Μπορείτε να λάβετε πιστοποιητικό από το διαδικτυακό μάθημα.

Το μάθημα εξετάζει βασικές έννοιες και μεθόδους της θερμοδυναμικής και της μοριακής φυσικής ως μέρος ενός μαθήματος γενικής φυσικής που διδάσκεται σε φοιτητές στο Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας. Πρώτα απ 'όλα, εισάγονται τα βασικά θερμοδυναμικά μεγέθη, έννοιες και αξιώματα. Εξετάζονται οι βασικές θερμοδυναμικές σχέσεις. Ξεχωριστές διαλέξεις είναι αφιερωμένες στη θεωρία των μεταπτώσεων φάσης, στο μοντέλο αερίου Van Der Waals και σε επιφανειακά φαινόμενα. Δίνονται οι βασικές έννοιες της στατιστικής φυσικής: μικρο- και μακροκατάσταση του συστήματος, συνάρτηση κατανομής, συναρτήσεις κατανομής κ.λπ. Αναλύονται οι κατανομές των Maxwell, Boltzmann, Gibbs. Παρουσιάζονται τα στοιχεία της θεωρίας της θερμοχωρητικότητας των αερίων. Οι εκφράσεις προέρχονται για διακυμάνσεις βασικών θερμοδυναμικών μεγεθών. Δίνεται περιγραφή των μοριακών διεργασιών στα αέρια: διεργασίες μεταφοράς, διάχυσης και θερμικής αγωγιμότητας.

Σχετικά με το μάθημα

Το διαδικτυακό μάθημα περιλαμβάνει συζήτηση βασικών φυσικών θεμάτων, ανάλυση προβλημάτων και επιδείξεις φυσικών πειραμάτων, χωρίς τα οποία είναι αδύνατη η βαθιά κατανόηση της γενικής φυσικής. Για να κατακτήσει επιτυχώς το διαδικτυακό μάθημα, συνιστάται ο μαθητής να γνωρίζει το μάθημα της γενικής φυσικής: «Μηχανική» και να κατέχει τα βασικά της μαθηματικής ανάλυσης, να γνωρίζει τα βασικά της γραμμικής άλγεβρας και τη θεωρία πιθανοτήτων.

Μορφή

Το διαδικτυακό μάθημα περιέχει θεωρητικό υλικό, επιδείξεις βασικών θερμοδυναμικών πειραμάτων που είναι απαραίτητα για τη σωστή κατανόηση των φαινομένων, αναλύσεις λύσεων σε τυπικά προβλήματα, ασκήσεις και εργασίες για ανεξάρτητη λύση

Οι εβδομάδες έβδομη, δεκατρείς και δεκαοκτώ περιέχουν κουίζ για ανασκόπηση.

Πρόγραμμα μαθημάτων

Εβδομάδα 1
Βασικές έννοιες της μοριακής φυσικής και της θερμοδυναμικής: αντικείμενο έρευνας, τα χαρακτηριστικά γνωρίσματά της. Προβλήματα μοριακής φυσικής. Εξισώσεις κατάστασης. Ιδανική πίεση αερίου ως συνάρτηση της μοριακής κινητικής ενέργειας. Η σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας ενός ιδανικού αερίου και της κινητικής ενέργειας των μορίων του. Νόμοι των ιδανικών αερίων. Εξισώσεις κατάστασης ιδανικού αερίου. Οιονεί στατικές, αναστρέψιμες και μη αναστρέψιμες θερμοδυναμικές διεργασίες. Μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής. Εργασία, θερμότητα, εσωτερική ενέργεια. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής. Θερμοχωρητικότητα. Θερμοχωρητικότητα ιδανικών αερίων σε σταθερό όγκο και σταθερή πίεση, εξίσωση Mayer. Αδιαβατικές και πολυτροπικές διεργασίες. Πολυτροπική εξίσωση για ένα ιδανικό αέριο. Αδιαβατικές και πολυτροπικές διεργασίες. Ανεξαρτησία της εσωτερικής ενέργειας ενός ιδανικού αερίου από τον όγκο.

Εβδομάδα 2
Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Διατυπώσεις της δεύτερης αρχής. Θερμική μηχανή. Προσδιορισμός της απόδοσης μιας θερμικής μηχανής. Κύκλος Carnot. Θεώρημα Carnot. Clausius ανισότητα. Μέγιστη απόδοση του κύκλου Carnot σε σύγκριση με άλλους θερμοδυναμικούς κύκλους. Ψυκτικό μηχάνημα. Απόδοση ψυκτικής μηχανής. Αντλία θερμότητας. Απόδοση αντλίας θερμότητας που λειτουργεί σύμφωνα με τον κύκλο Carnot. Σχέση μεταξύ παραγόντων απόδοσης αντλίας θερμότητας και ψυκτικού συγκροτήματος.

Εβδομάδα 3
Θερμοδυναμικός ορισμός της εντροπίας. Νόμος της αυξανόμενης εντροπίας. Εντροπία ιδανικού αερίου. Εντροπία σε αναστρέψιμες και μη αναστρέψιμες διεργασίες. Αδιαβατική διαστολή ιδανικού αερίου σε κενό. Η συνδυασμένη εξίσωση της πρώτης και της δεύτερης αρχής της θερμοδυναμικής. Τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής. Μεταβολές στην εντροπία και τη θερμοχωρητικότητα καθώς η θερμοκρασία πλησιάζει το απόλυτο μηδέν.

Εβδομάδα 4
Θερμοδυναμικές συναρτήσεις. Ιδιότητες θερμοδυναμικών συναρτήσεων. Μέγιστη και ελάχιστη εργασία. Μετασχηματισμοί θερμοδυναμικών συναρτήσεων. Οι σχέσεις του Μάξγουελ. Εξάρτηση της εσωτερικής ενέργειας από τον όγκο. Εξάρτηση της θερμοχωρητικότητας από τον όγκο. Η σχέση μεταξύ CP και CV. Θερμοφυσικές ιδιότητες στερεών. Θερμοδυναμική παραμόρφωσης στερεών. Μεταβολή θερμοκρασίας κατά την αδιαβατική τάση μιας ελαστικής ράβδου. Θερμική διαστολή ως συνέπεια αναρμονικών δονήσεων στο πλέγμα. Συντελεστής γραμμικής διαστολής της ράβδου.

Εβδομάδα 5
Συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας. Μετασχηματισμοί φάσης. Μεταβάσεις φάσεων πρώτου και δεύτερου είδους. Χημικό δυναμικό. Συνθήκη ισορροπίας φάσης. Καμπύλη ισορροπίας φάσης. Εξίσωση Clapeyron–Clausius. Διάγραμμα κατάστασης διφασικού συστήματος υγρού-ατμού. Εξάρτηση της θερμότητας της μετάπτωσης φάσης από τη θερμοκρασία. Κρίσιμο σημείο. Τριπλό σημείο. Διάγραμμα πάγου-νερού-ατμού. Επιφανειακά φαινόμενα. Θερμοδυναμική επιφάνειας. Ελεύθερη ενέργεια της επιφάνειας. Γωνίες άκρων. Διαβρεκτικό και μη βρέξιμο. Ο τύπος του Laplace. Εξάρτηση της πίεσης ατμών από την καμπυλότητα της επιφάνειας του υγρού. Βρασμός. Ο ρόλος των πυρήνων στη διαμόρφωση μιας νέας φάσης.

Εβδομάδα 6
Το αέριο Van der Waals ως μοντέλο πραγματικού αερίου. Ισόθερμες αερίων Van der Waals. Μετασταθερές καταστάσεις. Υπερθερμασμένο υγρό και υπερψυκτικός ατμός. Ο κανόνας του Maxwell και ο κανόνας της μόχλευσης. Κρίσιμες παράμετροι και μειωμένη εξίσωση κατάστασης για το αέριο van der Waals. Εσωτερική ενέργεια του αερίου van der Waals. Αδιαβατική εξίσωση αερίου Van der Waals. Εντροπία αερίου van der Waals. Ταχύτητα ήχου στα αέρια. Η ταχύτητα ροής αερίου από την τρύπα. Φαινόμενο Joule–Thomson. Αδιαβατική διαστολή, στραγγαλισμός. Λήψη χαμηλών θερμοκρασιών.

Εβδομάδα 7
Ελεγχος

Εβδομάδα 8
Δυναμικά και στατιστικά πρότυπα. Μακροσκοπικές και μικροσκοπικές συνθήκες. Χώρος φάσης. Στοιχεία θεωρίας πιθανοτήτων. Συνθήκη κανονικοποίησης. Μέσοι όροι και διακύμανση. Διωνυμικός νόμος κατανομής. Κατανομή Poisson. Gaussian κατανομή.

Εβδομάδα 9
Διανομές Maxwell. Κατανομή σωματιδίων ανά συνιστώσες ταχύτητας και απόλυτες τιμές ταχύτητας. Οι πιο πιθανές, μέσες και ριζικές μέσες τετραγωνικές ταχύτητες. Κατανομές ενέργειας Maxwell. Ο μέσος αριθμός κρούσεων των μορίων που συγκρούονται ανά μονάδα χρόνου με μια μονάδα επιφάνειας. Η μέση ενέργεια των μορίων που πετούν στο κενό μέσα από μια μικρή τρύπα σε ένα δοχείο.

Εβδομάδα 10
Κατανομή Boltzmann σε ομοιόμορφο πεδίο δύναμης. Βαρομετρικός τύπος. Μικρο- και μακροκαταστάσεις. Στατιστικό βάρος ενός μακροκράτους. Στατιστικός ορισμός της εντροπίας. Εντροπία κατά την ανάμιξη αερίων. Το παράδοξο του Γκιμπς. Έννοια της κατανομής Gibbs. Το στατιστικό άθροισμα και η χρήση του για την εύρεση της εσωτερικής ενέργειας. Στατιστική θερμοκρασία.

Εβδομάδα 11
διακυμάνσεις. Μέσες τιμές ενέργειας και διασπορά (μέση τετραγωνική διακύμανση) της ενέργειας των σωματιδίων. Διακυμάνσεις θερμοδυναμικών μεγεθών. Διακύμανση θερμοκρασίας σε σταθερό όγκο. Διακύμανση όγκου σε ισόθερμες και αδιαβατικές διεργασίες. Διακυμάνσεις προσθετικών φυσικών μεγεθών. Εξάρτηση των διακυμάνσεων από τον αριθμό των σωματιδίων που συνθέτουν το σύστημα.

Εβδομάδα 12
Θερμοχωρητικότητα. Κλασική θεωρία θερμικών ικανοτήτων. Ο νόμος της ομοιόμορφης κατανομής της ενέργειας θερμικής κίνησης στους βαθμούς ελευθερίας. Θερμοχωρητικότητα κρυστάλλων (νόμος Dulong–Petit). Στοιχεία της κβαντικής θεωρίας θερμικών ικανοτήτων. Χαρακτηριστικές θερμοκρασίες. Εξάρτηση της θερμοχωρητικότητας από τη θερμοκρασία.

