Термодинамика. Основные термины термодинамики

1.

Термодинамика
Термодинамика
–
наука,
изучающая
возможности использование внутренней энергии
тел для совершения механической работы.
Два основных раздела термодинамики:
1)Равновесная термодинамика (термодинамика
изолированных систем);
2)Неравновесная термодинамика
(термодинамика открытых систем).
1

2.

Основные термины термодинамики
Система – это совокупность материальных объектов
(тел), ограниченных каким-либо образом
от
окружающей среды.
В зависимости от характера взаимодействия с окружающей
средой термодинамические системы делятся на три типа:
1) изолированная – система, которая не обменивается с
окружающей средой ни веществом, ни энергией;
2) замкнутая – система, которая может обмениваться с
окружающей средой лишь энергией и не может
обмениваться веществом;
3) открытая – система, которая обменивается с
окружающей средой и энергией, и веществом.
2

3.

Основные термины термодинамики
Температура тела – мера средней
кинетической
энергии
хаотического
поступательного движения его молекул.
Средняя кинетическая энергия молекул
тела
пропорциональна
термодинамической
температуре:
2
maV
3
kT
2
2
Где k = 1,38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана.
3

4.

Основные термины термодинамики
Внутренняя энергия (U) термодинамической
системы – сумма кинетической энергии
хаотического
теплового
движения
микрочастиц (молекул, атомов) и потенциальной
энергии взаимодействия этих частиц. Для
идеального газа, где между молекулами нет
взаимодействия - внутренняя энергия состоит
только из кинетической энергии движения.
Внутренняя энергия идеального газа зависит от
температуры.
Для одноатомного газа:
3m
3
U
RT pV
2M
2
4

5.

Основные термины
термодинамики
.
Для одного моля газа
U m i RT
2
Где i –число степеней свободы молекул газа.
Внутренняя энергия массы m идеального
газа
m i
Um
RT i RT
2
M 2
5

6.

Теплоемкость газа
Удельная
теплоемкость
–
величина,
определяемая количеством теплоты, необходимым
для нагревания 1 кг вещества на 1 К
Q
c
mdT
Единица измерения: Дж/(кг К)
6

7.

Теплоемкость газа
Молярная
теплоемкость
определяемая
количеством
необходимым для нагревания
1 моля вещества на 1 К
Q
C
m dT
где
величина,
теплоты,
mM
Единица Дж/(моль К)
7

8.

Теплоемкость газа
Связь между молярной и удельной
теплоемкостью:
Сm = cM.
Молярная и удельная теплоемкость идеального
газа тела зависит от его химического состава, от
вида процесса, в котором нагревают тело.
8

9.

Теплоемкость газа
Теплоемкость при постоянном объеме (cV и CV)
Молярная теплоемкость при постоянном объеме.
CV i R
2
Теплоемкость при постоянном давлении (cр и Cр)
i 2
Cp
R
2
Отношение Cp к CV:
Cp
i 2
C
i
V
где γ - коэффициент Пуассона
9

10.

Теплоемкость газа
Уравнение Майера
Cp = CV + R
где R – молярная газовая
постоянная.
Cp всегда больше CV на
величину молярной газовой
постоянной.
10

11.

Опыт Штерна по определению скорости молекул
Прибор, использованный для этой цели, состоял из двух коаксиальных
цилиндров
По оси прибора была натянута платиновая
нить, покрытая серебром.
При нагревании нити электрическим током с
ее поверхности испарялись атомы серебра.
Скорости
испарившихся
атомов
соответствовали температуре нити. Покинув
нить, атомы двигались по радиальным
направлениям.
Внутренний
цилиндр
имел
узкую
продольную щель, через которую проходил
наружу узкий пучок атомов (молекулярный
пучок).
Чтобы атомы серебра не отклонялись за
счет соударений с молекулами воздуха в
приборе был создан вакуум.
Достигнув поверхности внешнего цилиндра,
атомы серебра оседали на ней, образуя
слой в виде узкой вертикальной полоски. 11

12.

Опыт Штерна по определению скорости молекул
Если привести весь прибор во вращение, след,
оставляемый молекулярным пучком, сместится
по поверхности внешнего цилиндра на
некоторую величину (рис. 2).
Это произойдет потому, что за время Δt, пока
атомы серебра пролетают зазор между
цилиндрами, прибор успевает повернуться на
некоторый угол Δφ, в результате чего против
пучка S0 окажется другой участок наружного
цилиндра,
смещенный
относительно
первоначального следа
на величину ΔS,
равную RΔφ , где R — радиус внешнего
цилиндра.
Расстояние ΔS между первоначальной и
смещенной полосками серебра можно связать
с угловой скоростью ω вращения цилиндров,
геометрией прибора и скоростью атомов v.
12

13.

Опыт Штерна по определению скорости молекул
Обозначим время пролета как Δt. Тогда:
Радиус внутреннего цилиндра мал по
сравнению
с
радиусом
внешнего
цилиндра R, поэтому время пролета Δt:
Тогда смещение:

14.

Опыт Штерна по определению скорости молекул
Но смещенный слой будет размытым
из-за распределения атомов по
скоростям.
Если исследовать профиль следа,
можно
сделать
выводы
о
распределении атомов серебра по
скоростям.
Для
количественной
оценки
скоростей частиц в молекулярной
физике вводятся характеристики,
определяемые как средние по
ансамблю частиц системы.
14

15.

Опыт Штерна по определению скорости молекул
1. Средняя арифметическая скорость
2. Средняя квадратичная скорость:
3. Наиболее вероятная скорость - скорость, соответствующая
максимуму на распределении частиц по скоростям.