ЛК 34 молекулярная физика (3 лк) (1)

1.

Лекция 3, 4
Основы молекулярной физики и термодинамики
Уравнение состояния идеального газа. Начала термодинамики. Термодинамические процессы.
Фазовые переходы. Фазовые диаграммы углеводородов. Поверхностное натяжение.
Капиллярные явления.
Семинар 3,4
КР1
Решение задач по уравнению Клапейрона-Менделеева, по поверхностному натяжению.
Проведение контрольной работы по кинематике и динамике, механике жидкостей.

2.

ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ
Теоретическая модель газа, в которой не учитывается взаимодействие частиц газа.
Реальные газы хорошо описываются моделью идеального газа, если они достаточно
разрежены.

3.

УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ
Связывает давление P, объём V и температуру Т физически однородной системы в
состоянии равновесия термодинамического: f (P, V, Т) = 0.
Это уравнение называется термическим уравнением состояния.
Термическое уравнение состояния позволяет выразить давление через объём и температуру
P = P (V, Т) и определить элементарную работу dA=PdV при бесконечно малом расширении
системы dV.
Уравнение состояния не может быть выведено с помощью одних только законов
термодинамики, а определяется из опыта или рассчитывается теоретически на основе
представлений о строении вещества методами статистической физики.

4.

УРАВНЕНИЕ Менделеева-Клапейрона
Зависимость между параметрами идеального газа (давлением P, объёмом V и абсолютной
температурой Т).
В 1874 Д. И. Менделеев вывел уравнение состояния для одного моля идеального газа:
pV=RT,
где R — универсальная газовая постоянная 8,31 Дж/(моль·К).
Уравнение Клапейрона — наиболее простое уравнение состояния, применимое с
определенной степенью точности к реальным газам при низких давлениях и высоких
температурах (например, к атмосферному воздуху, продуктам сгорания в газовых
двигателях), когда они близки по свойствам к идеальным газам.

5.

ТЕРМОДИНАМИКА
Наука о наиболее общих свойствах макроскопических физических систем, находящихся
в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими
состояниями.
Термодинамика строится на основе фундаментальных принципов (начал), которые
являются обобщением многочисленных наблюдений и выполняются независимо от
конкретной природы образующих систему тел. Поэтому закономерности и соотношения
между физическими величинами, к которым приводит термодинамика, имеют
универсальный характер.

6.

ТЕРМОДИНАМИКА
Термодинамика не опирается на модельные представления об атомной структуре
вещества и может применяться для исследования всех систем, для которых справедливы
законы, лежащие в её основе. Методами термодинамики устанавливаются связи между
непосредственно наблюдаемыми (макроскопическими) характеристиками систем (их
давлением, объёмом, температурой и др.) в различных термодинамических процессах.

7.

РАВНОВЕСНЫЕ И НЕРАВНОВЕСНЫЕ СОСТОЯНИЯ
Равновесным является такое состояние изолированной системы, в которое она
переходит по истечения достаточно большого промежутка времени.
Это время, называемое временем релаксации, зависит от природы тел, взаимодействия
их частиц, а также от характера исходного неравновесного состояния.
Если система находится в состоянии равновесия, то в равновесии находятся и
отдельные её макроскопические части. При неизменных внешних условиях такое
состояние не меняется со временем.
Однако неизменность во времени не является достаточным признаком равновесности
состояния. Например, помещённый в термостат участок электрической цепи, по
которому течёт ток, может находиться в неизменном (стационарном) состоянии
практически неограниченное время, но это состояние неравновесно: протекание тока
сопровождается необратимым превращением энергии электрического тока в теплоту,
отводимую в термостат, в системе имеется градиент температуры

8.

Первое начало термодинамики
Существуют два принципиально различающихся способа изменения состояния
системы: первый связан с работой системы по перемещению окружающих тел (или
работой этих тел над системой), второй — с сообщением системе теплоты (или с
отводом её) при неизменном расположении окружающих тел.
В общем случае переход системы из одного состояния в другое связан с сообщением
системе нек-рого кол-ва теплоты dQ и совершением системой работы dA над внеш.
телами. Как показывает опыт, при заданных нач. и кон. состояниях DQ и DA
существенно зависят от пути перехода. Другими словами, эти величины явл. хар-ками
не отдельного состояния системы, а совершаемого ею процесса.
Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает
термодинамический цикл (т. е. возвращается в конечном счёте в исходное
состояние), то полное количество теплоты, сообщённое системе на протяжении
цикла, равно совершённой ею работе.