Εβδομάδα 13
Συγκρούσεις. Αποτελεσματική κινητική διατομή αερίου. Ελεύθερο μήκος διαδρομής. Κατανομή μορίων με μέση ελεύθερη διαδρομή. Ο αριθμός των συγκρούσεων μεταξύ μορίων. Φαινόμενα μεταφοράς: ιξώδες, θερμική αγωγιμότητα και διάχυση. Οι νόμοι του Φικ και του Φουριέ. Συντελεστές ιξώδους, θερμικής αγωγιμότητας και διάχυσης στα αέρια.

Εβδομάδα 14
Brownian κίνηση. Κινητικότητα. Νόμος Αϊνστάιν-Σμολουτσόφσκι. Σχέση κινητικότητας σωματιδίων και συντελεστή διάχυσης. Φαινόμενα μεταφοράς σε σπάνια αέρια. Φαινόμενο Knudsen. Διάχυση. Ροή αραιωμένου αερίου μέσω ευθύγραμμου σωλήνα.

Εβδομάδα 15
Ελεγχος

Μαθησιακά αποτελέσματα

Ως αποτέλεσμα της μελέτης του κλάδου «Θερμοδυναμική», ο μαθητής πρέπει:

• Ξέρω:
  • βασικές έννοιες που χρησιμοποιούνται στη μοριακή φυσική, θερμοδυναμική.
  • την έννοια των φυσικών ποσοτήτων που χρησιμοποιούνται στη μοριακή φυσική, τη θερμοδυναμική·
  • Εξισώσεις κατάστασης ιδανικού αερίου και αερίου van der Waals.
  • Κατανομές Boltzmann και Maxwell, ο νόμος της ομοιόμορφης κατανομής ενέργειας σε βαθμούς ελευθερίας.
  • μηδέν, πρώτος, δεύτερος και τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής, ανισότητα Clausius, νόμος αυξανόμενης εντροπίας.
  • συνθήκες σταθερής θερμοδυναμικής ισορροπίας.
  • Εξίσωση Clapeyron-Clausius;
  • Ο τύπος του Laplace;
  • εξισώσεις που περιγράφουν διαδικασίες μεταφοράς (διάχυση, ιξώδες, θερμική αγωγιμότητα).
• Εχω την δυνατότητα να:
  • χρησιμοποιούν τις βασικές αρχές της μοριακής κινητικής θεωρίας των αερίων για την επίλυση προβλημάτων.
  • χρησιμοποιούν τους νόμους της μοριακής φυσικής και της θερμοδυναμικής όταν περιγράφουν τις καταστάσεις ισορροπίας των θερμικών διεργασιών και των διαδικασιών μεταφοράς·
• Τα δικά:
  • μέθοδοι υπολογισμού των παραμέτρων της κατάστασης της ύλης·
  • μέθοδοι υπολογισμού της εργασίας, της ποσότητας θερμότητας και της εσωτερικής ενέργειας.

Διαμορφωμένες ικανότητες

• ικανότητα ανάλυσης επιστημονικών προβλημάτων και φυσικών διεργασιών, χρήση στην πράξη θεμελιωδών γνώσεων που αποκτήθηκαν στον τομέα των φυσικών επιστημών (OK-1)
• ικανότητα να κατέχει νέα προβλήματα, ορολογία, μεθοδολογία και απόκτηση επιστημονικών γνώσεων, δεξιότητες αυτοδιδασκαλίας (OK-2)
• ικανότητα εφαρμογής γνώσεων που αποκτήθηκαν στον τομέα των φυσικών και μαθηματικών κλάδων στις επαγγελματικές του δραστηριότητες (PC-1)
• την ικανότητα κατανόησης της ουσίας των προβλημάτων που τίθενται κατά τη διάρκεια της επαγγελματικής δραστηριότητας και χρήσης της κατάλληλης φυσικής και μαθηματικής συσκευής για την περιγραφή και την επίλυσή τους (PC-3)
• ικανότητα χρήσης γνώσεων στον τομέα των φυσικών και μαθηματικών κλάδων για περαιτέρω γνώση των κλάδων σύμφωνα με το προφίλ εκπαίδευσης (PC-4)
• ικανότητα εφαρμογής της θεωρίας και των μεθόδων των μαθηματικών, της φυσικής και της επιστήμης των υπολογιστών για τη δημιουργία ποιοτικών και ποσοτικών μοντέλων (PK-8)

Η μοριακή φυσική και η θερμοδυναμική είναι ουσιαστικά δύο διαφορετικές προσεγγίσεις, αλλά στενά συνδεδεμένες επιστήμες που ασχολούνται με το ίδιο πράγμα - τη μελέτη των μακροσκοπικών ιδιοτήτων των φυσικών συστημάτων, αλλά με εντελώς διαφορετικές μεθόδους

Μοριακή φυσική Η μοριακή φυσική ή η μοριακή κινητική θεωρία βασίζεται σε ορισμένες ιδέες για τη δομή της ύλης. – Για να καθορίσει τους νόμους συμπεριφοράς των μακροσκοπικών συστημάτων που αποτελούνται από έναν τεράστιο αριθμό σωματιδίων, η μοριακή φυσική χρησιμοποιεί διάφορα μοντέλα ύλης, για παράδειγμα, μοντέλα ιδανικών αερίων. Η μοριακή φυσική είναι μια στατιστική θεωρία, η φυσική, δηλαδή μια θεωρία που εξετάζει τη συμπεριφορά συστημάτων που αποτελούνται από τεράστιο αριθμό σωματιδίων (άτομα, μόρια), με βάση πιθανολογικά μοντέλα. Επιδιώκει, με βάση μια στατιστική προσέγγιση, να δημιουργήσει μια σύνδεση μεταξύ πειραματικά μετρούμενων μακροσκοπικών μεγεθών (πίεση, όγκος, θερμοκρασία κ.λπ.) και τα μικροσκοπικά χαρακτηριστικά των σωματιδίων που περιλαμβάνονται στα μικροσκοπικά χαρακτηριστικά του συστήματος (μάζα, ορμή, ενέργεια , και τα λοιπά.) .

Θερμοδυναμική Σε αντίθεση με τη μοριακή-κινητική θεωρία, η θερμοδυναμική, όταν μελετά τις θερμοδυναμικές ιδιότητες των μακροσκοπικών συστημάτων, δεν βασίζεται σε καμία ιδέα για τη μοριακή δομή της ύλης. Η θερμοδυναμική είναι μια φαινομενολογική επιστήμη. – Εξάγει συμπεράσματα για τις ιδιότητες της ύλης με βάση τους νόμους που καθορίζονται από την εμπειρία, όπως ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας. Η θερμοδυναμική λειτουργεί μόνο με μακροσκοπικά μεγέθη (πίεση, θερμοκρασία, όγκος κ.λπ.), τα οποία εισάγονται βάσει φυσικού πειράματος.

Και οι δύο προσεγγίσεις - θερμοδυναμική και στατιστική - δεν έρχονται σε αντίθεση, αλλά αλληλοσυμπληρώνονται. Μόνο η συνδυασμένη χρήση της θερμοδυναμικής και της μοριακής κινητικής θεωρίας μπορεί να προσφέρει την πληρέστερη κατανόηση των ιδιοτήτων συστημάτων που αποτελούνται από μεγάλο αριθμό σωματιδίων

Μοριακή φυσική Η μοριακή κινητική θεωρία είναι η μελέτη της δομής και των ιδιοτήτων της ύλης που βασίζεται στην ιδέα της ύπαρξης ατόμων και μορίων ως τα μικρότερα σωματίδια χημικών ουσιών.

Μοριακή-κινητική θεωρία Βασικές αρχές της ΜΚΤ 1. Όλες οι ουσίες - υγρές, στερεές και αέριες - σχηματίζονται από τα μικρότερα σωματίδια - μόρια, τα οποία αποτελούνται από μόνα τους από άτομα («στοιχειώδη μόρια»). Τα μόρια μιας χημικής ουσίας μπορεί να είναι απλά ή σύνθετα, δηλαδή να αποτελούνται από ένα ή περισσότερα άτομα. Τα μόρια και τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, τα μόρια και τα άτομα μπορούν να αποκτήσουν επιπλέον ηλεκτρικό φορτίο και να γίνουν θετικά ή αρνητικά ιόντα. 2. Τα άτομα και τα μόρια βρίσκονται σε συνεχή χαοτική κίνηση, η οποία ονομάζεται θερμική κίνηση 3. Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με δυνάμεις που είναι ηλεκτρικού χαρακτήρα. Η βαρυτική αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων είναι αμελητέα.

Μοριακή-κινητική θεωρία Η πιο εντυπωσιακή πειραματική επιβεβαίωση των ιδεών της μοριακής-κινητικής θεωρίας για την τυχαία κίνηση των ατόμων και των μορίων είναι η κίνηση Brown. Η κίνηση Brown είναι η θερμική κίνηση μικροσκοπικών μικροσκοπικών σωματιδίων που αιωρούνται σε ένα υγρό ή αέριο. Ανακαλύφθηκε από τον Άγγλο βοτανολόγο R. Brown το 1827. Τα σωματίδια Brown κινούνται υπό την επίδραση τυχαίων επιπτώσεων μορίων. Λόγω της χαοτικής θερμικής κίνησης των μορίων, αυτές οι κρούσεις δεν αλληλοεξουδετερώνονται ποτέ. Ως αποτέλεσμα, η ταχύτητα του σωματιδίου Brown αλλάζει τυχαία σε μέγεθος και κατεύθυνση, και η τροχιά του είναι μια σύνθετη καμπύλη ζιγκ-ζαγκ (Εικ.). Η θεωρία της Brownian κίνησης δημιουργήθηκε από τον A. Einstein το 1905. Η θεωρία του Einstein επιβεβαιώθηκε πειραματικά στα πειράματα του Γάλλου φυσικού J. Perrin, που διεξήχθησαν το 1908-1911.

Μοριακή κινητική θεωρία Η συνεχής χαοτική κίνηση των μορίων μιας ουσίας εκδηλώνεται και σε ένα άλλο εύκολα παρατηρήσιμο φαινόμενο - τη διάχυση. Διάχυση είναι το φαινόμενο της διείσδυσης δύο ή περισσότερων ουσιών που έρχονται σε επαφή μεταξύ τους. – Η διαδικασία προχωρά πιο γρήγορα στο αέριο εάν είναι ετερογενής σε σύσταση. Η διάχυση έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός ομοιογενούς μείγματος ανεξάρτητα από την πυκνότητα των συστατικών. Έτσι, εάν σε δύο μέρη του δοχείου, που χωρίζονται από ένα χώρισμα, υπάρχει οξυγόνο O 2 και υδρογόνο H 2, τότε μετά την αφαίρεση του χωρίσματος, αρχίζει η διαδικασία αλληλοδιείσδυσης των αερίων του άλλου, που οδηγεί στον σχηματισμό ενός εκρηκτικού μείγματος - εκρηκτικό αέριο. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει επίσης όταν ένα ελαφρύ αέριο (υδρογόνο) βρίσκεται στο πάνω μισό του δοχείου και ένα βαρύτερο αέριο (οξυγόνο) βρίσκεται στο κάτω μισό.

