Радушкевич Л.В. Курс термодинамики (1185140), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Заметим, что теоретическая физика Х1Х в. была преимущественно феноменологической, хотя и привела к построению современной атомной и молекулярной физики. $3. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ Всякое тело в определенных условиях обладает некоторым запасом так называемой в н у т р е н н е й э н е р г и и, которая состоит из кинетической и потенциальной энергии, составляющих его частиц, например молекул. Внутренняя кинетическая Глава Д Оба~ив понятия и определения энергия обусловлена тепловым хаотическим движением молекул, и это свойство непосредственно связано с температурой— с увеличением интенсивности этого движения температура тела возрастает.

Внутренняя потенциальная энергия зависит от взаимодействия молекул друг с другом; они на некоторых расстояниях притягиваются. одна к другой, а при особенно тесном сближении силы притяжения переходят в силы отталкивания. Общее количество кинетической и потенциальной энергии носит название полной внутр ен ней энергии тела,но мы часто будем называть его просто энергией и обозначать через У. Очевидно, что для однородного по составу тела запас энергии тем больше, чем больше в нем находится частиц или чем больше взятая масса тела, так как энергия возрастает пропорционально увеличению числа частиц. Поэтому внутренняя энергия тела является величиной аддитивной, т.

е. пропорциональной числу частиц в теле. Если тело состоит из йГ однородных частиц и его внутренняя энергия есть У, то можно написать: и- м. Однако следует заметить, что фактически полная внутренняя энергия тела слагается не только нз энергии образующих его молекул, но запас ее в теле определяется еще внутримолекулярной и внутриатомной энергией, зависящей от взаимодействия электронов, молекул и атомов друг с другом и с ядрами атомов. Далее, в запас внутренней энергии тела включается также эйнштейновская энергия, определяющаяся массами самих составляющих атом и его ядро элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов); по закону Эйнштейна Е=тся, где т — масса частицы, с — скорость света.

Отсюда видно, что доля эйнштейновской энергии колоссально велика, тогда как доля кинетической и потенциальной энергии молекул и атомов составляет лишь ничтожную часть запаса полной внутренней энергии тела. В огромном большинстве задач рассматриваемых в термодинамике, эйнштейновская энергия остается постоянной, за исключением тех случаев, когда рассматриваются процессы, связанные с ядерными превращениями.

Между тем в термодинамике часто бывают важны не абсолютные значения полной внутренней энергии тела, а лишь относительные ее изменения, происходящие в различных процессах, поэтому эйнштейновская энергия может рассматриваться, как некоторый нулевой уровень энергии, от которого мы будем отсчитывать все изменения энергии при анализе разных процессов превращения энергии в термодинамике. При повышении температуры, т. е. при нагревании тела, внутренняя энергия увеличивается в простейшем случае за счет увеличения скорости движения молекул. Во многих случаях Е 8. Внутренняя энергия даже при постоянной температуре запас внутренней энергии изменяется благодаря изменению потенциальной энергии взаимодействия молекул, как например при плавлении, парообразовании, растворении и т.

п. Отсюда мы видим, что величина У зависит не только от числа молекул в теле, но также от изменения условий, в которых находится тело. В термодинамике (в термостатике) обычно не обращают внимания на внешнюю энергию тела, обусловленную его движением как целого, т. е. предполагаются только такие относительно медленные движения, когда внешней кинетической энергией тела можно пренебречь. Рассматривая общие свойства внутренней энергии, отметим, что в физике величины, значения которых пропорциональны числу частиц в теле или массе тела, носят название экстенсивных величин, в отличие от интенсивных величин, которые тоже вообще могут зависеть от массы, но более сложным образом или даже вовсе не зависеть от нее. Внутренняя энергия тела, как было сказано, пропорциональна числу частиц (нли массе), и потому ее следует считать экстенсивной величиной.

Напротив, температура тела непосредственно не связана с массой и относится поэтому к разряду интенсивных величин. Например, внутренняя энергия иглы, накаленной в пламени, сравнительно мала благодаря малой массе, тогда как температура доходит до 1000' С. Наоборот, внутренняя энергия большого стального цилиндра при комнатной температуре сравнительно велика, а температура составляет всего 20' С. К интенсивным величинам относится также давление, например, газа в баллоне, поскольку оно непосредственно не связано с массой газа и зависит от других условий. Сюда же относятся потенциалы: гравитационный, электростатический и магнитный, которые по своим свойствам являются интенсивными величинами.

