1Thermod (1106116), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Нулевое начало термодинамикиНулевое начало термодинамики связано со свойствами термодинамического равновесия как особоговида теплового движения.Опыт показывает, что если две равновесные системы A и B привести в тепловой контакт, то дажепри равенстве у них внешних параметров ai они или1) останутся по прежнему в состоянии термодинамического равновесия,или2) равновесие в них нарушается и спустя некоторое время в процессе теплообмена (обмена энергией)обе системы приходят в другое равновесное состояние.3) Кроме того, если имеются три равновесные системы A, B, C и если системы A и B порозньнаходятся в равновесии с системой C, то и системы A и B находятся в термодинамическом равновесиимежду собой (свойство транзитивности термодинамического равновесия).3Следовательно, состояние термодинамического равновесия системы определяется не только ее внешними параметрами ai , но и еще одной величиной θ, характеризующей ее внутреннее состояние.
Этавеличина, выражающая состояние внутреннего движения равновесной системы и называется температурой.Нулевое начало термодинамики.У равновесной системы существует однозначная функции состояния, которая называется температурой. При этом состояние термодинамического равновесия определяется совокупностью внешнихпараметров и температурой. Т.е. все равновесные внутренние параметры системы являются функциями внешних параметров и температуры.Нулевое начало термодинамики позволяет определить изменение температуры тела по изменениюкакого - либо его внутреннего параметра, на чем основано устройство различных термометров.Свойство транзитивности состояний термодинамического равновесия позволяет сравнивать значение величины θ у разных систем не приводя их в непосредственный тепловой контакт между собой, апользуясь одним каким-нибудь телом.Замечание.
Принцип изотермической недостижимости.Положение о существовании температуры θ у всякой равновесной системы можно сформулировать ввиде принципа изотермической недостижимости: около каждого состояния равновесной системысуществуют такие состояния, которые недостижимы изотермически (т.е. при условиях, когда системавсе время находится в тепловом контакте с термостатом).Действительно, из состояния системы с температурой θ = θ1 нельзя изотермически перевести систему в состояние с температурой θ = θ2 .4. Эмпирическая температураОпределение 17.
Эмпирической температурой тела называют установленную опытным путеммеру отклонения термодинамического состояния тела от состояния теплового равновесия с тающимльдом, находящимся при нормальном атмосферном давлении.При практическом определении температуры приходится пользоваться какой - либо определеннойшкалой, связанной с тем или иным веществом.В качестве термодинамического параметра обычно используют объем этого вещества, а шкалувыбирают по Цельсию : разность объемов тела при тепловом равновесии с кипящей водой принормальном атмосферном давлении и тающим льдом при том же давлении равномерно делят на 100;каждое деление соответствует одному градусу, температура тающего льда принимается за 00 C :θ=V − V0× 1000 C.V100 − V0Показания двух термометров с различными термодинамическими веществами, вообще говоря никогда не совпадают, кроме как при 00 C и при 1000 C.
Эта произвольность отчасти устраняется, если вкачестве термодинамического вещества использовать достаточно разреженные (идеальные газы). Ихкоэффициент теплового расширения α не зависит ни от температуры, ни от природы газа.Шкала газового термометра градуируется также, как и шкала Цельсия, но за нуль температурыпринимается −273.160 С = − α1 градусов Цельсия (шкала Кельвина).Температура по шкале Кельвина T связана с температурой по шкале Цельсия θT =1+ θ = 273.16 + θαПоказания всех других термометров приводятся к газовому термометру.Как будет показано в дальнейшем второе начало термодинамики полностью устраняет произвольность в определении температуры, позволяет строго установить абсолютную шкалу температуры (шкалу Кельвина), не зависящую ни от выбранного вещества ни от того или иного термометра.Замечанияо статистическом и феноменологическом методе изучения макроскопических систем.4I.
Статистическая физика, исходя из определенной молекулярной модели строения вещества, позволяет вычислить равновесные значения внутренних параметров системы.Однако и не проводя вычислений можно выявить закономерности поведения систем в равновесномсостоянии, имея в виду, что во многих случаях эти параметры могут быть определены экспериментально. Этот первый этап в теории равновесных состояний и предоставляет термодинамика.Основанные на макроскопическом опыте представления об особенностях термодинамического равновесия конечных систем принимаются в термодинамике в качестве постулатов, опираясь на которыес помощью основных законов (начал) термодинамики изучаются свойства равновесных систем и закономерности при их приближении к равновесию.Статистический метод изучения свойств макроскопических тел с самого начала основан на модельных атомно-молекулярных представлениях.
Основную задачу статистической физики можно сформулировать следующим образом: зная законы поведения частиц, из которых построена система, установить законы поведения макроскопического вещества.Феноменологический подход не связан с модельными представлениями, поэтому он обладает большей общностью.