9.

Первое начало термодинамики
Если система совершает термодинамический цикл, то полное количество
теплоты, сообщённое системе на протяжении цикла, равно совершённой ею
работе.
Из 1-го начала Т. вытекает, что существует характеристическая функция состояния
системы её энергия. Если речь идёт об однородном теле, которое способно совершать
работу только при изменении объёма, то dA = pdV и бесконечно малое приращение
(дифференциал) U равно: dU=dQ – pdV, где dQ — бесконечно малое приращение
теплоты

10.

Второе начало термодинамики
Невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно
от тел более холодных к телам более нагретым.
Энтропия S является функцией состояния системы, т. е. изменение S не зависит от пути
перехода.
dS=dQ/T
Наиболее общая формулировка 2-го начала термодинамики:
существует функция состояния системы – её энтропия S, приращение которой dS
при обратимом сообщении системе теплоты равно: dS=dQ/T;
при реальных (необратимых) процессах энтропия возрастает dS>0, достигая
максимального значения в состоянии равновесия.

11.

Третье начало термодинамики
М. Планк (1911):
энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения
температуры к абсолютному нулю.

12.

ОБРАТИМЫЕ (КВАЗИСТАТИЧЕСКИЕ) И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ
В процессе перехода из одного равновесного состояния в другое, который может
происходить под влиянием различных внешних воздействий, система проходит через
непрерывный ряд состояний, не являющихся равновесными. Для реализации процесса,
приближающегося к последовательности равновесных состояний, необходимо, чтобы он
протекал достаточно медленно (был бы к в а з и с т а т и ч е с к и м).
Равновесный процесс, представляя собой непрерывную цепь равновесных состояний,
является о б р а т и м ы м — его можно совершить в обратном направлении и при этом
в окружающей среде не останется никаких изменений.
Термодинамика даёт полное количественное описание обратимых процессов, а для
необратимых процессов устанавливает лишь определённые неравенства и указывает
направление их протекания.

13.

ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС
Процесс, происходящий в физической системе при постоянном объёме (изохора).
Например, в герметичном сосуде, не меняющем своего объёма.
Механической работы, связанной с изменением объёма тела, не совершается;
изменение внутренней энергии тела происходит за счёт поглощения или выделения
теплоты. С изменением температуры газа (жидкости) изменяется его давление.
В идеальном газе – давление пропорционально температуре (закон Шарля).

14.

ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС
процесс, происходящий в физической системе при постоянном внешнем давлении
(изобара).
Примеры:
- нагревание воды в открытом сосуде,
- расширение газа в цилиндре со свободно ходящим поршнем.
Объём идеального газа пропорционален температуре (Закон Гей-Люссака).

15.

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
Процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре (изотерма)
Систему помещают в термостат, теплопроводность которого велика.
Примеры:
- кипение жидкости или плавление твердого тела
- медленное надувание воздушного шарика
- конденсация
В идеальном газе произведение давления на объём постоянно (Закон Бойля-Мариотта).

16.

АДИАБАТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
процесс, при котором физическая система не получает теплоты извне и не отдаёт её.
Протекают в системах, окружённых теплоизолирующей (адиабатной) оболочкой, но их
можно реализовать и при отсутствии такой оболочки. Для этого процесс должен
протекать настолько быстро, чтобы за время его осуществления не произошло
теплообмена между системой и окружающей средой.
Так, при взрыве - адиабатическом сжатии газа ударной волной – газ не успевает отдать
выделившуюся теплоту и сильно нагревается.

17.

АДИАБАТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
Адиабатическое расширение газа с совершением работы против внешних сил и сил
взаимного притяжения молекул вызывает его охлаждение. Такое охлаждение лежит в
основе процесса сжижения газов.