2019 лекции 11-16 (1247450)

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

Текст из файла

Часть III. ТермодинамикаГлава 11. Первое начало термодинамики. Термодинамические системы итермодинамические параметры (2). Уравнение состояния, термодинамическиекоэффициенты (3). Процессы: равновесные, неравновесные, обратимые и необратимые(5). Внутренняя энергия, работа, количество теплоты (6). Первое начало термодинамики(9). Теплоёмкость процесса (10). Скорость звука в газе (13). Приложение: вывод формулыдля скорости звука (14).Глава 12. Преобразование теплоты в работу. Тепловая машина, цикл Карно (15). ЦиклОтто как модельный цикл для двигателя внутреннего сгорания (17). Холодильная машина,тепловые насосы (19).Глава 13. Второе начало термодинамики, энтропия. Формулировки второго начала(21).

Теорема Карно (22). Термодинамическая температура (24). Теорема о приведённыхтеплотах, неравенство Клаузиуса (25). Энтропия (26). Закон возрастания энтропии (28).Энтропия и передача тепла (29). Энтропия идеального газа (30). Процесс Гей-Люссака,смешение газов, парадокс Гиббса (31).Глава 14. Статистический смысл энтропии. Изменение энтропии при отклонении отравновесия (34). Принцип Больцмана (35). Флуктуации (37). Распределение МаксвеллаБольцмана как наиболее вероятное распределение с учетом энергии (39).Глава 15.

Термодинамические потенциалы. Внутренняя энергия как потенциал,энтальпия, свободная энергия Гельмгольца, потенциал Гиббса (44). Условиятермодинамической устойчивости (47). Соотношения Максвелла (50). Зависимостьвнутренней энергии от объема (50). Термодинамическая температура из объемногорасширения (51).

Метод циклов (53).Глава 16. Приложение: термодинамика фотонного газа. Фотонный газ, черноеизлучение (55). Закон Кирхгофа, спектральный состав черного излучения (57). ЗаконСтефана-Больцмана (58).1Глава 11. Термодинамический подход. Первое начало термодинамики.11.1. Термодинамические системы и термодинамические параметрыПространственные размеры макроскопических систем много больше размеровмолекул, из которых они состоят. Число молекул в них огромно. Так, в 1 см3 воздуха принормальных условиях содержится около 2,71019 молекул, в одном моле вещества числомолекул NA = 6 1023.

Опыт показывает, что поведение макроскопической системы вполнехарактеризует сравнительно небольшое число макроскопических параметров – таких какобъем, давление, температура. Могут в числе таких параметров быть и силовые поля –поле сил тяжести, электрическое и магнитное поля.Состояние системы называется стационарным, если ее макроскопические параметрыс течением времени не изменяются. Если, кроме того, если в системе нет никаких потоковмассы, энергии, импульса и т. д., то такое состояние системы называется равновесным.Макроскопическая система, находящаяся в состоянии равновесия, называетсятермодинамической системой, такое ее состояние называетсясостояниемтермодинамическогоравновесия,аеемакроскопическиепараметры–термодинамическими параметрами.

Изучение термодинамических систем являетсяпредметом дисциплины, называемой термодинамикой.С любой термодинамической системе молекулы находятся в состоянии тепловогодвижения, и постоянно сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Столкновениясопровождаются резкими изменениями величины скорости и направления движениямолекул. Но макроскопическое состояние системы при этом не изменяется.Если изучается часть полной системы, то оставшуюся часть называют окружающейсредой, или окружением. В условиях термодинамического равновесия термостат поразмерам должен быть значительно больше, чем изучаемая система – тогда можносчитать, что он не меняет свое состояние независимо от того, какие процессы происходятв изучаемой системе.

Если же макроскопическая система не обменивается с внешнимителами ни энергией (в том числе и излучением), ни веществом, то тогда она называетсяизолированной.В результате обобщения многочисленных опытных данных установлено, что любаяизолированная макроскопическая система с течением времени приходит в состояниетермодинамического равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может.Термодинамика равновесных систем (равновесная термодинамика) рассматриваеттолько такие изменения состояния системы, в которых начальное и конечное состоянияявляются равновесными. Промежуточные состояния могут быть любыми (в том численеравновесными).

Изменения (процессы) в системе могут происходить сами по себе илипод действием контакта с другими системами.Самопроизвольный переход системы в равновесное состояние являетсянеравновесным, он называется релаксационным процессом, или релаксацией, ахарактерное время, в течение которого он происходит, – временем релаксации.Методы измерения термодинамических параметров просты и хорошо известны.Объем системы – чисто геометрическое понятие, он практически всегда доступенизмерению. Давление измеряется с помощью манометров. Ранее, в главе 1, мы вводили2температуру как среднюю кинетическую энергию молекул в идеальном газе. Былопоказано, что при тепловом контакте двух газов их температуры выравниваются.