Μοριακή κινητική θεωρία - Παρόμοιες διεργασίες συμβαίνουν πολύ πιο αργά στα υγρά. Η αλληλοδιείσδυση δύο υγρών ανόμοιων υγρών μεταξύ τους, η διάλυση στερεών σε υγρά (για παράδειγμα, ζάχαρη σε νερό) και ο σχηματισμός ομοιογενών διαλυμάτων είναι παραδείγματα διεργασιών διάχυσης σε υγρά. Σε πραγματικές συνθήκες, η διάχυση σε υγρά και αέρια καλύπτεται από ταχύτερες διαδικασίες ανάμειξης, για παράδειγμα, λόγω της εμφάνισης ρευμάτων μεταφοράς.

Μοριακή κινητική θεωρία - Η διαδικασία της διάχυσης συμβαίνει πιο αργά στα στερεά. Ωστόσο, τα πειράματα δείχνουν ότι όταν στερεά σώματα έρχονται σε επαφή με καλά καθαρισμένες επιφάνειες δύο μετάλλων, άτομα του άλλου μετάλλου βρίσκονται σε καθένα από αυτά μετά από πολύ καιρό. Διάχυση και κίνηση Brown - Η διάχυση και η κίνηση Brown είναι σχετικά φαινόμενα. Η αλληλοδιείσδυση των ουσιών που έρχονται σε επαφή και η τυχαία κίνηση των μικροσκοπικών σωματιδίων που αιωρούνται σε ένα υγρό ή αέριο συμβαίνουν λόγω της χαοτικής θερμικής κίνησης των μορίων.

Μοριακή κινητική θεωρία Οι δυνάμεις που δρουν μεταξύ δύο μορίων Οι δυνάμεις που δρουν μεταξύ δύο μορίων εξαρτώνται από την απόσταση μεταξύ τους. Τα μόρια είναι πολύπλοκες χωρικές δομές που περιέχουν τόσο θετικά όσο και αρνητικά φορτία. Εάν η απόσταση μεταξύ των μορίων είναι αρκετά μεγάλη, τότε κυριαρχούν οι δυνάμεις της διαμοριακής έλξης. Σε μικρές αποστάσεις κυριαρχούν οι απωθητικές δυνάμεις.

Θεωρία μοριακής κινητικής Σε μια ορισμένη απόσταση r = r 0 η δύναμη αλληλεπίδρασης γίνεται μηδέν. Αυτή η απόσταση μπορεί να ληφθεί συμβατικά ως η διάμετρος του μορίου. Η δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης στο r = r 0 είναι ελάχιστη. Για να αφαιρέσετε δύο μόρια που βρίσκονται σε απόσταση r 0 το ένα από το άλλο, πρέπει να τους προσδώσετε πρόσθετη ενέργεια E 0. Η τιμή του E 0 ονομάζεται το βάθος του δυναμικού φρεατίου ή η ενέργεια δέσμευσης. Τα μόρια είναι εξαιρετικά μικρά σε μέγεθος. Τα απλά μονοατομικά μόρια έχουν μέγεθος της τάξης των 10–10 m. Τα σύνθετα πολυατομικά μόρια μπορούν να έχουν μεγέθη εκατοντάδες και χιλιάδες φορές μεγαλύτερα.

Μοριακή κινητική θεωρία Η κινητική ενέργεια της θερμικής κίνησης αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας Σε χαμηλές θερμοκρασίες, η μέση κινητική ενέργεια ενός μορίου μπορεί να είναι μικρότερη από το βάθος του φρεατίου δυναμικού E 0. Σε αυτή την περίπτωση, τα μόρια συμπυκνώνονται σε υγρό ή στερεό ; σε αυτήν την περίπτωση, η μέση απόσταση μεταξύ των μορίων θα είναι περίπου ίση με r 0. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η μέση κινητική ενέργεια του μορίου γίνεται μεγαλύτερη από E 0, τα μόρια απομακρύνονται και σχηματίζεται μια αέρια ουσία

Μοριακή κινητική θεωρία Συνολικές καταστάσεις της ύλης Στα στερεά, τα μόρια εκτελούν τυχαίες δονήσεις γύρω από σταθερά κέντρα (θέσεις ισορροπίας). Αυτά τα κέντρα μπορούν να βρίσκονται στο χώρο με ακανόνιστο τρόπο (άμορφα σώματα) ή να σχηματίζουν διατεταγμένες ογκομετρικές δομές (κρυσταλλικά σώματα). Επομένως, τα στερεά διατηρούν τόσο το σχήμα όσο και τον όγκο

Μοριακή κινητική θεωρία Συνολικές καταστάσεις της ύλης Στα υγρά, τα μόρια έχουν πολύ μεγαλύτερη ελευθερία για θερμική κίνηση. Δεν συνδέονται με συγκεκριμένα κέντρα και μπορούν να κινηθούν σε όλο τον όγκο. Αυτό εξηγεί τη ρευστότητα των υγρών. Τα στενά τοποθετημένα υγρά μόρια μπορούν επίσης να σχηματίσουν διατεταγμένες δομές που περιέχουν πολλά μόρια. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται τάξη μικρής εμβέλειας, σε αντίθεση με την τάξη μεγάλης εμβέλειας που χαρακτηρίζει τα κρυσταλλικά σώματα. Επομένως, τα υγρά δεν διατηρούν το σχήμα τους, αλλά διατηρούν τον όγκο τους

Μοριακή κινητική θεωρία Συνολικές καταστάσεις της ύλης Στα αέρια, οι αποστάσεις μεταξύ των μορίων είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερες από τα μεγέθη τους. Οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ μορίων σε τόσο μεγάλες αποστάσεις είναι μικρές και κάθε μόριο κινείται κατά μήκος μιας ευθείας γραμμής μέχρι την επόμενη σύγκρουση με άλλο μόριο ή με το τοίχωμα του δοχείου. – Η μέση απόσταση μεταξύ των μορίων του αέρα υπό κανονικές συνθήκες είναι περίπου 10–8 m, δηλαδή δεκάδες φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος των μορίων. Η ασθενής αλληλεπίδραση μεταξύ των μορίων εξηγεί την ικανότητα των αερίων να διαστέλλονται και να γεμίζουν ολόκληρο τον όγκο του δοχείου. Στο όριο, όταν η αλληλεπίδραση τείνει στο μηδέν, φτάνουμε στην ιδέα ενός ιδανικού αερίου. Επομένως, τα αέρια δεν διατηρούν ούτε σχήμα ούτε όγκο

Μοριακή-κινητική θεωρία Ποσότητα ουσίας Στη μοριακή-κινητική θεωρία, η ποσότητα της ουσίας θεωρείται ανάλογη με τον αριθμό των ουσιών των σωματιδίων. Η μονάδα ποσότητας μιας ουσίας ονομάζεται mole (mole). Ένα mole είναι η ποσότητα μιας ουσίας που περιέχει τον ίδιο αριθμό σωματιδίων (μόρια) με άτομα 0,012 kg άνθρακα 12 C. (Ένα μόριο άνθρακα αποτελείται από ένα άτομο) Έτσι, ένα μόριο οποιασδήποτε ουσίας περιέχει τον ίδιο αριθμό σωματίδια (μόρια ). Αυτός ο αριθμός ονομάζεται σταθερά του Avogadro NA: NA = 6,02·1023 mol–1. Η σταθερά του Avogadro είναι μια από τις πιο σημαντικές σταθερές στη μοριακή κινητική θεωρία.

Μοριακή κινητική θεωρία Η ποσότητα μιας ουσίας ν ορίζεται ως η αναλογία του αριθμού N των σωματιδίων (μορίων) μιας ουσίας προς τη σταθερά NA του Avogadro: Η μάζα ενός mol μιας ουσίας συνήθως ονομάζεται μοριακή μάζα M. Η μοριακή μάζα ισούται με το γινόμενο της μάζας m 0 ενός μορίου μιας δεδομένης ουσίας με τη σταθερά του Avogadro: M = NA · m 0 Η μοριακή μάζα εκφράζεται σε χιλιόγραμμα ανά mole (kg/mol). Για ουσίες των οποίων τα μόρια αποτελούνται από ένα μόνο άτομο, χρησιμοποιείται συχνά ο όρος ατομική μάζα. Η μονάδα μάζας των ατόμων και των μορίων λαμβάνεται ως το 1/12 της μάζας ενός ατόμου του ισοτόπου άνθρακα 12 C (με αριθμό μάζας 12). Αυτή η μονάδα ονομάζεται μονάδα ατομικής μάζας (a.m.u.): 1 π.μ. π.μ. = 1,66·10–27 kg. Αυτή η τιμή σχεδόν συμπίπτει με τη μάζα ενός πρωτονίου ή νετρονίου. Ο λόγος της μάζας ενός ατόμου ή μορίου μιας δεδομένης ουσίας προς το 1/12 της μάζας ενός ατόμου άνθρακα 12 C ονομάζεται σχετική μάζα.

Θεωρία μοριακής κινητικής Το απλούστερο μοντέλο που εξετάζεται από τη θεωρία της μοριακής κινητικής είναι το μοντέλο ιδανικού αερίου: 1. Στο κινητικό μοντέλο ενός ιδανικού αερίου, τα μόρια 1. θεωρούνται ως ιδανικά ελαστικές σφαίρες, που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και με τα τοιχώματα μόνο κατά τη διάρκεια της ελαστικότητας συγκρούσεις. 2. Ο συνολικός όγκος όλων των μορίων θεωρείται μικρός 2. σε σύγκριση με τον όγκο του δοχείου στο οποίο βρίσκεται το αέριο. Το μοντέλο ιδανικού αερίου περιγράφει τη συμπεριφορά των πραγματικών αερίων αρκετά καλά σε ένα ευρύ φάσμα πιέσεων και θερμοκρασιών. Το καθήκον της μοριακής κινητικής θεωρίας είναι να δημιουργήσει μια σύνδεση μεταξύ μικροσκοπικών (μάζα, μικροσκοπική ταχύτητα, κινητική ενέργεια μορίων) και μακροσκοπικών παραμέτρων (πίεση, όγκος, μακροσκοπικές παραμέτρους θερμοκρασία).

