Д.В. Сивухин - Общий курс физики, Т2. Термодинамика и молекулярная физика (1106322), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Пусть М масса содержащегося в ней вещества. Плотностью вегцества внутри объема Г называется отношение р = ЛХ/Г. Ввиду теплового движения число молекул или атомов в объеме !', а с вил~ и масса Л! непрерывно и беспорядочно меняются с течением времени. Это ведет к беспорядочному изменению и плотности р. '!'акис беспорядочныс изменения плотности или других физических величин называются фаултпуацил.ми. Обозначим через ры рз,..., р„значения величины р в равноотстающие моменты времени П, !м..., !и, Их среднее арифметическое по определению равно (! /п)(рл + ро +... + р„). Опыт показывает, что при неизменных внешних условиях эта величина приближается к определенному пределу р, когда число п, а также общее время наблюдения 1и — П становятся достаточно большими. Величина р при макроскопическом описании и принимается за плотность тела.
Если в объеме Г содержится одна или небольшое число молекул, то отклонения мгновенных значений величины р от ее среднего значения р очень велики — опи сравнимы с самой плотностью р. При увеличении объема Г отклонения становятся все меньше и меньше. ) [ля больших объемов, содержащих огромное количество молекул, флуктуации плотности мало заметны. Фенол1енологическая термодинамика от флуктуаций отвлекается.
)Гл. 1 Температоура 40 Подобно п,вотности ведут себя и другие макроскопические параметры., например давление газа. Давление газа на стенку сосуда есть результат ударов о стенку молекул, беспорядочно движущихся с тепловыми скоростями. Возьмем малый участок стенки с площадью о'. Пусть Р означает ьпновенное значение силы, с которой действуют на этот участок ударяющие молекулы. Сила, отнесенная к единице площади, равна Р = Р/Я. Величина Р, как и плотность, беспорядочно флуктуирует во времени.
В термодинамике имеют дело не с мгновенными, а со средними значениями величины Р за большие промежутки времени очень большие по сравнению с длительностью одного удара, с длительностью промежутка времени между двумя последовательными ударами или другими характерными временами. Эту среднюю величину Р при макроскопическом рассмотрении и принимают за давление газа. То обстоятельство, что давление газа воспринимается нашигии грубыми измерительными приборами как сила, непрерывная во времени и непрерывно распределенная по площади, на которую она действует, объясняется колоссальностью числа молекул, бомбардирующих эту площадь, а также исключительной малостью этих частиц. При повышении чувствительности приборов регистрируются и самопроизвольные беспорядочные колебания давления тепловые флуктуации.
Из этих примеров видно, что макроскопические термодинамические параметры имеют смысл средних значений (за большой промежуток времени) каких-то функций, характеризующих динамическое состояние системы. 'Гальке с подобными средними и имеет дело феноменологическая термодинамика. Их мы будем обозначать через р, Р., 1г;..., т.
е,. будем опускать черту или любой другой знак усреднения. 3. Макроскопические параметры, определяющие состояние системы и ее отношение к окружающим телам, разделяются на внутренние и вне|ание. Внутренние параметры определяют внутреннее состощгое системы. Внешними параметрами характеризуются оиеилние тела и силовые полл, воздействующие на систему.
Приведем примерь~ внутренних и внешних параметров. Пусть газ заключен в сосуде с твердыми стенками. Объем сосуда определяется положением внешних тел — стенок. Это внешний параметр. Давление, оказываемое газом на стенку сосуда, зависит от скоростей теплового движения его молекул. Оно является внутренним параметром. Если газ двух- или многоатомный, то при его нагревании молекулы дигсоциируют, т.е. распадаются на атомы или группы атомов.
При дшп нейшем нагревании атомы газа ионизируются расщепляются на заряженные ионы или электроны. Отношение числа диссоциировавшихся молекул к общему их числу называется степенью дассоциоции молекул газа. Аналогично определяется степень иоииоации газа. как отношение числа ионизовавшихся атомов к общему числу >Иаир»скопи >еское параметры их. Степень диссоциации и степень ионизации газа — кнутренние параметры. В электрическом поле газ поляризуется, а к магнитном намагничивается, возникают электрический и магнитный моменты газа. Вти келичины являются внутренними параметрами. Напряженности же внешних электрического и магнитного полей, к которых помещен газ, являются параметрами внешними.
Допустим теперь, что газ заключен к цилиндре под поршнем, который может скоГ>одно перемещаться. 1!усть на поршне лежит груз кеса Я. Если площадь поршня равна Я, то груз 1,! оказывает дакление Р = лг',>;з' на каждую единицу площади поршня. Давление Р к таком смысле будет внешним параметром.
так как оно определяется весом внешнего тела груза О. Объем газа 1>' определяется положением подвижной стенки сосуда -- поршня. Однако теперь обьсм 1г становится внутренним параметрол>, так как положение поршня с грузом зависит от внутреннего давления, оказываемого газом на поршень. В состоя>ши терлюданамаческого рааноаеси каэ>еды анутрешкгй парамеп>р яаляе>пся функцией апешиих >>араме>прок и температуры системы. Это утверждение якляется результатом обобщения опытных факток.
