Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.doc

3.1. Два взгляда на теплоту

3.2. Молекулярная физика

3.2.1. Общие замечания по решению задач раздела «Молекулярная физика»

3.2.1.1.Конкретные примеры.

2.doc

3.3. Термодинамика

3.3.1. Начала термодинамики.

3.3.1.1. Общие замечания по решению задач раздела «Термодинамика»

3.3.1.1.1. Уравнения состояния идеального газа.

3.3.1.1.2. Термодинамические процессы.

3.3.2. Термодинамическая энтропия.

3.doc

3.4. Вопросы и задачи для самостоятельного решения задач

3.4.1.Ответы к задачам и вопросам

3.4.2. Дополнительные задачи

3.4.3. Ответы к дополнительным задачам

3.5. Контрольные вопросы

3.6.Используемая литератера

3.1. Два взгляда на теплоту

«… у физиков нет согласия в отношении теплоты,
многие из них рассматривают её как флюид,
рассеянный по всей природе.
Другие же считают её лишь результатом
невидимых движений молекул,
их колебаний во всех направлениях,
возможным благодаря
пустым промежуткам между молекулами.
Это невидимое движение и есть теплота.»

П.С. Лаплас

В XVII-XVIII веках, наряду с развитием механики, изучались проблемы, связанные с процессами нагревания и охлаждения и созданием и совершенствованием тепловых машин. Интенсивно проводились экспериментальные исследования теплового расширения газов, жидкостей, твёрдых тел. Были созданы первые пригодные для эксплуатации тепловые машины. Эти работы привели к появлению основных термодинамических величин и понятий. При этом одни величины (масса, объём, давление) были заимствованы из механики, другие (молекулярный вес, количество вещества) – из химии, но возникли и величины специфические.

Так, уже античные натурфилософы использовали понятия «горячее», «теплое», «холодное» в своих теоретических построениях. С тех времён на эмпирическом уровне было замечено, что если в комнате плотно закрыть окна и двери и в комнату внести горячее и холодное тела, то всегда в течение определённого времени горячее тело будет охлаждаться, а холодное тело будет нагреваться, а затем процессы нагревания и охлаждения прекратятся и тела станут одинаково тёплыми, причём будут оставаться такими до тех пор, пока не изменятся условия в комнате (открыли окна и двери и т.п.) или с телами не будут совершать какие-либо манипуляции (охлаждать, нагревать, облучать и т.п.).

Из этих эмпирических наблюдений были сделаны следующие выводы.

1. Существует состояние тел, когда в них отсутствуют процессы нагревания или охлаждения - т.е. состояние теплового равновесия, причём при неизменных внешних условиях это состояние может иметь место сколь угодно долго.

2. Существуют состояния тел, когда имеет место отклонение от состояния теплового равновесия, что приводит к нагреванию или охлаждению одного тела по сравнению с другим телом.

3. Процессы нагревания и охлаждения имеют определённую направленность, т.е. всегда при контакте горячее тело охлаждается, а холодное нагревается.

Для количественного описания состояния теплового равновесия и отклонения от него нужно было ввести соответствующую физическую величину. Физическую величину, характеризующую тепловое равновесие тел, назвали температурой, а меру отклонения тел от состояния теплового равновесия назвали разностью температур.

Напомним, что любая физическая величина задаётся способом её измерения. Таким образом, надо было найти способ измерения температуры.

Температура не может быть измерена прямым способом. Об изменении температуры судят по изменению различных физических свойств тела, однозначно с ней связанных (объём, давление, электросопротивление и т.п.). Любой метод измерения температуры связан с определением температурной шкалы. Поскольку существует произвол в выборе физических свойств, по поведению которых определяют температуру, и цены деления шкалы, то существует много различных шкал, а значит, и много различных единиц температуры. Принято использовать для всех величин название "градус" с указанием шкалы, к которой он принадлежит. Используют, в основном, следующие шкалы (и соответствующие градусы): шкала Кельвина (Кельвин, К), шкала Цельсия (^оС), шкала Реомюра (^оR), шкала Фаренгейта (^оF), шкала Ранкина (^оRa). При этом:

1 К = 1 ^оС = 0,8 ^оR = 1,8 ^оF = 1,8 ^оRa

Кельвин - одна из основных единиц в системе СИ. При этом шкала Кельвина носит название абсолютной термодинамической шкалы (она не зависит от свойств конкретных веществ), а температура по шкале Кельвина - абсолютной температуры. Любая другая шкала (и соответствующая ей температура) называется эмпирической. Наиболее часто используется эмпирическая шкала Цельсия.

В этом случае в качестве рабочего тела берут воду и приписывают тающему при атмосферном давлении льду температуру 0 ^оС, а кипящей при нормальном атмосферном давлении воде - температуру 100 ^оС. При этом постоянная масса воды имеет при 0 ^оС объём V₀, при 100^оС - V₁₀₀, при х^оС - V_х. Если между изменением объёма и изменением температуры существует линейная зависимость (устанавливаемая экспериментально), то имеет место соотношение

.

