ЭБЗ Классическая физика (часть 1) - механика, термодинамика и молекулярная физика (1175272), страница 86
Текст из файла (страница 86)
В термодинамике рассматриваются термодинамические системы – макроскопические объекты (тела и поля), которые могут обмениваться энергией как друг с другом, так и с внешней средой, т. е. телами и полями, которые являются внешними по отношению к данной системе.2°. Для описания состояния термодинамической системы вводятся физические величины, которые называются термодинамическими параметрами или параметрамисостояния системы. Обычно термодинамическими параметрами выбираются давление,удельный объем и температура.Давлением р называется физическая величина, численно равная силе, действующейна единицу площади поверхности тела по направлению внешней нормали к этой поверхности:p=dFn,dSгде dFn – численное значение нормальной силы, действующей на малый участок поверхности тела с площадью dS.Удельным объемом v называется величина, обратная плотности ρ тела: v =1ρ. Дляоднородного тела удельный объем равен объему тела, масса которого равна единице.3°.
Понятие температуры имеет смысл для равновесных состояний термодинамической системы (п. 4°). Равновесным состоянием (состоянием термодинамического рав-новесия) называется состояние системы, не изменяющееся с течением времени (стационарное состояние), причем стационарность состояния не связана с процессами,происходящими во внешней среде. Равновесное состояние устанавливается в системепри постоянных внешних условиях и сохраняется в системе произвольно долгое время.Во всех частях термодинамической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, температура одинакова.
Если происходит соприкосновение двухтел с различной температурой, то путем теплообмена происходит передача внутреннейэнергии (II.2.1.2°) от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.Этот процесс прекращается, когда температуры обоих тел становятся равными.4°. Температура равновесной системы является мерой интенсивности тепловогодвижения ее молекул (атомов, ионов). Для равновесной системы частиц, подчиняю-щихся законам классической статистической физики (п. 2°), средняя кинетическаяэнергия теплового движения частиц прямо пропорциональна абсолютной температуресистемы (II.3.2.4°).Температуру можно измерять только косвенным путем, основываясь на том, чтоцелый ряд физических свойств тела, поддающихся прямому или косвенному измерению, зависит от температуры.
Так, при изменении температуры тела изменяется егодлина и объем, плотность, электрическое сопротивление, упругие свойства и т. д. Изменение любого из этих свойств может быть основой измерения температуры. Для этого необходимо, чтобы для одного тела, называемого термометрическим телом, былаизвестна функциональная зависимость данного свойства от температуры. Температурные шкалы, устанавливаемые с помощью термометрических тел, называются эмпири-ческими.В международной стоградусной шкале температура измеряется в °С и обозначается t (градус стоградусной шкалы, градус Цельсия).
Считается, что при нормальном давлении в 1,01325·105 Па температуры плавления льда и кипения воды равны 0°С и 100°Ссоответственно.В термодинамической шкале температур температура измеряется в кельвинах (К)и обозначается Т.Связь между абсолютной температурой Т и температурой по стоградусной шкале:T = 273,15 + t .Температура T = 0 (t = –273,15°С) называется абсолютным нулем температуры. Онедостижимости абсолютного нуля см. II.4.8.4°.5°. Параметры состояния системы разделяются на внешние и внутренние. Внешними параметрами системы называются физические величины, которые зависят от положения в пространстве и различных свойств тел, являющихся внешними по отношению к данной системе.
Например, для газа объем сосуда, в котором находится газ, является внешним параметром, так как объем зависит от расположения внешних тел –стенок сосуда. Для диэлектрика, находящегося в электрическом поле, внешним параметром является напряженность этого поля, созданного некоторыми внешними источниками поля. Внешним параметром для жидкости в открытом сосуде является, например, атмосферное давление.Внутренними параметрами системы называются физические величины, зависящие как от положения внешних по отношению к системе тел, так и от6координат и скоростей частиц, образующих данную систему. Например, внутреннимипараметрами газа являются его давление и энергия, так как они зависят от координат искоростей движущихся молекул и от плотности газа.6°.
Параметры состояния системы, находящейся в равновесном состоянии (п. 3°),не являются независимыми. Внутренние параметры такой системы зависят только от еевнешних параметров и температуры. Равновесное состояние простой системы заданного химического состава и массы M определяется заданием двух параметров – объема Vи температуры Т.Уравнением состояния (термическим уравнением состояния) простой системы называется функциональная зависимость равновесного давления р в системе от объёма итемпературыp = f (V ,T ) .Уравнение состояния в термодинамике получается опытным путем.
