неделько-12 (1106087), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Ниже приводятся формулировки законов сохранения в механике.
Закон сохранения полной механической энергии. В инерциальных системах отсчёта полная механическая энергия системы материальных точек сохраняется, если внешние консервативные силы не совершают работы, а внутренние диссипативные силы отсутствуют.
Закон сохранения импульса системы. Если на систему материальных точек в инерциальной системе отсчёта внешние силы не действуют или их сумма равна нулю, то импульс системы сохраняется.
Закон сохранения момента импульса системы. Если в инерциальной системе сумма моментов внешних сил, действующих на систему, равна нулю, то момент импульса системы сохраняется.
§ 3. Термодинамика – как аксиоматическая система.
«Термодинамика – наука о силах, связанных с теплом».
У. Томсон
Формально термодинамику определяют как науку о наиболее общих свойствах макроскопических физических систем, находящихся в состоянии теплового равновесия. Физические тела и их модели называют в термодинамике термодинамическими системами.
Суть термодинамического подхода в том, что термодинамическая система состоит из громадного числа элементов (атомов, молекул, ионов), но в термодинамике рассматривают только макроскопические параметры, т.е. системные, характеризующие свойства системы как целостного объекта, которые определяют феноменологически. Совокупность параметров, позволяющих полностью описать поведение системы, определяет состояние системы. Входящие в неё параметры называют параметрами состояния.
Термодинамика сформировалась в процессе решения проблем нагревания и охлаждения и проблем использования тепловых двигателей. Часть параметров, характеризующих термодинамическую систему, взята из механики (масса, давление, количество вещества, плотность, объём), часть представляет собой специфические параметры термодинамики (количество теплоты, температура, теплоёмкость, энтропия).
Рассмотрим более подробно величины, используемые в термодинамике.
1. 
‑ объём идеального газа. (Идеальный газ – фундаментальная модель, которая описывается уравнением Клайперона-Менделеева (см. выше) и калорическим уравнением состояния идеального газа: 
(см. ниже). Объём идеального газа равен объёму сосуда, в котором он находится, т.е. геометрическому объёму без учёта объёма молекул, составляющих газ.
2. 
‑ масса газа, 
‑ плотность газа, равна отношению массы газа к его объёму.
3. 
‑ относительная молекулярная (атомная) масса 
, где 
‑ масса молекулы (атома), 
‑ единица атомной массы, равная 
части массы атома изотопа углерода 
; 1 атомная единица массы (а.е.м.) равна 
. В выбранной шкале относительная атомная масса углерода 
Количество вещества в СИ выражают в молях. Моль является основной единицей СИ. В 1 моле содержится столько атомов (молекул, ионов) сколько атомов содержится в 0,012 кг . Молярной массой (М) называют массу одного моля вещества, численно равную 
. Таким образом, 
есть число молей вещества.
4. 
‑ давление газа – равно отношению нормальной компоненты контактной силы 
, действующей на площадку, к величине этой площадки 
; давление не зависит от ориентации площадки. Размерность давления 
. В СИ единица давления – паскаль 
.
5. Температура – мера теплового равновесия. Температура является основной величиной в системе СИ, и единица измерения температуры – кельвин – задаётся как эталон. Кельвин – единица температуры, взятой по абсолютной термодинамической шкале, которая создана на базе второго закона термодинамики и не зависит от свойств какого-либо вещества; с другой стороны, её использование связано с определёнными неудобствами и поэтому используют так называемые практические шкалы. Рассмотрим вопрос подробней.
Итак, температуру определяют по температурному изменению физического свойства какого-либо вещества, удобного для измерений (давлению газа, электрическому сопротивлению, тепловому расширению тел, ...). Шкала определяет правила нахождения температуры. При её построении берут две фиксированные точки (для одной значение физического параметра равно 
, для другой 
) и каждой точке приписывают произвольное значение температуры 
и 
.
Разность температур 
называется основным температурным интервалом. Считая, что связь между свойством 
и температурой 
линейная, и полагая для удобства 
(поскольку выбор произвольный) получают правило нахождения температуры
.