Μοριακή-κινητική θεωρία Ως αποτέλεσμα κάθε σύγκρουσης μεταξύ μορίων και μορίων με τοιχώματα, οι ταχύτητες των μορίων μπορούν να αλλάξουν σε μέγεθος και κατεύθυνση. Κατά τη διάρκεια των χρονικών διαστημάτων μεταξύ των διαδοχικών συγκρούσεων, τα μόρια κινούνται ομοιόμορφα και ευθύγραμμα. Στο μοντέλο του ιδανικού αερίου, υποτίθεται ότι όλες οι συγκρούσεις συμβαίνουν σύμφωνα με τους νόμους της ελαστικής κρούσης, δηλαδή υπακούουν στους νόμους της Νευτώνειας μηχανικής. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο ιδανικού αερίου, υπολογίζουμε την πίεση αερίου στο τοίχωμα του δοχείου. Κατά την αλληλεπίδραση ενός μορίου με το τοίχωμα ενός αγγείου, προκύπτουν μεταξύ τους δυνάμεις που υπακούουν στον τρίτο νόμο του Νεύτωνα. Ως αποτέλεσμα, η προβολή υx της ταχύτητας του μορίου, κάθετα στο τοίχωμα, αλλάζει πρόσημο στο αντίθετο, και η προβολή υy της ταχύτητας, παράλληλα με το τοίχωμα, παραμένει αμετάβλητη (Εικ.).

Μοριακή-κινητική θεωρία Ο τύπος για τη μέση πίεση αερίου στο τοίχωμα ενός δοχείου θα γραφεί με τη μορφή Αυτή η εξίσωση καθορίζει τη σχέση μεταξύ της πίεσης p ενός ιδανικού αερίου, της μάζας ενός μορίου m 0, της συγκέντρωσης των μορίων n , τη μέση τιμή του τετραγώνου της ταχύτητας και της μέσης κινητικής ενέργειας της μεταφορικής κίνησης των μορίων. Αυτή είναι η βασική εξίσωση της μοριακής κινητικής θεωρίας των αερίων.Έτσι, η πίεση του αερίου είναι ίση με τα δύο τρίτα της μέσης κινητικής ενέργειας της μεταφορικής κίνησης των μορίων που περιέχονται σε μια μονάδα όγκου.

Μοριακή-κινητική θεωρία Η βασική εξίσωση του ΜΚΤ αερίων περιλαμβάνει το γινόμενο της συγκέντρωσης των μορίων n από τη μέση κινητική ενέργεια της μεταφορικής κίνησης. Σε αυτή την περίπτωση, η πίεση είναι ανάλογη της μέσης κινητικής ενέργειας. Προκύπτουν ερωτήματα: πώς μπορεί κανείς να αλλάξει πειραματικά τη μέση κινητική ενέργεια κίνησης των μορίων σε ένα δοχείο σταθερού όγκου; Ποιο φυσικό μέγεθος πρέπει να αλλάξει για να αλλάξει η μέση κινητική ενέργεια; Η εμπειρία δείχνει ότι μια τέτοια ποσότητα είναι η θερμοκρασία.

Θεωρία μοριακής κινητικής Θερμοκρασία Η έννοια της θερμοκρασίας συνδέεται στενά με την έννοια της θερμικής ισορροπίας. Τα σώματα που έρχονται σε επαφή μεταξύ τους μπορούν να ανταλλάξουν ενέργεια. Η ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα στο άλλο κατά τη θερμική επαφή ονομάζεται ποσότητα θερμότητας Q. Θερμική ισορροπία είναι μια κατάσταση ενός συστήματος σωμάτων σε θερμική επαφή στο οποίο δεν υπάρχει μεταφορά θερμότητας από το ένα σώμα στο άλλο και όλες οι μακροσκοπικές παράμετροι του τα σώματα παραμένουν αναλλοίωτα. Η θερμοκρασία είναι μια φυσική παράμετρος που είναι ίδια για όλα τα σώματα σε θερμική ισορροπία. Η δυνατότητα εισαγωγής της έννοιας της θερμοκρασίας προκύπτει από την εμπειρία και ονομάζεται μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής.

Μοριακή-κινητική θεωρία Θερμοκρασία Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται φυσικά όργανα - θερμόμετρα, στα οποία η τιμή της θερμοκρασίας κρίνεται από μια αλλαγή σε οποιαδήποτε φυσική παράμετρο. Για να δημιουργήσετε ένα θερμόμετρο, πρέπει να επιλέξετε μια θερμομετρική ουσία (για παράδειγμα, υδράργυρος, αλκοόλη) και μια θερμομετρική ποσότητα που χαρακτηρίζει την ιδιότητα της ουσίας (για παράδειγμα, το μήκος μιας στήλης υδραργύρου ή αλκοόλης). Διάφορα σχέδια θερμομέτρων χρησιμοποιούν διάφορες φυσικές ιδιότητες μιας ουσίας (για παράδειγμα, μια αλλαγή στις γραμμικές διαστάσεις των στερεών ή μια αλλαγή στην ηλεκτρική αντίσταση των αγωγών όταν θερμαίνονται). Τα θερμόμετρα πρέπει να είναι βαθμονομημένα.

Μοριακή-κινητική θεωρία Ιδιαίτερη θέση στη φυσική καταλαμβάνουν τα θερμόμετρα αερίων (Εικ.), στα οποία η θερμομετρική ουσία είναι ένα σπάνιο αέριο (ήλιο, αέρας) σε δοχείο σταθερού όγκου (V = const) και η θερμομετρική ποσότητα είναι η πίεση του αερίου p. Η εμπειρία δείχνει ότι η πίεση του αερίου (σε V = const) αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, μετρούμενη στην κλίμακα Κελσίου.

Θεωρία μοριακής κινητικής Για να βαθμονομήσετε ένα θερμόμετρο αερίου σταθερού όγκου, μπορείτε να μετρήσετε την πίεση σε δύο θερμοκρασίες (για παράδειγμα, 0 °C και 100 °C), να σχεδιάσετε τα σημεία p 0 και p 100 στο γράφημα και στη συνέχεια να σχεδιάσετε μια ευθεία γραμμή μεταξύ τους (Εικ. ). Χρησιμοποιώντας την καμπύλη βαθμονόμησης που λαμβάνεται με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να προσδιοριστούν θερμοκρασίες που αντιστοιχούν σε άλλες τιμές πίεσης. Με την παρέκταση του γραφήματος στην περιοχή των χαμηλών πιέσεων, είναι δυνατό να προσδιοριστεί μια ορισμένη «υποθετική» θερμοκρασία στην οποία η πίεση του αερίου θα γίνει μηδέν. Η εμπειρία δείχνει ότι αυτή η θερμοκρασία είναι – 273,15 °C και δεν εξαρτάται από τις ιδιότητες του αερίου. Πειραματικά, είναι αδύνατο να ληφθεί αέριο σε κατάσταση μηδενικής πίεσης με ψύξη, αφού σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες όλα τα αέρια μετατρέπονται σε υγρή ή στερεή κατάσταση.

Μοριακή-κινητική θεωρία Ο Άγγλος φυσικός W. Kelvin (Thomson) το 1848 πρότεινε τη χρήση του σημείου μηδενικής πίεσης αερίου για την κατασκευή μιας νέας κλίμακας θερμοκρασίας (κλίμακα Kelvin). Σε αυτήν την κλίμακα, η μονάδα μέτρησης της θερμοκρασίας είναι η ίδια με την κλίμακα Κελσίου, αλλά το σημείο μηδέν μετατοπίζεται: TK = TC + 273,15 Στο σύστημα SI, συνηθίζεται να καλείται η μονάδα θερμοκρασίας στην κλίμακα Kelvin Kelvin και συμβολίζεται με το γράμμα K. Για παράδειγμα, η θερμοκρασία δωματίου TC = 20 °C στην κλίμακα Kelvin είναι ίση με TK = 293,15 K.

Θεωρία μοριακής κινητικής Η κλίμακα θερμοκρασίας Kelvin ονομάζεται κλίμακα απόλυτης θερμοκρασίας. Αποδεικνύεται ότι είναι η πιο βολική κλίμακα θερμοκρασίας για την κατασκευή φυσικών θεωριών. Δεν χρειάζεται να συνδέσουμε την κλίμακα Kelvin σε δύο σταθερά σημεία - το σημείο τήξης του πάγου και το σημείο βρασμού του νερού σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση, όπως συνηθίζεται στην κλίμακα Κελσίου. Εκτός από το σημείο μηδενικής πίεσης αερίου, που ονομάζεται θερμοκρασία απόλυτου μηδέν, αρκεί να ληφθεί ένα άλλο σταθερό σημείο αναφοράς ως θερμοκρασία απόλυτου μηδέν. Στην κλίμακα Kelvin, η θερμοκρασία του τριπλού σημείου του νερού (0,01 °C) χρησιμοποιείται ως τέτοιο σημείο, στο οποίο και οι τρεις φάσεις - πάγος, νερό και ατμός - βρίσκονται σε θερμική ισορροπία. Στην κλίμακα Kelvin, η θερμοκρασία του τριπλού σημείου θεωρείται ότι είναι 273,16 Κ.

Μοριακή-κινητική θεωρία Έτσι, η πίεση ενός εξευγενισμένου αερίου σε ένα δοχείο σταθερού όγκου V αλλάζει σε ευθεία αναλογία με την απόλυτη θερμοκρασία του: p ~ T. T Από την άλλη πλευρά, η εμπειρία δείχνει ότι με σταθερό όγκο V και θερμοκρασία T, το Η πίεση του αερίου αλλάζει σε ευθεία αναλογία με την αναλογία της ποσότητας της ουσίας ν σε ένα δεδομένο δοχείο προς τον όγκο V του δοχείου όπου N είναι ο αριθμός των μορίων στο δοχείο, NA είναι η σταθερά του Avogadro, n = N / V είναι η συγκέντρωση των μορίων (δηλαδή, ο αριθμός των μορίων ανά μονάδα όγκου του δοχείου).

Μοριακή κινητική θεωρία Συνδυάζοντας αυτές τις σχέσεις αναλογικότητας, μπορούμε να γράψουμε: p = nk. T, όπου k είναι κάποια σταθερή τιμή καθολική για όλα τα αέρια. Ονομάζεται σταθερά Boltzmann, προς τιμήν του Αυστριακού φυσικού L. Boltzmann, ενός από τους δημιουργούς του MKT. Η σταθερά του Boltzmann είναι μια από τις θεμελιώδεις φυσικές σταθερές. Η αριθμητική του τιμή σε SI: k = 1,38·10–23 J/K.

Μοριακή κινητική θεωρία Συγκρίνοντας τις αναλογίες p = nk. T με τη βασική εξίσωση του MKT των αερίων, μπορεί κανείς να λάβει: Η μέση κινητική ενέργεια της χαοτικής κίνησης των μορίων αερίου είναι ευθέως ανάλογη της απόλυτης θερμοκρασίας. Έτσι, η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας της μεταφορικής κίνησης των μορίων. Πρέπει να σημειωθεί ότι η μέση κινητική ενέργεια της μεταφορικής κίνησης ενός μορίου δεν εξαρτάται από τη μάζα του. Ένα σωματίδιο Brown αιωρούμενο σε υγρό ή αέριο έχει την ίδια μέση κινητική ενέργεια με ένα μεμονωμένο μόριο, η μάζα του οποίου είναι πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερη από τη μάζα του σωματιδίου Brown.