Прил>ерем может служить уравнение состояния. Внутренний параметр давление газа Р здесь однозначно определяется температурой газа и внешним параметром объемом сосуда 1г, к котором заключен газ. Сформулироканное общее положение является одним из важнейших постулатов аксиоматической терлюдинамики. Уравнение, выражающее функциональную связь между внутренними и внешними парал>страми системы к состоянии термодинамического равновесия, называется обобщенным уравнением состояния системы.
4. Следует заметить. что даже к состоянии равновесия кнутренние параметры системы определяются внешними параметрами и температурой окружающей среды не всегда одиозна п>о. '!ак. твердый брусок на твердой наклонной плоскости в однородном поле тяжести может удерживаться силами сухого трения на различных высотах. '1ело из пластического материала, деформированное кне>пними силами. после удаления последних принимает различные равновесные формы, к зависимости от того, каковы были эти силы.
Ферромагнитное твердое тело из-за гистеризиса люжет быть намагничено по-разному в одном и том же магнитном поле, к зависимости от того, как создавалось это поле. То жс относится к поляризации сегнетоэлектриков в элоктрическом поле (см. т. 111, з 39,74). Во всех этих и аналогичных слу шях одним и тем же значениял> внешних параметров и температуры окружающей среды соответствует множсстко ракнокесных состояний системы, отличающихся различными значениями внутренних параметров. Возникает вопрос, не существует ли среди этого множества ракнокесных состояний состояние, наиболее устойчиаае по отношению к малым козл>ущениям внешних условий, к которое к конце концов самопроизвольно переходят кое остальные менее устойчивые равновесные состояния.
Если бы это было так, то такое единственное самое устойчивое состояние было бы целесообразно принять за состояние истишшго Тел>пе~ пи~ра ~>л. > >пери»динамичетоао раш>овес л, и все прочие равновесные состояния считать состояниями вотормо>военного раеноаесил. Такая гипотеза не противоречит наблюдаемым фактам. Волее того, она лежит в основе статистической физики, важнейшей задачей которой является нахождение значений различных внутренних параметров именно в состоянии термодинамического равновесия. В свете изложенной гипотезы окружающие нас предметы находятся в состоянии нс истинного, а заторможенного равновесия. Последнее воспринимается нами как истинное термодинамическое равновесие только потому, что релаксационные процессы, приближающие системы к такому равновесию, идут чреэоычийн<> медленно и потому не замечаются нами.
Соответствующие им времена релаксации могут быть порядка возраста Земли и даже значительно больше. В дальнейшем, если не сделано специальной оговорки. рассматриваются системы, равновесные состояния которых при заданных вне>пних условиях единственны. Глава П ПЕРВОЕ НАт1АЛО ТЕРМОДИНАМИКИ 8 10. Введение Первое ипчплэ термодшигмики выражает принцип сохранения энергии для тех макроскопических явлений, в которых одним из существеннгих параметров, определяющих состояние тел, является температура.
Вго открытие относится к 40-м годам Х1Х века, когда было установлено, что теплота — не вещество, а какое-то оиутрешгее доиэкхиие тела. В механике энергия складывается из кинетической энергии макроскопического движения и потенциальной энергии макроскопичсских тел во внешних силовых полях.
В механике доказывается. что для изолированной системы полная механическая энергия сохраняется, т.с. ее количество остается неизменным. Но это справедливо не всегда. а только в тех случаях, когда все действующие в системе силы консервативны.
При наличии диссипативных сил сил трения механическая энергия замкнутой системы уменьшается. Однако опыты показали, что работа диссипативных сил всегда сопровождается выделением теплоты. Оказалось, что принцип сохранения энергии остается справедливым и при наличии диссипативных сил, если только расширить понятие энергии введением новой формы ее, а именно виугпреиней энергии, называемой также 1не совсем удачно) тепловой энергией,. Это было сделано Майером (1814 — 1878), Джоулем (1818-1880), Гельмгольцем (1821-1894) и другими учеными, с именами которых связывают открытие принципа сохранения энергии в его общефизическом смысле. С атомистической точки зрения нарушения механического закона сохранения энергии объясняются тем, что макроскопическая механика учитывает не все движения и силовые взаимодействия.
Из ее поля зрения ускользают оиутрегшиг пеоидимыс дэишссиил отдельных итэмоо и молекул, а также силы взаимодействия между ними. Диссипативные силы годятся только для описания макроскопических движений. В мире атомов и молекул никаких диссипативных сип ие суп1ествует, все силы консервативные и гироскопические. Всякое тело с атомистической точки зрения является консервативной системой колоссшп ного числа частиц атомов и молекул. Для такой системы механический закон сохранения энергии справедлив, но только при непременном условии, что к энергии макроскопического движения добавляется эпгргил беспорлдочногэ итомио-молекулярного доиэюеиил.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