Поскольку число веществ, физические свойства которых могут служить для построения температурных шкал, велико, то и температурных шкал можно построить великое количество, и использовать те из них, которые для измерения в конкретных условиях самые удобные. С другой стороны, поскольку свойства веществ, использующиеся при построении шкал различны и независимы, то возникают проблемы пересчёта температур от одной шкалы к другой. А это можно сделать только при проведении экспериментальных работ. Именно абсолютная термодинамическая шкала температур свободна от зависимости термометрических свойств веществ, поскольку, как уже было сказано выше, основана на втором законе термодинамики. При этом абсолютная температура 
, которая определяется по этой шкале, входит во все формулы термодинамики. Как и для любой шкалы, при построении термодинамической выбирают две точки, приписывают одной 
, а другой 
. Такую температуру имеет тающий лёд при нормальном давлении. Единицу температуры этой шкалы (шкалы Кельвина) и назвали кельвин. Для практических целей измерение термодинамической температуры (по шкале Кельвина) с высокой точностью очень трудно, поэтому используют, как уже ранее сказано, практические шкалы. Широко используемой практической шкалой является шкала Цельсия, в которой температура тающего льда принимается за 
, а температура кипящей воды за 
, при этом единица температуры для стоградусной шкалы Цельсия совпадает с единицей температуры шкалы Кельвина. Это приводит к связи между температурами измеренными по шкале Цельсия и шкале Кельвина
.
6. Количество теплоты. Объяснение тепловых явлений началось в начале 17 века, когда Галилей (1613 г.) ввёл «тепловое вещество – теплород», который был способен проникать во все тела и выходить из них, вызывая при этом нагревание или охлаждение тела. Таким образом, изменение нагретости тела связывали с изменением количества теплорода. В 1760 г. Блэк вводит строгое различие между количеством тепла (
) и температурой. Появляется термин «теплоёмкость» и вводится единица количества теплоты – калория. Калория – количество теплоты, необходимое для нагревания 1 г воды на 
, а именно: повышает температуру воды от 
до 
. Это количество носит название «20-ти градусной калории». Конкретизация температур, при которых измеряют теплоёмкость, обусловлена наличием температурной зависимости теплоёмкости от температуры. Однако зависимость эта невелика и в практических расчётах её можно не учитывать.
По сути, через определение калории вводится физическая величина «удельная теплоёмкость» ‑ количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества на один градус.
.
Для воды теплоёмкость 
; для других веществ её надо измерять.
В 19 веке многочисленные опыты показали несостоятельность теплорода, и постепенно теплород был вытеснен из науки, но тепловые величины и их функциональные связи остались, только приобрели другое физическое содержание. В экспериментах стали обнаруживать, что при получении тепла за счёт работы, и работы за счёт тепла используется определённое количество работы. Были проведены специальные опыты, которые определили количественно механический эквивалент тепла. Согласно ему, одна калория равна 
; джоуль – единица измеренной работы в СИ. Она и используется в качестве единицы измерения количества теплоты в системе СИ. Калория является внесистемной единицей. Количество теплоты определяют в приборах, которые носят название «калориметры». Конструкции их разнообразны, они позволяют измерять количество теплоты в диапазоне температур 
, и используют для измерения теплоты различные свойства и их функциональные связи. Так, в жидкостном калориметре, который состоит из сосуда с жидкостью (обычно водой), в котором находится исследовательская камера («калориметрическая бомба»), мешалка, нагреватель и термометр, используют связь 
, где 
‑ теплоёмкость калориметрической системы, 
‑ изменение температуры, вызванное исследуемым процессом.
Таким образом, измерение теплоты сводится к измерению температуры. Количество теплоты, поглощённое телом, зависит не только от начального и конечного состояний, но и от способа, которым реализуется процесс перехода между ними. Соответственно от способа нагревания тела зависит и его теплоёмкость. Различают теплоёмкость при постоянном объёме (
) и теплоёмкость при постоянном давлении (
). Для идеального газа разность молярных теплоёмкостей 
. 
‑ универсальная газовая постоянная, равная 
(молярная теплоёмкость – количество теплоты, необходимое для нагревания одного моля вещества на один градус).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