Μοριακή-κινητική θεωρία Αυτό το συμπέρασμα ισχύει και για την περίπτωση που το δοχείο περιέχει ένα μείγμα χημικά μη αλληλεπιδρώντων αερίων, τα μόρια των οποίων έχουν διαφορετικές μάζες. Σε κατάσταση ισορροπίας, τα μόρια διαφορετικών αερίων θα έχουν τις ίδιες μέσες κινητικές ενέργειες θερμικής κίνησης, που καθορίζονται μόνο από τη θερμοκρασία του μείγματος. Η πίεση του μείγματος αερίων στα τοιχώματα του δοχείου θα είναι το άθροισμα των μερικών πιέσεων κάθε αερίου: p = p 1 + p 2 + p 3 + ... = (n 1 + n 2 + n 3 + . ..)κ. T Σε αυτή την αναλογία, n 1, n 2, n 3, ... είναι οι συγκεντρώσεις των μορίων των διαφόρων αερίων στο μείγμα. Αυτή η σχέση εκφράζει τον νόμο του Dalton που θεσπίστηκε πειραματικά στις αρχές του 19ου αιώνα στη γλώσσα της μοριακής θεωρίας της κινητικής: η πίεση σε ένα μείγμα του νόμου του Dalton για τα χημικά μη αλληλεπιδρώντα αέρια είναι ίση με το άθροισμα των μερικών πιέσεών τους.

Μοριακή κινητική θεωρία Εξίσωση κατάστασης ιδανικού αερίου Σχέση p = nk. Το T μπορεί να γραφτεί με άλλη μορφή που καθορίζει μια σχέση μεταξύ των μακροσκοπικών παραμέτρων ενός αερίου - όγκος V, πίεση p, θερμοκρασία T και η ποσότητα της ουσίας ν = m / M. M –– Αυτή η σχέση ονομάζεται εξίσωση κατάστασης ιδανικό αέριο ή η εξίσωση Clapeyron–Mendeleev της κατάστασης ενός ιδανικού αερίου – Το γινόμενο της σταθεράς NA του Avogadro και της σταθεράς k του Boltzmann ονομάζεται καθολική σταθερά αερίου και συμβολίζεται με το γράμμα R. Η αριθμητική του τιμή στο SI είναι: R = k ∙NA = 8,31 J/mol K.

Μοριακή κινητική θεωρία Εξίσωση κατάστασης ιδανικού αερίου - Εάν η θερμοκρασία του αερίου είναι Tn = 273,15 K (0 °C), και η πίεση pn = 1 atm = 1,013·105 Pa, τότε το αέριο λέγεται ότι βρίσκεται υπό κανονικές συνθήκες. Όπως προκύπτει από την εξίσωση της κατάστασης ενός ιδανικού αερίου, ένα mole οποιουδήποτε αερίου υπό κανονικές συνθήκες καταλαμβάνει τον ίδιο όγκο V0 = 0,0224 m3/mol = 22,4 dm3/mol. Αυτή η δήλωση ονομάζεται νόμος του Avogadro.

Μοριακή κινητική θεωρία Ισοδιεργασίες Ένα αέριο μπορεί να συμμετέχει σε διάφορες θερμικές διεργασίες, κατά τις οποίες όλες οι παράμετροι που περιγράφουν την κατάστασή του (p, V και T) μπορούν να αλλάξουν. Εάν η διαδικασία προχωρήσει αρκετά αργά, τότε ανά πάσα στιγμή το σύστημα βρίσκεται κοντά στην κατάσταση ισορροπίας του. Τέτοιες διαδικασίες ονομάζονται οιονεί στατικές. Στη γνωστή για εμάς σχεδόν στατική χρονική κλίμακα, αυτές οι διαδικασίες μπορεί να μην προχωρήσουν πολύ αργά. Για παράδειγμα, η αραίωση και η συμπίεση αερίου σε ένα ηχητικό κύμα, που συμβαίνει εκατοντάδες φορές το δευτερόλεπτο, μπορεί να θεωρηθεί ως μια οιονεί στατική διαδικασία. Οι οιονεί στατικές διεργασίες μπορούν να απεικονιστούν σε ένα διάγραμμα κατάστασης (για παράδειγμα, σε συντεταγμένες p, V) με τη μορφή τροχιάς, κάθε σημείο της οποίας αντιπροσωπεύει μια κατάσταση ισορροπίας. Ενδιαφέρον παρουσιάζουν διεργασίες στις οποίες μία από τις παραμέτρους (p, V ή T) παραμένει αμετάβλητη. Τέτοιες διαδικασίες ονομάζονται ισοδιεργασίες

Ισόθερμη διεργασία (T = const) Μια ισοθερμική διεργασία είναι μια οιονεί στατική διεργασία που συμβαίνει σε σταθερή θερμοκρασία Τ. Από την εξίσωση κατάστασης ενός ιδανικού αερίου προκύπτει ότι σε σταθερή θερμοκρασία T και T μια σταθερή ποσότητα ουσίας ν στο δοχείο, το γινόμενο της πίεσης p του αερίου και του p όγκου V πρέπει να παραμείνει σταθερό: p. V = καταστ

Ισόθερμη διεργασία (T = const) Στο επίπεδο (p, V), οι ισόθερμες διεργασίες απεικονίζονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες T από μια οικογένεια υπερβολών p ~ 1 / V, οι οποίες ονομάζονται ισόθερμες. Η εξίσωση της ισοθερμικής διεργασίας λήφθηκε από πείραμα από τον Άγγλο φυσικό R. Boyle (1662) και ανεξάρτητα από τον Γάλλο φυσικό E. Mariotte (1676) Επομένως, η εξίσωση ονομάζεται νόμος Boyle–Mariotte. T 3 > T 2 > T 1

Ισοχωρική διεργασία (V = const) Ισοχωρική διεργασία είναι μια διαδικασία οιονεί στατικής θέρμανσης ή ψύξης ενός αερίου σε σταθερό όγκο V και υπό την προϋπόθεση ότι η ποσότητα της ουσίας ν στο δοχείο παραμένει αμετάβλητη. Όπως προκύπτει από την εξίσωση της κατάστασης ενός ιδανικού αερίου, υπό αυτές τις συνθήκες η πίεση του αερίου p μεταβάλλεται σε ευθεία αναλογία με την απόλυτη θερμοκρασία του: p ~ T ή = const

Ισοχωρική διεργασία (V = const) Στο επίπεδο (p, T), οι ισοχωρικές διεργασίες για μια δεδομένη ποσότητα ουσίας ν σε διαφορετικές τιμές όγκου V απεικονίζονται από μια οικογένεια ευθειών γραμμών που ονομάζονται ισόχωρες. Οι μεγαλύτερες τιμές όγκου αντιστοιχούν σε ισόχωρες με μικρότερη κλίση σε σχέση με τον άξονα θερμοκρασίας (Εικ.). Η εξάρτηση της πίεσης του αερίου από τη θερμοκρασία μελετήθηκε πειραματικά από τον Γάλλο φυσικό J. Charles (1787). Επομένως, η εξίσωση μιας ισοχωρικής διαδικασίας ονομάζεται νόμος του Καρόλου. V 3 > V 2 > V 1

Ισοβαρική διεργασία (p = const) Μια ισοβαρική διεργασία είναι μια οιονεί στατική διεργασία που συμβαίνει σε σταθερή πίεση p. Η εξίσωση της ισοβαρικής διεργασίας για μια ορισμένη σταθερή ποσότητα ουσίας ν έχει τη μορφή: όπου V 0 είναι ο όγκος του αερίου σε θερμοκρασία 0 °C. Ο συντελεστής α είναι ίσος με (1/273, 15) K– 1. Το α του ονομάζεται συντελεστής θερμοκρασίας ογκομετρικής διαστολής αερίων.

Ισοβαρική διεργασία (p = const) Στο επίπεδο (V, T), οι ισοβαρείς διεργασίες σε διαφορετικές τιμές πίεσης p απεικονίζονται από μια οικογένεια ευθειών γραμμών (Εικ.), οι οποίες ονομάζονται ισοβαρείς. Η εξάρτηση του όγκου του αερίου από τη θερμοκρασία σε σταθερή πίεση μελετήθηκε πειραματικά από τον Γάλλο φυσικό J. Gay-Lussac (1862). Επομένως, η εξίσωση της ισοβαρικής διαδικασίας ονομάζεται νόμος του Gay-Lussac. p 3 > p 2 > p 1

Ισοδιεργασίες Οι πειραματικά καθιερωμένοι νόμοι των Boyle-Mariotte, Charles και Gay-Lussac βρίσκουν μια εξήγηση στη μοριακή κινητική θεωρία των αερίων. Είναι συνέπεια της εξίσωσης κατάστασης του ιδανικού αερίου.

Θερμοδυναμική Η Θερμοδυναμική είναι η επιστήμη των θερμικών φαινομένων. Σε αντίθεση με τη μοριακή κινητική θεωρία, η οποία εξάγει συμπεράσματα με βάση ιδέες για τη μοριακή δομή της ύλης, η θερμοδυναμική βασίζεται στους πιο γενικούς νόμους των θερμικών διεργασιών και στις ιδιότητες των μακροσκοπικών συστημάτων. Τα συμπεράσματα της θερμοδυναμικής βασίζονται σε ένα σύνολο πειραματικών γεγονότων και δεν εξαρτώνται από τις γνώσεις μας για την εσωτερική δομή της ύλης, αν και σε ορισμένες περιπτώσεις η θερμοδυναμική χρησιμοποιεί μοριακά κινητικά μοντέλα για να επεξηγήσει τα συμπεράσματά της.

Θερμοδυναμική Η Θερμοδυναμική θεωρεί μεμονωμένα συστήματα σωμάτων σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. Αυτό σημαίνει ότι σε τέτοια συστήματα έχουν σταματήσει όλες οι παρατηρήσιμες μακροσκοπικές διεργασίες.

Θερμοδυναμική Εάν ένα θερμοδυναμικό σύστημα έχει υποβληθεί σε εξωτερικές επιρροές, θα μετακινηθεί τελικά σε μια άλλη κατάσταση ισορροπίας. Αυτή η μετάβαση ονομάζεται θερμοδυναμική διαδικασία. Εάν η διαδικασία προχωρήσει αρκετά αργά (στο όριο απείρως αργά), τότε το σύστημα σε κάθε χρονική στιγμή αποδεικνύεται ότι είναι κοντά σε μια κατάσταση ισορροπίας. Οι διαδικασίες που αποτελούνται από μια ακολουθία καταστάσεων ισορροπίας ονομάζονται οιονεί στατικές.

