Д.В. Сивухин - Общий курс физики, Т2. Термодинамика и молекулярная физика (1106322), страница 3
Текст из файла (страница 3)
илн формальной. Достоинством термодинамики является то, что ее выводы характеризуются болыпой общностью, так как онн обычно получаются без использования упрощенных моделей, без чего не может обойтись молекулярно-кинетическая теория. Однако последняя. по крайней мере в принципе, позволяет решать и такие вопросы, теоретическое рассмотрение которых невозможно методами одной только аксиоматической термодинамики. Сюда относятся.
например, выводы и ) В начале 30-х годов возникла я сталя развиваться термодинамики неравновесных процессов. Однако этот раздел физики мы здесь рассматривать не будем. Введение термического и калорического уравнений состояния вещества. Знание таких уравнений необходимо, чтобы придать общим выводам термодинамики законченный конкретный характер. Аксиоматичосквя термодинамика заимствует эти уравнения из опыта. Кроме того, опыты, поставленные в связи с различными проблемами молекулярной физики, показали, что принципы аксиоматической термодинамики не в такой степени незыблемы и универсальны, как считали ее основоположники.
Как и для болыпинства законов физики область их пригиенимости ограничена. Так. аксиоматическая термодинамика оставляет в стороне самопроизвольные нарушения состояний термодинамического равновесия, или г!мухтпйации. которые проявляются тем отчетливое, чеги меньше размеры системы. Статическая термодинамика охватывает н этот круг явлений, устанавливая тем самым границы применимости формальной термодинамики. 5. Мы изучаем молекулярную физику после классической механики. В этом заключается известная научно-педагогическая трудность. Молекулярная физика должна основываться на законах, которым подчиняются атомы и молекулы.
Это законы кеинтоеглй,механики, которые будут изучаться нами позднее. Без знания этих законов полное и строгое изложение современной молекулярной физики невозможно. Тем не менее. мы излагаем молекулярную физику после классической механики, и вот почему. П!ирокий круг макроскопических явлений обусловлен нс столько деталями строения атомов и характером управляющих ими законов, сколько необычайно болыинма чшслом самих атомов в макроскопических системах. Г!ри изучении такого рода явлений знание квантовой механики не всегда обязательно. Правда, молекулярная физика, построенная на основе классической механики объясняет не весь диапазон экспериментальных фактов.
Квантовая природа атомов и молекул рано или поздно даст о себе знать, например, в вопросах о теплоемкости тел или в явлениях вблизи абсолютного нуля температуры. Но в этих случаях, по крайней мере для понимания самого основного и существенного., достаточной небольших предварительных сведений нз квантовой физики. которые можно сообщить в ходе изложения.
Систематическое жс изложение квантовой механики, хотя бы и в элементарной форме., непосредственно после классической механики педагогически не оправдано. Наливающий должен ознакомиться с широким кругом экспериментальных фактов, которые одни только могут по-настоящему убедить его в недостаточности классических и необходимости введения квантовых п!>сдставлений.
6. Изложения феноменологической термодинамики необходимо предпослать следующее замечание. Физики ХНП! и отчасти первой половины Х!Х века рассматривали теплоту как особое невесомое вещество, содержащееся в телах. Оно не может быть ни создано. ни уничтожено. Это гипотетическое вещество называлось теилородом.
Нагревание тел объяснялось увеличением, а охлаждение — уменьшением содержащегося внутри них теплорода. Теория теплорода несостоятельна. Она не может объяснить простейшие явления, например Введение нагревание тел при трении. Нет необходимости рассматривать эту теорию. Мы упомянули о ней только потому, что терминология, употребляющаяся в учении о теплоте, исторически сложилась под влиянием теории теплорода. Основным понятием теории теплорода было количество теп.лоты. С точки зрения этой теории оно само собой было понятно и не нуждалось в определении. Этим понятиел~ пользуются и теперь, хотя оно неудачно, так как с ним ассоциируется неправильное представление о физической природе теплоты. Терминология всегда более живуча.
чем физические представления, сменяющие друг друга. Физикам сплошь и рядом приходигся пользоваться не вполне рациональной исторически сложившейся терминологией. Особо большой беды в этом нет, если только каждый термин понимать в смысле данного ему точного определения и не связывать с ним никаких представлений, ко"горые не вытекают из этого определения. В учении о теплоте нет ничего более опасного, чем отнести количество теплоты к числу первоначальных понятий, не требующих определения. Термином «количество теплотыь можно пользоваться только при условии, что ему дано ясное и четкое определение, никак не связанное с представлениями теории теплорода.