В статистической физике (II.1.2.2°) уравнение состояния выводится теоретически. В этом состоитвзаимосвязь статистического метода исследования (II.1.2.2°) с термодинамическим методом (II.1.2.3°).7°. Если какой-либо из внешних параметров системы изменяется, то происходитизменение состояния термодинамической системы, называемое термодинамическимпроцессом. Термодинамический процесс называется равновесным (равновесный, квазистатический процесс), если система бесконечно медленно проходит непрерывный рядбесконечно близких термодинамических равновесных состояний (II.1.3.3°).
Все процессы, которые не удовлетворяют перечисленным условиям, называются неравновесными.Реальные процессы неравновесны, так как происходят с конечной скоростью. Однакоони тем ближе к равновесным, чем медленнее они происходят.Изопроцессами называются термодинамические процессы, происходящие в системе с постоянной массой при каком-либо одном постоянном параметре состояния.Изотермический (изотермный) процесс происходит при постоянной температуре.Изохорический (изохорный) процесс происходит при постоянном объеме.Изобарический (изобарный) процесс протекает при постоянном давлении.Адиабатным (адиабатическим) процессом называется термодинамический процесс, который происходит в системе без теплообмена (II.2.2.4°) с внешними телами (см.также II.2.5.10°).78°.
Функциями состояния называются физические величины, характеризующие состояние системы. Изменения функций состояния при термодинамических процессах независят от вида этих процессов. Функции состояния однозначно определяются значениями параметров начального и конечного состояний системы. Простейшими функциями состояния системы являются ее внутренняя энергия U (II.2.1.2°) и энтропия S(II.4.4.2°).§ II.1.4. Уравнение состояния идеального газа1°.
Идеальным газом называется газ, молекулы которого не взаимодействуют друг сдругом на расстоянии и имеют исчезающе малые собственные размеры. У реальныхгазов (II.5.1.2°) молекулы испытывают силы межмолекулярного взаимодействия(II.5.1.3°).При взаимных столкновениях и соударениях со стенками сосуда молекулы идеального газа ведут себя как абсолютно упругие шары (I.1.1.4°) с диаметром d (эффектив-ный диаметр молекулы), зависящим от химической природы газа.
Наличие эффективного диаметра d (d ~ 10-10 м) означает, что между молекулами действуют силы взаимного отталкивания (II.5.1.3°). Межмолекулярные силы притяжения (II.5.1.3°) быстро убывают с увеличенном расстояния d между молекулами и не проявляются практическипри r > rм ~ 10-9 м. При малых плотностях реальных газов средние расстояния r между молекулами превышают rм, и такие газы с хорошим приближением считаются идеальными. Водород, гелий, кислород, азот считаются идеальными при плотностях, соответствующих нормальным условиям.2°.
Для данной массы идеального газа отношение произведения численных значений давления и объема к абсолютной температуре есть величина постоянная (уравнениеКлапейрона)pV= C = const .TЧисленное значение газовой постоянной С зависит от массы газа и его химического состава.Если v – удельный объем газа (II.1.3.2°) и M – масса газа, то V = Mv и уравнениеКлапейрона принимает видpv =CT = BT ,M8где B =C– удельная газовая постоянная, отнесенная к единице массы.M3°. Из определения моля следует, что моли различных газов содержат одинаковоечисло молекул – число Авогадро NА.Молярной массой газа или любого тела называется физическая величина, равнаяотношению массы М газа (или любого тела) к количеству N молей, которое в нем содержится: µ =M.NМолярная масса прямо пропорциональна относительной массе молекул газа:µ = 10 −3m, где т – масса молекулы данного газа, т0 – атомная единица массы по угm0леродной шкале.
Коэффициент 10-3 появляется потому, что в СИ молярную массу измеряют в кг/моль.Молярным объемом µ называется физическая величина, равная отношению объемаV газа к числу N молей, содержащихся в газе: V µ =V. Масса моля численно равна µ,Nпоэтому V µ = µv , где v – удельный объем (II.1.3.2°).4°. Уравнение состояния для моля идеального газа:pV µT= µB = R или pVµ = RT .Здесь R – универсальная газовая постоянная, представляющая собой газовую постоянную, отнесенную к молю газа. Универсальность R вытекает из закона Авогадро, согласно которому моли всех идеальных газов при одинаковых давлениях и температурах занимают одинаковые объемы. При нормальных условиях (Т = 273,15 К, р == 1,0132·105 Па = 1 атм = 760 мм рт. ст.) моль любого газа имеет объемVµ = 22,415·10-3 м-3. Отсюда можно рассчитать численные значения R в разных системахединиц.Если в объеме V газа содержится масса М кг, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