Θερμοδυναμική. Εσωτερική ενέργεια Μία από τις πιο σημαντικές έννοιες της θερμοδυναμικής είναι η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος. Όλα τα μακροσκοπικά σώματα έχουν ενέργεια που περιέχεται στα ίδια τα σώματα. Από την άποψη του MCT, η εσωτερική ενέργεια μιας ουσίας αποτελείται από την κινητική ενέργεια όλων των ατόμων και μορίων και τη δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους μεταξύ τους. Συγκεκριμένα, η εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου είναι ίση με το άθροισμα των κινητικών ενεργειών όλων των σωματιδίων αερίου σε συνεχή και τυχαία θερμική κίνηση. Αυτό συνεπάγεται τον νόμο του Joule, που επιβεβαιώνεται από πολλά πειράματα: Η εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία του και δεν εξαρτάται από τον όγκο

Θερμοδυναμική. Η εσωτερική ενέργεια του ΜΚΤ οδηγεί στην ακόλουθη έκφραση για την εσωτερική ενέργεια ενός μορίου ιδανικού μονοατομικού αερίου (ήλιο, νέον κ.λπ.), τα μόρια του οποίου εκτελούν μόνο μεταφορική κίνηση: Επειδή η δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης των μορίων εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ τους, στη γενική περίπτωση η εσωτερική ενέργεια U του σώματος εξαρτάται μαζί με τη θερμοκρασία T επίσης από τον όγκο V: T U = U (T, V) Έτσι, η εσωτερική ενέργεια U του σώματος προσδιορίζεται μοναδικά από μακροσκοπικές παράμετροι που χαρακτηρίζουν την κατάσταση του σώματος. Δεν εξαρτάται από το πώς υλοποιήθηκε αυτή η κατάσταση. Συνήθως λέγεται ότι η εσωτερική ενέργεια είναι συνάρτηση της κατάστασης.

Θερμοδυναμική. Τρόποι αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος μπορεί να αλλάξει εάν λειτουργούν εξωτερικές δυνάμεις που δρουν σε αυτό (θετικές ή αρνητικές). εργασία Για παράδειγμα, εάν ένα αέριο συμπιέζεται σε έναν κύλινδρο κάτω από ένα έμβολο, τότε οι εξωτερικές δυνάμεις επιφέρουν θετικό έργο Α στο αέριο. Ταυτόχρονα, οι δυνάμεις πίεσης Α" που ενεργούν από το αέριο στο έμβολο λειτουργούν Α = – – ΕΝΑ"

Θερμοδυναμική. Μέθοδοι αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος μπορεί να αλλάξει όχι μόνο ως αποτέλεσμα της εργασίας που εκτελείται, αλλά και ως αποτέλεσμα της ανταλλαγής θερμότητας. Όταν τα σώματα έρχονται σε θερμική επαφή, η εσωτερική ενέργεια ενός από αυτά μπορεί να αυξηθεί και του άλλου να μειωθεί. Σε αυτή την περίπτωση, μιλάμε για ροή θερμότητας από το ένα σώμα στο άλλο. Η ποσότητα θερμότητας Q που δέχεται το σώμα. Η ποσότητα θερμότητας Q είναι η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του σώματος ως αποτέλεσμα της ανταλλαγής θερμότητας.

Θερμοδυναμική. Μέθοδοι αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας Η μεταφορά ενέργειας από το ένα σώμα στο άλλο με τη μορφή θερμότητας μπορεί να συμβεί μόνο εάν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ τους. Η ροή θερμότητας κατευθύνεται πάντα από ένα θερμό σώμα σε ένα ψυχρό.Η ποσότητα θερμότητας Q είναι ένα ενεργειακό μέγεθος. Στο SI, η ποσότητα της θερμότητας μετράται σε μονάδες μηχανικού έργου - τζάουλ (J).

Θερμοδυναμική. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής στο Σχ. Οι ροές ενέργειας μεταξύ του επιλεγμένου θερμοδυναμικού συστήματος και των γύρω σωμάτων απεικονίζονται συμβατικά. Η τιμή Q > 0, εάν η θερμική ροή Q > 0 κατευθύνεται προς το θερμοδυναμικό σύστημα. Η τιμή A > 0 εάν το σύστημα εκτελεί θετική εργασία A > 0 στα γύρω σώματα. Εάν το σύστημα ανταλλάσσει θερμότητα με τα γύρω σώματα και λειτουργεί (θετικό ή αρνητικό), τότε αλλάζει η κατάσταση του συστήματος, αλλάζει η κατάσταση του συστήματος, δηλαδή αλλάζουν οι μακροσκοπικές του παράμετροι (θερμοκρασία, πίεση, όγκος).

Θερμοδυναμική. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής Δεδομένου ότι η εσωτερική ενέργεια U καθορίζεται μοναδικά από μακροσκοπικές παραμέτρους που χαρακτηρίζουν την κατάσταση του συστήματος, προκύπτει ότι οι διαδικασίες ανταλλαγής θερμότητας και εργασίας συνοδεύονται από μια αλλαγή ΔU της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος.

Θερμοδυναμική. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μια γενίκευση του νόμου της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας για ένα θερμοδυναμικό σύστημα. Διατυπώνεται ως εξής: Η μεταβολή ΔU της εσωτερικής ενέργειας ενός μη απομονωμένου θερμοδυναμικού συστήματος είναι ίση με τη διαφορά μεταξύ της ποσότητας θερμότητας Q που μεταφέρεται στο σύστημα και του έργου Α που εκτελεί το σύστημα σε εξωτερικά σώματα. ΔU = Q – A Η σχέση που εκφράζει τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο γράφεται συχνά με άλλη μορφή: Q = ΔU + A Η ποσότητα θερμότητας που λαμβάνει το σύστημα πηγαίνει να αλλάξει την εσωτερική του ενέργεια και να εκτελέσει εργασίες σε εξωτερικά σώματα.

Θερμοδυναμική. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής Ας εφαρμόσουμε τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής στις ισοδιεργασίες στα αέρια. Σε μια ισοχωρική διεργασία (V = const), το αέριο δεν λειτουργεί, A = 0. Επομένως, Q = ΔU = U (T 2) – U (T 1). Εδώ U (T 1) και U (T 2) είναι οι εσωτερικές ενέργειες του αερίου στην αρχική και τελική κατάσταση. Η εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία (νόμος Joule). Κατά την ισοχωρική θέρμανση, η θερμότητα απορροφάται από το αέριο (Q > 0), και η εσωτερική του ενέργεια αυξάνεται. Κατά τη διάρκεια της ψύξης, η θερμότητα μεταφέρεται σε εξωτερικά σώματα (Q 0 - η θερμότητα απορροφάται από το αέριο και το αέριο λειτουργεί θετικά. Με ισοβαρική συμπίεση Q

Θερμικές μηχανές. Θερμοδυναμικοί κύκλοι. Κύκλος Carnot Μια θερμική μηχανή είναι μια συσκευή ικανή να μετατρέπει τη λαμβανόμενη ποσότητα θερμότητας σε μηχανικό έργο. Η μηχανική εργασία στις θερμικές μηχανές εκτελείται κατά τη διαδικασία διαστολής μιας ουσίας που ονομάζεται ρευστό εργασίας. Ως ρευστό εργασίας συνήθως χρησιμοποιούνται αέριες ουσίες (ατμοί βενζίνης, αέρας, υδρατμοί). Το ρευστό εργασίας λαμβάνει (ή απελευθερώνει) θερμική ενέργεια κατά τη διαδικασία ανταλλαγής θερμότητας με σώματα που έχουν μεγάλη παροχή εσωτερικής ενέργειας. Αυτά τα σώματα ονομάζονται θερμικές δεξαμενές. Οι πραγματικές θερμικές μηχανές (ατμομηχανές, κινητήρες εσωτερικής καύσης κ.λπ.) λειτουργούν κυκλικά. Η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας και μετατροπής της προκύπτουσας ποσότητας θερμότητας σε εργασία επαναλαμβάνεται περιοδικά. Για να γίνει αυτό, το ρευστό εργασίας πρέπει να υποβληθεί σε κυκλική διαδικασία ή θερμοδυναμικό κύκλο, στον οποίο η αρχική κατάσταση αποκαθίσταται περιοδικά.

Θερμικές μηχανές. Θερμοδυναμικοί κύκλοι. Κύκλος Carnot Μια κοινή ιδιότητα όλων των κυκλικών διεργασιών είναι ότι δεν μπορούν να πραγματοποιηθούν φέρνοντας το λειτουργικό ρευστό σε θερμική επαφή με μία μόνο θερμική δεξαμενή. Χρειάζεστε τουλάχιστον δύο από αυτά. Μια δεξαμενή θερμότητας με υψηλότερη θερμοκρασία ονομάζεται θερμαντήρας και μια δεξαμενή θερμότητας με χαμηλότερη θερμοκρασία ονομάζεται ψυγείο. Εκτελώντας μια κυκλική διαδικασία, το ρευστό εργασίας λαμβάνει μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας Q 1 > 0 από τη θερμάστρα και μεταφέρει μια ποσότητα θερμότητας Q 2 στο ψυγείο

Θερμικές μηχανές. Θερμοδυναμικοί κύκλοι. Κύκλος Carnot Το έργο Α που εκτελείται από το λειτουργικό ρευστό ανά κύκλο είναι ίσο με την ποσότητα θερμότητας Q που λαμβάνει ανά κύκλο. Ο λόγος του έργου Α προς την ποσότητα θερμότητας Q 1 που λαμβάνει το λειτουργικό ρευστό ανά κύκλο από τον θερμαντήρα ονομάζεται απόδοση η της θερμικής μηχανής:

Θερμικές μηχανές. Θερμοδυναμικοί κύκλοι. Κύκλος Carnot Ο συντελεστής απόδοσης δείχνει πόσο από τη θερμική ενέργεια που έλαβε το λειτουργικό ρευστό από την «καυτή» θερμική δεξαμενή μετατράπηκε σε χρήσιμο έργο. Το υπόλοιπο (1 – η) μεταφέρθηκε «άχρηστα» στο ψυγείο. (1 – η) Η απόδοση μιας θερμικής μηχανής είναι πάντα μικρότερη από τη μονάδα (η 0, A > 0, Q 2 T 2

Θερμικές μηχανές. Θερμοδυναμικοί κύκλοι. Κύκλος Carnot Το 1824, ο Γάλλος μηχανικός S. Carnot εξέτασε μια κυκλική διαδικασία αποτελούμενη από δύο ισόθερμες και δύο αδιαβάτες, που έπαιξαν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη του δόγματος των θερμικών διεργασιών. Ονομάζεται κύκλος Carnot (Εικ. 3. 11. 4).