Кроме того, он отличается большой простотой и ведет, после ряда формально математических процедур, к решению целого ряда конкретных задач, не требуя никаких сведений о свойствахатомов и молекул. Однако, при феноменологическом рассмотрении остается не вскрытым внутренний(атомно-молекулярный) механизм явлений.Вместе с тем, статистический подход к исследованию явлений позволяет в принципе решить рядзадач, вообще неразрешимых в рамках феноменологическим метода (вывод уравнений состояния макроскопических систем, теория теплоемкости, некоторые вопросы теории излучения). Он позволяет , содной стороны, дать обоснование законов термодинамики, а с другой стороны, - установить границыих применимости, а также предсказать нарушения законов классической термодинамики и оценить ихмасштаб.Однако, выводы статистической физики справедливы лишь в той мере, в какой справедливы предположения, сделанные о поведении мельчайших частиц.II.
Равновесное значение любого внутреннего параметра представляет собой среднее за большойпромежуток времени значение соответствующей этому параметру функции координат и скоростей.Например,τZ+t/21ρ(τ )dτρ̃ = limt−→∞ tτ −t/2Аналогично, макроскопическую скорость ~v можно водить как скорость центра тяжести совокупности молекул в физически малом объеме; температуру T как среднюю энергию хаотического движенияатомов и молекул относительно макроскопического движения, приходящуюся на одну степень свободы; напряжение ~pn на некоторой площадке - как среднюю характеристику импульса, переносимогомолекулами через эту площадку при их хаотическом движении.III.
Как показывает опыт и статистическая физика относительные спонтанные отклонения макроскопической системы от равновесия при других равных условиях тем меньше, чем больше частиц всистеме.Из статистической физики следует, что постулат о самопроизвольном переходе изолированной системы в равновесие и неограниченно долгое ее пребывание в нем не является абсолютным законом природы, а выражает лишь наиболее вероятное поведение системы; никогда не прекращающиеся движениечастиц системы приводит ее к спонтанным отклонениям (флуктуациям) от равновесного состояния.Вероятностное поведение макроскопических систем, состоящих из громадного числа механическидвижущихся частиц, является характерной особенностью теплового движения, качественно отличающей его от классического механического движения с присущей ему однозначностью.
Наличие огромного числа частиц в термодинамических системах обуславливает второстепенность механических закономерностей отдельных частиц и возникновение закономерностей их совокупного, массового движения.Принимая основной постулат, термодинамика ограничивает себя, исключая из рассмотрения системы, для которых равновесное состояние невозможно (процессы в таких системах не завершаются5наступлением равновесия), а также все явления связанные с большими самопроизвольными отклонениями от равновесного состояния.Основной постулат о термодинамическом равновесии приводит не только к нижнему пределу применимости термодинамики (системы с малым числом частиц), но и ограничивает ее применение креальным системам сверху.
Так для систем галактических размеров этот постулат не имеет места:не учитываемое обычно в земных условиях гравитационное взаимодействие между частицами в случае очень больших систем приводит к качественно новому их поведению - возникновению непрерывносменяющих друг друга больших флуктуаций. Такие системы одинаково часто как приближаются кнекоторому среднему равновесию, так и удаляются от него.5. Энергия системыВсякая термодинамическая система состоит из огромного числа непрерывно движущихся частиц.Общая мера различных форм движения при их превращении из одной в другую называется энергией.Определение 18.
Энергия непрерывно движущихся и взаимодействующих частиц, из которых состоит система называется энергией системы.Полная энергия системы разделяется на внешнюю и внутреннюю.Определение 19. Часть энергии, состоящая из энергии движения системы как целого и потенциальной энергии системы в поле внешних сил называется внешней энергией.Определение 20. Остальная часть энергии системы называется внутренней энергией.В статистической физике внутренняя энергия системы состоит из энергии разных видов движения и взаимодействия входящих в систему частиц: энергии поступательного и вращательного движения молекул и колебательного движения атомов, энергии молекулярного взаимодействия,внутриатомной энергии заполненных электронных уровней, внутриядерной энергии и др.Внутренняя энергия U является внутренним параметром и, следовательно, при равновесии зависитот внешних параметров ai и температуры θ:U = U (a1 , .
. . , an ; θ)6. Работа и теплотаПри взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой происходит обмен энергией.При этом возможны два различных способа передачи энергии от системы к внешним телам.Определение 21. Первый способ передачи энергии, связанный с изменением внешних параметров называется работой.Работа предоставляет собой макроскопическую упорядоченную форму передачи энергии путем взаимного действия тел друг на друга.При бесконечно малом изменении параметров ai работа совершаемая системой равнаXδA =Ai dai ,iгде Fi - сопряженные внешним параметрам ai обобщенные силы, являющиеся при равновесии функциями внешних параметров ai и температуры T .Как следует из определения работы и как видно из выражения для элементарной работы δA неявляется полным дифференциалом, так как в это выражение не входит дифференциал температуры.Определение 22.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