Далее мы встретимся с рядом других экстенсивных и интенсивных величин. $4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ Тер моди намичес кой системой называют макроскопическое тело или совокупность таких тел, выделяемых по какому-то признаку из окружающего их мира. Выделение здесь подразумевает часто как настоящее выделение системы от контактирующих или окружающих ее тел (окружения) с помощью разделяющих перегородок или оболочек, но можно представить себе и условное мысленное выделение одной системы из других нли же выделение так называемой подсистемы как части большой системы.

Реальными примерами термоди- 1О Г л а и а Л Общие нанятая и олределения намических систем являются газ в баллоне, раствор соли в сосуде, а также жидкая капля, кристалл, кусок сплава и т. п. тела, ограниченные внешними поверхностями от окружающей среды. Здесь даны простейшие примеры систем. Однако в термодинамике изучаются свойства и поведение более сложных систем, состоящих из сложных по химическому составу и агрегатному состоянию разнородных тел — гетерогенные системы.

Такой системой является, например, насыщенный раствор соли с твердыми кристаллами в закрытом сосуде и с находящимся над ним паром. Еще более сложными системами, с которыми приходится иметь дело, являются машины, двигатели, холодильники, сюда же в настоящее время относят разнообразные биологические организмы — от простейших клеток до высших животных. Мы ограничимся здесь главным образом наиболее простыми системами, однородными по составу, называемыми г о м о г е н н ы м и, но далее будут также рассмотрены важнейшие примеры сложных систем.

В выделенной нами системе могут протекать разнообразные физические и химические процессы, включая также и ядерные превращения и т. п. Наиболее распространен случай, когда в системе имеется процесс теплопроводности за счет заметного перепада температуры на отдельных участках, а также процесс диффузии благодаря наличию конечной разности концентраций составных частей в разных слоях (например, в растворе). Возможно, что в системе имеется макроскопическое течение жидкости или газа вследствие разности давления на разных участках системы. Если все эти процессы протекают с конечной скоростью, то состояние системы считается неравновесным.

Однако многие опытные факты указывают, что если некоторые внешние условия остаются неизменными во времени, то рассматриваемая нами система постепенно переходит в состояние некоторого равновесия, когда температура в различных слоях системы одна и та же, когда уже не имеется различия концентраций на участках системы, т. е, все ее части равномерно перемешаны друг с другом, и, наконец, когда макроскопические течения исчезли благодаря выравниванию давления в системе. (Пока мы еще не будем точнее определять «внешние условия», упоминая их только как внешнюю среду или «окружение».) Состояние, к которому приходит система и которое описано выше, носит название термодинамически равновесн о г о с о с т о я н и я или просто термодннамического равновесия, причем система, как показывает опыт, может длительно находиться в нем, пока остаются неизменными внешние условия. Время перехода системы от исходного неравновесного состояния к равновесному носит название в р е м е н и р е л а к с аци и.

Последнее для различных макросистем может изменяться З 4. Термодинаминескав система и термодинаминеское равновесие 11 в очень широких пределах от долей секунды до сроков порядка геологических эпох. Переход системы к состоянию гермодинамического равновесия можно проследить на простом примере. Пусть на столе находится небольшой закрытый сосуд с водой, нагретой, например, до 100'С. Состояние воды в сосуде сначала является не- равновесным состоянием, так как прн комнатной температуре около 20'С имеется существенный перепад температур в данной системе.

Однако вода постепенно охлаждается, причем, кроме процессов лучеиспускания и теплопроводности, в системе происходит еще конвекция, т. е. макроскопические течения слоев воды благодаря разной плотности горячей и более холодной ее частей. Спустя некоторое время можно заметить, что температура во всех слоях воды становится одинаковой и равной температуре окружающих тел в комнате, если эта температура окружения сама неизменна. Наступает тсрмодннамическое равновесие воды.

Если условие постоянства температуры длительно соблюдается, то и термодинамическое равновесие воды является неизменным. В этом состоянии в воде отсутствует во всех слоях разность температуры и полностью исчезли конвекционные токи, а также лучеиспускание. Если сосуд с водой перенести в термостат с другой температурой, например 5' С, то вновь возникнут теплопроводность, лучеиспускание и конвекция, пока система вновь не перейдет к равновесному состоянию при новой температуре. Е $. ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ.

Характеристики

Список файлов книги