Θερμικές μηχανές. Θερμοδυναμικοί κύκλοι. Κύκλος Carnot Ο κύκλος Carnot εκτελείται από ένα αέριο που βρίσκεται σε έναν κύλινδρο κάτω από ένα έμβολο. Στο ισοθερμικό τμήμα (1–2), το αέριο έρχεται σε θερμική επαφή με μια θερμή θερμική δεξαμενή (θερμαντήρας) που έχει θερμοκρασία T 1. Το αέριο διαστέλλεται ισοθερμικά, κάνοντας έργο A 12, ενώ μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας Q 1 = Στο αέριο παρέχεται ένα 12. Στη συνέχεια στο αδιαβατικό τμήμα (2–3), το αέριο τοποθετείται σε ένα αδιαβατικό κέλυφος και συνεχίζει να διαστέλλεται απουσία ανταλλαγής θερμότητας. Σε αυτό το τμήμα, το αέριο λειτουργεί A 23 > 0. Η θερμοκρασία του αερίου κατά την αδιαβατική διαστολή πέφτει στην τιμή T 2. Στο επόμενο ισοθερμικό τμήμα (3–4), το αέριο έρχεται σε θερμική επαφή με ένα ψυχρό θερμικό δεξαμενή (ψυγείο) σε θερμοκρασία Τ 2

Μη αναστρεψιμότητα των θερμικών διεργασιών. Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής - ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας για θερμικές διεργασίες - καθορίζει τη σχέση μεταξύ της ποσότητας θερμότητας Q που λαμβάνει το σύστημα, της μεταβολής ΔU της εσωτερικής του ενέργειας και του έργου Α που γίνεται σε εξωτερικά σώματα: Q = ΔU + A Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. μεταδίδεται από το ένα σύστημα στο άλλο και μετατρέπεται από τη μια μορφή στην άλλη. Δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ διεργασίες που παραβιάζουν τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο. Στο Σχ. απεικονίζει συσκευές που απαγορεύονται από τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής Θερμοκινητήρες κυκλικής λειτουργίας που απαγορεύονται από τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής: 1 – μηχανή αέναης κίνησης 1ου είδους, που εκτελεί εργασία χωρίς να καταναλώνει εξωτερική ενέργεια. 2 – θερμικός κινητήρας με απόδοση η > 1

Μη αναστρεψιμότητα των θερμικών διεργασιών. Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δεν καθορίζει την κατεύθυνση των θερμικών διεργασιών. Ωστόσο, όπως δείχνει η εμπειρία, πολλές θερμικές διεργασίες μπορούν να συμβούν μόνο προς μία κατεύθυνση. Τέτοιες διαδικασίες ονομάζονται μη αναστρέψιμες. Για παράδειγμα, κατά τη θερμική επαφή δύο σωμάτων με διαφορετικές θερμοκρασίες, η ροή θερμότητας κατευθύνεται πάντα από το θερμότερο σώμα προς το ψυχρότερο. Δεν υπάρχει ποτέ μια αυθόρμητη διαδικασία μεταφοράς θερμότητας από ένα σώμα με χαμηλή θερμοκρασία σε ένα σώμα με υψηλότερη θερμοκρασία. Κατά συνέπεια, η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας σε μια πεπερασμένη διαφορά θερμοκρασίας είναι μη αναστρέψιμη. Οι αναστρέψιμες διεργασίες είναι διαδικασίες μετάβασης ενός συστήματος από μια κατάσταση ισορροπίας σε μια άλλη, οι οποίες μπορούν να πραγματοποιηθούν προς την αντίθετη κατεύθυνση μέσω της ίδιας ακολουθίας ενδιάμεσων καταστάσεων ισορροπίας. Σε αυτή την περίπτωση, το ίδιο το σύστημα και τα γύρω σώματα επιστρέφουν στην αρχική τους κατάσταση. Οι διαδικασίες κατά τις οποίες το σύστημα παραμένει σε κατάσταση ισορροπίας όλη την ώρα ονομάζονται οιονεί στατικές. Όλες οι οιονεί στατικές διεργασίες είναι αναστρέψιμες. Όλες οι αναστρέψιμες διεργασίες είναι σχεδόν στατικές.

Μη αναστρεψιμότητα των θερμικών διεργασιών. Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Οι διαδικασίες μετατροπής του μηχανικού έργου στην εσωτερική ενέργεια ενός σώματος είναι μη αναστρέψιμες λόγω της παρουσίας τριβής, διεργασιών διάχυσης σε αέρια και υγρά, διεργασίες ανάμιξης αερίων παρουσία αρχικής διαφοράς πίεσης κ.λπ. Όλες οι πραγματικές διεργασίες είναι μη αναστρέψιμες, αλλά μπορούν να προσεγγίσουν αναστρέψιμες αυθαίρετα κλείσιμο διεργασιών. Οι αναστρέψιμες διαδικασίες είναι εξιδανικεύσεις πραγματικών διεργασιών. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δεν μπορεί να διακρίνει τις αναστρέψιμες διεργασίες από τις μη αναστρέψιμες. Απαιτεί απλώς ένα ορισμένο ενεργειακό ισοζύγιο από μια θερμοδυναμική διαδικασία και δεν λέει τίποτα για το αν μια τέτοια διαδικασία είναι δυνατή ή όχι.

Μη αναστρεψιμότητα των θερμικών διεργασιών. Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Η κατεύθυνση των αυθόρμητων διαδικασιών καθορίζεται από τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Μπορεί να διατυπωθεί στη θερμοδυναμική με τη μορφή απαγόρευσης ορισμένων τύπων θερμοδυναμικών διεργασιών. Ο Άγγλος φυσικός W. Kelvin έδωσε την ακόλουθη διατύπωση του δεύτερου νόμου το 1851: δεύτερος νόμος Σε μια κυκλικά λειτουργούσα θερμική μηχανή, μια διαδικασία είναι αδύνατη, το μόνο αποτέλεσμα της οποίας θα ήταν η μετατροπή σε μηχανικό έργο ολόκληρης της ποσότητας θερμότητας που λαμβάνεται. από μια ενιαία δεξαμενή θερμότητας.

Μη αναστρεψιμότητα των θερμικών διεργασιών. Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Ο Γερμανός φυσικός R. Clausius έδωσε μια άλλη διατύπωση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής: Μια διαδικασία είναι αδύνατη της οποίας το μόνο αποτέλεσμα θα ήταν η μεταφορά ενέργειας μέσω ανταλλαγής θερμότητας από ένα σώμα με χαμηλή θερμοκρασία σε ένα σώμα με υψηλότερη θερμοκρασία. Στο Σχ. απεικονίζονται διαδικασίες που απαγορεύονται από τον δεύτερο νόμο, αλλά δεν απαγορεύονται από τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής. Αυτές οι διαδικασίες αντιστοιχούν σε δύο διατυπώσεις του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου. 1 – μηχάνημα αέναης κίνησης δεύτερου είδους. 2 – αυθόρμητη μεταφορά θερμότητας από ένα ψυχρό σώμα σε ένα θερμότερο (ιδανικό μηχάνημα ψύξης)

Στη φύση συμβαίνουν φαινόμενα που εξωτερικά σχετίζονται πολύ έμμεσα με τη μηχανική κίνηση. Παρατηρούνται όταν η θερμοκρασία των σωμάτων αλλάζει ή όταν οι ουσίες μεταβαίνουν από μια κατάσταση (για παράδειγμα, υγρή) σε μια άλλη (στερεή ή αέρια). Τέτοια φαινόμενα λέγονται θερμικός.

Τα θερμικά φαινόμενα παίζουν τεράστιο ρόλο στη ζωή των ανθρώπων, των ζώων και των φυτών. Η πιθανότητα ύπαρξης ζωής στη Γη εξαρτάται από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Οι εποχικές αλλαγές θερμοκρασίας καθορίζουν τους ρυθμούς της ζωντανής φύσης - το χειμώνα, η ζωή των φυτών παγώνει, πολλά ζώα πέφτουν σε χειμερία νάρκη. Την άνοιξη, η φύση ξυπνά, τα λιβάδια πρασινίζουν, τα δέντρα ανθίζουν.

Οι αλλαγές θερμοκρασίας επηρεάζουν τις ιδιότητες των σωμάτων. Όταν θερμαίνεται και ψύχεται, ο όγκος των υγρών και των αερίων και οι διαστάσεις των στερεών αλλάζουν.

Τα θερμικά φαινόμενα υπόκεινται σε ορισμένους νόμους, η γνώση των οποίων επιτρέπει τη χρήση αυτών των φαινομένων στην τεχνολογία και στην καθημερινή ζωή. Οι σύγχρονοι θερμικοί κινητήρες, οι μονάδες ψύξης, οι αγωγοί αερίου και άλλες συσκευές λειτουργούν με βάση αυτούς τους νόμους.

Μοριακή φυσική και θερμοδυναμική

Μοριακή φυσική και θερμοδυναμικήμελέτη της συμπεριφοράς συστημάτων που αποτελούνται από μεγάλο αριθμό σωματιδίων.

ΟΡΙΣΜΟΣ

Μοριακή φυσική- ένας κλάδος της φυσικής που μελετά τις φυσικές ιδιότητες των σωμάτων σε διάφορες καταστάσεις συσσωμάτωσης με βάση τη μοριακή τους δομή.

Η μοριακή φυσική εξετάζει τη δομή και τις ιδιότητες των αερίων, υγρών, στερεών, τους αμοιβαίους μετασχηματισμούς τους, καθώς και τις αλλαγές που συμβαίνουν στην εσωτερική δομή και συμπεριφορά τους όταν αλλάζουν οι εξωτερικές συνθήκες.

ΟΡΙΣΜΟΣ

Θερμοδυναμική- κλάδος της φυσικής που μελετά τις ιδιότητες ενός συστήματος αλληλεπιδρώντων σωμάτων αναλύοντας τις συνθήκες και τις ποιοτικές σχέσεις των ενεργειακών μετασχηματισμών που συμβαίνουν στο σύστημα.

Η διαφορά μεταξύ της μοριακής (ή στατιστικής) φυσικής και της θερμοδυναμικής είναι ότι αυτοί οι δύο κλάδοι της φυσικής εξετάζουν τα θερμικά φαινόμενα από διαφορετικές οπτικές γωνίες και χρησιμοποιούν διαφορετικές μεθόδους.

Η μοριακή φυσική θεσπίζει τους νόμους σύμφωνα με τους οποίους συμβαίνουν διάφορες διεργασίες στα σώματα με βάση τη μελέτη της μοριακής τους δομής και τον μηχανισμό αλληλεπίδρασης μεμονωμένων μορίων μεταξύ τους. Η Θερμοδυναμική μελετά τις ιδιότητες των σωμάτων χωρίς να λαμβάνει υπόψη τα μοριακά φαινόμενα που συμβαίνουν σε αυτά.

Χρήσεις της μοριακής φυσικής στατιστική μέθοδος, που εξετάζει την κίνηση και την αλληλεπίδραση των μορίων στο σύνολό τους και όχι κάθε μόριο ξεχωριστά.

Θερμοδυναμικές χρήσεις θερμοδυναμική μέθοδος, το οποίο εξετάζει όλες τις διεργασίες από την άποψη της μετατροπής ενέργειας. Σε αντίθεση με τη στατιστική μέθοδο, η θερμοδυναμική μέθοδος δεν συνδέεται με συγκεκριμένες ιδέες σχετικά με την εσωτερική δομή των σωμάτων και τη φύση της κίνησης των μορίων που σχηματίζουν αυτά τα σώματα. Οι νόμοι της θερμοδυναμικής καθιερώθηκαν εμπειρικά στη μελέτη της βέλτιστης χρήσης της θερμότητας για την εκτέλεση εργασιών.

Μοριακή φυσική. Θερμοδυναμική.