Поэтомутемпературу можно измерять с помощью газовых термометров, которые такжепредставляют собой манометры, показания которых пересчитываются с использованиемуравнения состояния идеального газа как T = pV/νR.В состоянии термодинамического равновесия температура во всех частях системы однаи та же. Опыт показывает, что если две системы A и B , находящиеся в равновесныхсостояниях, привести в тепловой контакт, то они или остаются по-прежнему в состояниитермодинамического равновесия, или, спустя некоторое время в результате обменаэнергией, приходят в другое равновесное состояние.

При этом равновесие не нарушается,если устранить тепловой контакт, а затем снова его восстановить. Если имеются триравновесные системы A, B и C и если системы A и B порознь находятся в равновесии ссистемой C, то системы находятся в термодинамическом равновесии и между собой(свойство транзитивности термодинамического равновесия). Это условно можнозаписать так:A ~ C, B ~ C  A ~ B.(11.1)Из свойства транзитивности как раз и возникает понятие температуры.

Свойство(11.1) позволяет сравнивать значения величины Т у разных систем, не приводя их внепосредственный тепловой контакт, а пользуясь каким-либо третьим телом.Необходимо еще установить, какая температура больше, а какая меньше. Для этоговводится дополнительное условие: полагается, что при подводе к телу энергии припостоянных внешних параметрах температура его повышается.Термодинамические параметры системы параметры подразделяются на интенсивныеи экстенсивные. К первым относятся параметры, не зависящие от массы или числа частицв системе (например, давление, температура).

Параметры, пропорциональные массе иличислу частиц, называются экстенсивными, или аддитивными (например, энергия, объем идр.). Экстенсивные параметры характеризуют систему в целом, интенсивные имеютсмысл (принимают определенные значения) в каждой точке системы.11.2. Уравнение состояния, термодинамические коэффициентыОпыт показывает, что для газов и жидкостей в равновесном состоянии давление,объем и температура находятся в функциональной зависимостиf(p, V, T) = 0.(11.2)Это уравнение состояния сжимаемых сред в общем виде. В термодинамике его ещеназывают термическим уравнением состояния. Вид функциональной зависимости в (11.2)различен для разных сред. Для идеального газа термическим уравнением состоянияявляется уравнение Клапейрона–Менделеева (см. (2.15))p = nkT, или pV = νRT.3Здесь ν – число молей газа, ν = М/μ, М – его масса, μ – молекулярный вес, R = kNA = 8,314Дж / (моль  К) – универсальная газовая постоянная.Из самого факта наличия уравнения состояния следует ряд важных соотношениймежду экспериментально измеряемыми величинами.

Для сосуда с газом или жидкостью(или твердым телом) объема V, который находится под воздействием некоторого давленияр в термостате с температурой Т – см. рис. 11.1, – рассмотрим следующие три опыта.pTVРис. 11.1.а) Измерение изменения объема при изменении температуры при постоянномдавлении ( p  const ) . В результате получается изобарический коэффициент тепловогорасширения:1  V V  T  pб) Измерение изменения давления при изменении температуры при постоянномобъеме (V  const ) .

Здесь определяется термический коэффициент давления:1  p p  T Vв) Измерение изменения объема при изменении давления при постояннойтемпературе (T  const ) . В результате находится изотермическая сжимаемость:1  V   V  p TДанные величины вместе называются термодинамическими коэффициентами. (Могутбыть и другие термодинамические коэффициенты, например, для сжатия или расширенияв адиабатических условиях).4Из уравнения (11.2) следует, что давление является функцией объема и температуры,p  p(V ,T ) . Тогда можно записать полный дифференциал p  p dp  dV dT . V T T VОтсюда при р = const имеем dp = 0, что приводит к уравнению p   V   p 0   . V T  T  p  T V(11.3)Из чего легко увидеть, чтоp1 .(11.4)Таким образом, полученные в разных измерениях термодинамическиекоэффициенты α, β и κ между собой оказываются связанными.

На практике труднее всегоизмерить величину β, так как поддерживать постоянным объем непросто из-затемпературного расширения материала стенок сосуда. Соотношение (11.4) позволяеттогда для определения β ограничиться более простыми измерениями коэффициентов α и κ.11.3. Процессы: равновесные, неравновесные, обратимые и необратимыеОсуществляемый над системой процесс изменения ее термодинамических параметровназывается равновесным, или квазистатическим, если все параметры системы изменяютсяфизически бесконечно медленно, так что система все время находится в равновесныхсостояниях.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лекций