоты. Термодинамика (от греч. термо «тепло», динамис «сила») раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называются термодинамическими системами. В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами - термодинамическими параметрами (давление, температура, объём и др.), которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

Термодинамика рассматривает изолированные системы тел, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. Если термодинамическая система была подвержена внешнему воздействию, то в конечном итоге она перейдет в другое равновесное состояние. Такой переход называется термодинамическим процессом. Если процесс протекает достаточно медленно (в пределе бесконечно медленно), то система в каждый момент времени оказывается близкой к равновесному состоянию. Процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний, называются квазистатическими.

Внутренняя энергия идеального газа Для 1 моля одноатомного газа: Внутренняя энергия тела – полная энергия, относящаяся к самим молекулам, т.е. их «невидимая» энергия. Включает: 1)кинетическую энергию движения самих молекул, 2)кинетическую энергию движения атомов внутри молекулы (если молекула не одноатомная), 3)потенциальную энергию взаимодействия между атомами внутри молекулы; 4)кинетическую энергию частиц, входящих в состав атомов (ядер и электронов).

Внутренняя энергия идеального газа y x z Степени свободы – независимые координаты, описывающие движение тела - число степеней свободы y x z y x z

При расширении работа, совершаемая газом, положительна, при сжатии – отрицательна. Работа В пределе при ΔV i 0: pSΔx = pΔV Газ подвергается сжатию в цилиндре под поршнем внешние силы совершают над газом некоторую положительную работу A'. Силы давления, действующие со стороны газа на поршень, совершают работу A = –A'.

(1) (2) V1V1 0 р V V2V2 р ΔA=pΔVΔA=pΔV ΔVΔV Работа численно равна площади под графиком процесса на диаграмме (p, V). или

0 р V 1 2 Изохорический процесс V=const dV=0 AV=0AV=0 Изобарический процесс Изотермический процесс 0 р V 1 2 р 0 р 0 V1V1 V2V2 р=const 0 р V 1 2 V1V1 V2V2 T=const

Замкнутые процессы (циклы) А>0 А

Количество теплоты Теплота определяет характер протекания процесса теплообмена, но не состояние самой системы. Количество теплоты Q - энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. [Q]=Дж

А В С Нулевое начало термодинамики. Существует функция состояния – температура. Если тело А находится в тепловом равновесии с телом В, а тело В в тепловом равновесии с телом С, то тело А тоже находится в равновесии с телом С. Этот принцип лежит в основе измерения температуры.

Первое начало термодинамики Юлиус Роберт Майер (1814 – 1878) Герман Людвиг Гельмгольц (1821–1894) Джеймс Прескотт Джоуль (1818 – 1889)

Первое начало термодинамики Первое начало термодинамики – это закон сохранения энергии, примененный к термодинамическим системам Исторически первое начало термодинамики связано с неудачными попытками создать машину, которая совершала бы работу, не получая теплоты извне. Такая тепловая машина носит название вечного двигателя первого рода ( Perpetuum Mobile ).

«Вечный двигатель» (XVI век)

«Вечный двигатель Орфиреуса» (XVIII век)

«Чудо и не чудо» Симон Стевин ( )

«Вечный двигатель» в действии

Капиллярный «Вечный двигатель»

Магнитный «Вечный двигатель»

«Вечный электромотор»

Изотермический процесс Закон Бойля-Мариотта

Изохорный процесс Закон Шарля

Изобарный процесс Закон Гей-Люссака

Теплоемкость Бенджамин Томпсон ( граф фон Румфорд) ( ) Сверление пушечных стволов Джеймс Прескотт Джоуль (1818 – 1889) Опыт Джоуля Теплоемкость есть мера тепловой инертности тела : чем она больше, тем труднее нагреть или охладить тело, т.е. тем больше нужно сообщить телу (или отнять) чтобы повысить (или понизить) температуру.

Теплоемкость Удельная теплоемкость Молярная теплоемкость Связь удельной и молярной теплоемкостей Теплоемкость в изохорном процессе: Теплоемкость в изобарном процессе: Уравнение Майера

Адиабатический процесс Адиабатический процесс - процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой быстропротекающие процессы (открытие бутылки с шампанским; хлопок в ладоши и др.) теплоизолированные системы (термос, сосуд Дьюара)

Адиабатический процесс Уравнение Пуассона Изотерма Адиабата Для одного моля газа