1.Στατιστικές και θερμοδυναμικές μέθοδοι

2.Μοριακή-κινητική θεωρία ιδανικών αερίων

2.1.Βασικοί ορισμοί

2.2.Πειραματικοί νόμοι του ιδανικού αερίου

2.3. Εξίσωση κατάστασης ιδανικού αερίου (εξίσωση Clapeyron-Mendeleev

2.4 Βασική εξίσωση της μοριακής κινητικής θεωρίας ιδανικού αερίου

2.5. Κατανομή Maxwell

2.6 Κατανομή Boltzmann

3.Θερμοδυναμική

3.1.Εσωτερική ενέργεια. Νόμος της ομοιόμορφης κατανομής της ενέργειας στους βαθμούς ελευθερίας

3.2.Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής

3.3 Έργο του αερίου όταν μεταβάλλεται ο όγκος του

3.4 Θερμοχωρητικότητα

3.5. Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής και των ισοδιεργασιών

3.5.1.Ισοχωρική διαδικασία (V = const)

3.5.2.Ισοβαρική διεργασία (p = const)

3.5.3.Ισοθερμική διεργασία (T = const)

3.5.4. Αδιαβατική διεργασία (dQ = 0)

3.5.5. Πολυτροπικές διεργασίες

3.6.Κυκλική διαδικασία (κύκλος). Αναστρέψιμες και μη αναστρέψιμες διεργασίες. Κύκλος Carnot.

3.7.Δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος

3.8 Πραγματικά αέρια

3.8.1.Δυνάμεις διαμοριακής αλληλεπίδρασης

3.8.2.Εξίσωση Van der Waals

3.8.3 Εσωτερική ενέργεια πραγματικού αερίου

3.8.4.Φαινόμενο Joule-Thomson. Υγροποίηση αερίων.

1.Στατιστικές και θερμοδυναμικές μέθοδοι

Μοριακή φυσική και θερμοδυναμική - κλάδους της φυσικής στους οποίους σπουδάζουνμακροσκοπικές διεργασίες σχετίζεται με τον τεράστιο αριθμό ατόμων και μορίων που περιέχονται στα σώματα. Για τη μελέτη αυτών των διαδικασιών, χρησιμοποιούνται δύο βασικά διαφορετικές (αλλά αλληλοσυμπληρωματικές) μέθοδοι: στατιστική (μοριακή-κινητική) Καιθερμοδυναμικός.

Μοριακή φυσική - ένας κλάδος της φυσικής που μελετά τη δομή και τις ιδιότητες της ύλης με βάση μοριακές κινητικές έννοιες, με βάση το γεγονός ότι όλα τα σώματα αποτελούνται από μόρια σε συνεχή χαοτική κίνηση. Οι διεργασίες που μελετήθηκαν από τη μοριακή φυσική είναι το αποτέλεσμα της συνδυασμένης δράσης ενός τεράστιου αριθμού μορίων. Οι νόμοι συμπεριφοράς ενός τεράστιου αριθμού μορίων μελετώνται χρησιμοποιώνταςστατιστική μέθοδος , η οποία βασίζεται στο γεγονός ότι τα ακίνηταμακροσκοπικό σύστημα καθορίζονται από τις ιδιότητες των σωματιδίων του συστήματος, τα χαρακτηριστικά της κίνησής τους και τις μέσες τιμές των δυναμικών χαρακτηριστικών αυτών των σωματιδίων (ταχύτητα, ενέργεια κ.λπ.).Για παράδειγμα, η θερμοκρασία ενός σώματος καθορίζεται από τη μέση ταχύτητα της χαοτικής κίνησης των μορίων του και δεν μπορεί κανείς να μιλήσει για τη θερμοκρασία ενός μορίου.

Θερμοδυναμική - κλάδος της φυσικής που μελετά τις γενικές ιδιότητες των μακροσκοπικών συστημάτων που βρίσκονται σεκατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας , και τις διαδικασίες μετάβασης μεταξύ αυτών των καταστάσεων.Η θερμοδυναμική δεν εξετάζει μικροδιεργασίες , που αποτελούν τη βάση αυτών των μετασχηματισμών, και βασίζεται σε δύο αρχές της θερμοδυναμικής - θεμελιώδεις νόμοι που θεσπίστηκαν πειραματικά.

Οι στατιστικές μέθοδοι της φυσικής δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλούς κλάδους της φυσικής και της χημείας, ενώ οι θερμοδυναμικές μέθοδοι είναι καθολικές. Ωστόσο, οι στατιστικές μέθοδοι καθιστούν δυνατό τον καθορισμό της μικροσκοπικής δομής μιας ουσίας, ενώ οι θερμοδυναμικές μέθοδοι δημιουργούν μόνο συνδέσεις μεταξύ μακροσκοπικών ιδιοτήτων. Η μοριακή κινητική θεωρία και η θερμοδυναμική αλληλοσυμπληρώνονται, σχηματίζοντας ένα ενιαίο σύνολο, αλλά διαφέρουν ως προς τις μεθόδους έρευνας.

2.Μοριακή-κινητική θεωρία ιδανικών αερίων

2.1.Βασικοί ορισμοί

Αντικείμενο μελέτης στη μοριακή κινητική θεωρία είναι το αέριο. Πιστεύεται ότι Τα μόρια αερίου, που εκτελούν τυχαίες κινήσεις, δεν δεσμεύονται από δυνάμεις αλληλεπίδρασης και ως εκ τούτου κινούνται ελεύθερα, τείνοντας, ως αποτέλεσμα των συγκρούσεων, να απομακρυνθούν προς όλες τις κατευθύνσεις, γεμίζοντας ολόκληρο τον όγκο που τους παρέχεται.Έτσι, το αέριο παίρνει τον όγκο του δοχείου που καταλαμβάνει το αέριο.

Ιδανικό αέριο είναι ένα αέριο για το οποίο: ο εγγενής όγκος των μορίων του είναι αμελητέος σε σύγκριση με τον όγκο του δοχείου. δεν υπάρχουν δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ μορίων αερίου. οι συγκρούσεις μορίων αερίου μεταξύ τους και με τα τοιχώματα του δοχείου είναι απολύτως ελαστικές.Για πολλά πραγματικά αέρια, το μοντέλο ιδανικού αερίου περιγράφει καλά τις μακρο ιδιότητές τους.

Θερμοδυναμικό σύστημα - ένα σύνολο μακροσκοπικών σωμάτων που αλληλεπιδρούν και ανταλλάσσουν ενέργεια τόσο μεταξύ τους όσο και με άλλα σώματα (το εξωτερικό περιβάλλον).

Κατάσταση του συστήματος- ένα σύνολο φυσικών μεγεθών (θερμοδυναμικές παράμετροι, παράμετροι κατάστασης) , που χαρακτηρίζουν τις ιδιότητες ενός θερμοδυναμικού συστήματος:θερμοκρασία, πίεση, ειδικός όγκος.

Θερμοκρασία- ένα φυσικό μέγεθος που χαρακτηρίζει την κατάσταση της θερμοδυναμικής ισορροπίας ενός μακροσκοπικού συστήματος.Το σύστημα SI επιτρέπει τη χρήση θερμοδυναμικός Και πρακτική κλίμακα θερμοκρασίας .Στη θερμοδυναμική κλίμακα, το τριπλό σημείο του νερού (η θερμοκρασία στην οποία ο πάγος, το νερό και ο ατμός σε πίεση 609 Pa βρίσκονται σε θερμοδυναμική ισορροπία) θεωρείται ίσο μεΤ = 273,16 βαθμούς Κέλβιν[Κ]. Σε πρακτική κλίμακα, οι θερμοκρασίες πήξης και βρασμού του νερού σε πίεση 101300 Pa θεωρούνται ίσες, αντίστοιχα, t = 0 και t = 100 βαθμοί Κελσίου [ντο].Αυτές οι θερμοκρασίες σχετίζονται μεταξύ τους από τη σχέση

Η θερμοκρασία T = 0 K ονομάζεται μηδέν Kelvin· σύμφωνα με τις σύγχρονες ιδέες, αυτή η θερμοκρασία είναι ανέφικτη, αν και η προσέγγιση της όσο πιο κοντά είναι δυνατή.

Πίεση - φυσική ποσότητα που καθορίζεται από την κανονική δύναμηφά , που ενεργεί από την πλευρά του αερίου (υγρό) σε μια ενιαία περιοχή που βρίσκεται μέσα στο αέριο (υγρό) p = F/S, όπου S είναι το μέγεθος της τοποθεσίας. Η μονάδα πίεσης είναι pascal [Pa]: 1 Pa είναι ίσο με την πίεση που δημιουργείται από μια δύναμη 1 N, ομοιόμορφα κατανεμημένη σε μια επιφάνεια κάθετη προς αυτήν με εμβαδόν 1 m 2 (1 Pa = 1 N/m 2).

Συγκεκριμένη έντασηείναι ο όγκος ανά μονάδα μάζας v = V/m = 1/r, όπου V είναι ο όγκος της μάζας m, r είναι η πυκνότητα ενός ομοιογενούς σώματος. Εφόσον για ένα ομογενές σώμα v ~ V, οι μακροσκοπικές ιδιότητες ενός ομοιογενούς σώματος μπορούν να χαρακτηριστούν τόσο από v όσο και με V.

Θερμοδυναμική διαδικασία - οποιαδήποτε αλλαγή σε ένα θερμοδυναμικό σύστημα που οδηγεί σε αλλαγή τουλάχιστον μιας από τις θερμοδυναμικές παραμέτρους του.Θερμοδυναμική ισορροπία- κατάσταση ενός μακροσκοπικού συστήματος όταν οι θερμοδυναμικές του παράμετροι δεν αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου.Διαδικασίες ισορροπίας - διεργασίες που συμβαίνουν με τέτοιο τρόπο ώστε η μεταβολή των θερμοδυναμικών παραμέτρων σε μια πεπερασμένη χρονική περίοδο να είναι απείρως μικρή.

Ισοδιεργασίες - πρόκειται για διαδικασίες ισορροπίας στις οποίες μία από τις κύριες παραμέτρους κατάστασης παραμένει σταθερή.Ισοβαρική διαδικασία - μια διεργασία που συμβαίνει σε σταθερή πίεση (σε συντεταγμένες V,t απεικονίζεταιισοβαρής ). Ισοχωρική διαδικασία- μια διεργασία που συμβαίνει σε σταθερό όγκο (σε συντεταγμένες p,t απεικονίζεταιισόχωρα ). Ισοθερμική διαδικασία - μια διεργασία που συμβαίνει σε σταθερή θερμοκρασία (σε συντεταγμένες p, V απεικονίζεταιισόθερμος γραμμή ). Αδιαβατική διαδικασίαείναι μια διαδικασία κατά την οποία δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντος (σε συντεταγμένες p, V απεικονίζεταιαδιαβατικός ).

Η σταθερά του Avogadro (αριθμός) - αριθμός μορίων σε ένα moleΝ Α =6,022. 10 23 .

Φυσιολογικές συνθήκες: p = 101300 Pa, T = 273,16 K.