Для t_x = 100^оC имеем:

или

.

Отсюда получим, что

.

Если в измерительном устройстве вода находится в трубке постоянного сечения S, то

где х - высота столба жидкости. Поэтому можно перейти от объёма к высотам столбов жидкостей:

.

Учитывая, что , и задавая отсчёт столба жидкости от (т.е. - начальная точка отсчёта) получим:

где - параметр установки, показывающий, сколько градусов приходится на единицу длины шкалы. Термодинамическая шкала будет рассмотрена позднее.

Итак, для количественного описания теплового равновесия тел была введена физическая величина - температура. Однако оставалась нерешённой проблема - почему вообще тело может иметь какую-то температуру (т.е. быть горячим, холодным, тёплым) и изменять её.

В процессе решения этой проблемы создаётся "вещественная" теория тепла, которое рассматривается как особое "весьма тонкое вещество" (флюид), по своей природе и которое обычными телами впитывается, как вода впитывается губкой, причём количество впитываемого флюида зависит от температурных условий. Примером такого флюида служит теплород, введённый в физику Г. Галилеем в 1613 году.

В рамках этой теории величина температуры тела обусловлена нахождением в нём определённого количества теплорода, а изменение температуры тела обусловлено изменением содержания теплорода в нём. При этом тела считались неодинаково восприимчивыми к теплороду, и поэтому различным телам при одинаковой массе требовалось для нагревания до одной и той же температуры разное количество теплорода.

Для количественного описания нагревания тел в рамках вещественной теории тепла была введена единица количества теплоты (теплорода) - калория. По определению калория - это то количество теплорода (теплоты), которое, будучи сообщено одному грамму воды, вызывает нагревание воды на один градус, а именно: повышает температуру от 19,5 до 20,5 ^оС.

Вещественную теорию тепла стали использовать и для количественного объяснения тепловых явлений, и для вывода различных формул.

Основой всех тепловых расчётов была "калориметрическая аксиома" [аксиома о неуничтожимости тепла (теплорода)]. Суть её состояла в том, что "если тело, испытав изменение и ряд превращений, возвращается в прежнее состояние в отношении плотности и температуры, то оно будет обладать тем же количеством теплоты, которое имело первоначально (С. Карно "Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу").

В качестве примера, приведём вывод теоремы Карно о максимальном к.п.д. тепловой машины (работа принадлежит С. Карно и опубликована в 1824 г.). В этой работе С. Карно использовал аналогию между поведением теплорода и поведением жидкости, так как по своим свойствам теплород можно было считать гипотетической жидкостью, обладавшей свойствами реальной жидкости.

Механическая работа, которую может совершить водопад, пропорциональна произведению разности высот озёр, которые он соединяет, на количество текущеё в нём жидкости.

Работа тепловой машины, содержащей теплород, аналогична работе, совершаемой водопадом: тогда можно допустить, что разности высот озёр соответствует разность температур нагревателя Т_В (верхнее озеро) и холодильника Т_Н (нижнее озеро); а расход жидкости соответствует расходу теплорода.

В случае тепловой машины потенциальную энергию "воды" верхнего озера можно было бы полностью превратить в работу, если бы "водопад" заканчивался на "уровне океана". Эта работа равна произведению "высоты" верхнего озера Т_В на расход жидкости S. Но уровень нижнего озера выше уровня верхнего озера на величину Т_Н, поэтому максимальная работа, которую можно получить от тепловой машины при заданной разности температур нагревателя и холодильника, равная (Т_В - Т_Н)S, а максимальный коэффициент полезного действия

Большое значение в тепловых процессах придавали силе трения. Считалось, что трение способствует перемещению теплорода из окружающей среды в трущиеся тела. При этом тела нагреваются, а окружающее пространство должно охлаждаться, поскольку оно обедняется теплородом. Это допущение стали проверять экспериментально.

В 1798 г. Б. Румфорд (В. Томсон), изучая сверление пушечных ядер, установил, что количество тепла, получаемого при сверлении за счёт трения, неограниченно увеличивается, а никакого охлаждения окружающего воздуха не происходит, т.е. теплород при трении не переходит в другие тела, но тогда возникает вопрос - что увеличивает температуру тел?

Румфорд предположил, что при трении теплота, приводящая к увеличению температуры тел, возникает за счёт совершения работы.

Годом позже Д. Деви, вызывая трение между двумя кусками льда в вакууме, подтвердил предположение Румфорда.

В 1842 г. Р. Майер установил, что теплота должна переходить в работу, а работа должна непосредственно переходить в теплоту; при этом определённому количеству теплоты Q должно соответствовать определённое количество работы А, т.е. Q = I A, где I - коэффициент пропорциональности, который был назван механическим эквивалентом теплоты.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лекций