То же относится к таким понятиям, как теплоемквсть, скрътшл гпегглота и пр.. которые наука получила в наследство также от теории теплорода. Глава 1 ТЕМПЕРАТУРА ~ 1. Температура и термодинамическое равновесие 1. Понятие гпемпературы вводится для характеристики различной сгпепеии пагршпости тел. Представление о температуре, как и представление о силе, вошло в науку через посредство наших чувственных восприятий. Наши ощущения позволяют различать качественные градации нагретости; теплы", холосвгый, горячий и пр. Однако количественная мера степени нагретости, пригодная для науки, нс может быть установлена с помощью чувственных восприятий.
Ощущения субъективны. В зависимости от состояния руки одно и то же тело на ощупь может казаться либо теплым, либо холодным. Погрузим, например, одну руку в горячую, а другую в холодную воду и подержим их в течение некоторого времени. Затем обе руки опустим в воду с комнатной температурой. Тогда первая рука почувствует холод, а вторая тепло.
Все испытывали неприятное ощущение холода при медленном вхождении в холодную воду во время купания, быстро исчезающее и сменяющееся чувством бодрости и удовольствия после того, как в результате полного погружения в воду тело купающегося немного охладится. Чувственная оценка температуры сильно зависит от теплопроеодносши тела. Например., при оценке на ощупь металлические предметы в комнате кажутся холоднее деревянных. Если же их нагреть до одной и той же температуры. превышающей температуру руки, то соотношение будет обратным.
Чувственная оценка температуры применима только в весьма узком температурном интервале. Она не годится в случае очень горячих и очень холодных тел. Ничего хорошего не получится при попытке определить на оп!упь степень нагрстости расплавленного железа или жидкого воздуха. 2. В основу количественного определения температуры и построения точной темпсратурной шкалы должны быть положены объективные физические явления и факты, свободные от субьективизма чувственных восприятий. К понятию температуры можно подходить с различных точек зрения. В феноменологическом учении о теплоте температура вводится через понятие теплового, или термического.
рвапоеесил. Волее общим является понятие термодшшмического равновесия. Как то, так и другое понятия трудно поддаются логическому определении>. К ним приходят в резулгпате рассмотрения конкретных примеров и последующего обобщения. Если два тела, температуры которых при оценке с помощью наших органов чувств сильно отличакхгси друг от друга (например, раскаленный металл и холодную воду), привести в соприкосновение друг с "ч "емператрра )Гл. 1 другом, то опыт показывает, что одно тело будет нагреваться. а другое охлаждаться, пока в системе не прекратятся всякие макроскопические изменения.
(Мся предполагаем, что соприкасающиеся тела химически не реагируют друг с другом.) Тогда. применяя терминологию, заимствованную из механики, говорят. что эти два тела находятся в термодипамическом раоновесии друг с другом и имеют одинаковые сссемверасгциры. Термодинамическос равновесие, как показывает опыт, в конце концов наступает не только в случае соприкосновения двух, но и в случае соприкосновения скольких угодно тел. Если соприкасающиеся тела химически реагируют друг с другом, то в результате химических реакций может происходить дополнительное иагревание нли охлаждение. Но после прекращения химических реакций в конце концов устанавливается термодинамическое равновесие, при котором никаких макроскопических процессов уже не происходит.
3. Отмеченныс факты допускают обобщение. Назовем иволирооастой, или замквсутой., оэстемой систему тел., которые не могут обмениваться энергией с окружающими телами. Такая система есть идеализация и в действительности точно никогда нс реализуется. Даже в тех случаях. когда вблизи соприкасающихся тел никаких других тел не имеется, тела все же не образуют замкнутую систему. так как они непрерывно испускают лучистую энергию и поглощают излучение, исходящее от других удаленных тел.
Однако искусственными приемами можно создать такие условия, когда обмен энергий системы с другими телами станет пренебрежимо малым. Этого можно достигнуть путем заключения системы в твердую теплонепроводящри. или адиабатсалескрю, оболочку, т.е. такую оболочку, что состояние системы, помещенной внутри нее, не меняется при нагревании илн охлаждении тел, находящихся вне оболочки (подробнее см. З 13). Адиабатичсская оболочка является физической абстракцией.
Таких оболочек в действительности не существует, но можно создать оболочки, по своим свойствам приближающиеся к адиабатическим. Наиболее совершенными адиабатическими оболочками в современной физике и технике являются стенки сосудов Дьхксра, или термосов. Это стеклянные или металлические баллоны с двойными стенками, между которыми создан высокий вакуум. Они хорошо предохраняют помещаемые в них тела от теплового воздействия внешних тел. Идеализируя подобные приборы.
мы приходим в пределе к представлению об идеальной адиабатической оболочке. Тело, заключенное в адиабатическую оболочку с твердыми ноподвижнымн стенками, при условии, что внешние силовые поля поддерживаются постоянными, полностью защищено от внешних воздействий, т. е. является изолированной системой. Обобщение. о котором говорилось выше, заключается в следующем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
