Veebikursuselt saate tunnistuse.

Kursusel uuritakse termodünaamika ja molekulaarfüüsika põhimõisteid ja meetodeid Moskva Füüsika- ja Tehnoloogiainstituudi üliõpilastele õpetatava üldfüüsika kursuse raames. Kõigepealt tutvustatakse põhilisi termodünaamilisi suurusi, mõisteid ja postulaate. Vaadeldakse põhilisi termodünaamilisi seoseid. Eraldi loengud on pühendatud faasisiirete teooriale, Van Der Waalsi gaasimudelile ja pinnanähtustele. Antakse statistilise füüsika põhimõisted: süsteemi mikro- ja makroolek, partitsioonifunktsioon, jaotusfunktsioonid jne. Käsitletakse Maxwelli, Boltzmanni, Gibbsi jaotusi. Esitatakse gaaside soojusmahtuvuse teooria elemendid. Avaldised tuletatakse põhiliste termodünaamiliste suuruste kõikumiste jaoks. Antakse gaasides toimuvate molekulaarsete protsesside kirjeldus: ülekande-, difusiooni- ja soojusjuhtivuse protsessid.

Kursuse kohta

Veebikursus sisaldab füüsiliste põhiprobleemide arutelu, probleemide analüüsi ja füüsikaliste katsete demonstratsioone, ilma milleta on üldfüüsika sügav mõistmine võimatu. Veebikursuse edukaks omandamiseks on soovitatav teada üldfüüsika kursust: “Mehaanika” ja omandada matemaatilise analüüsi alused, tunda lineaaralgebra ja tõenäosusteooria aluseid.

Vorming

Veebikursus sisaldab teoreetilist materjali, põhiliste termodünaamiliste eksperimentide demonstratsioone, mis on vajalikud nähtuste õigeks mõistmiseks, tüüpiliste probleemide lahenduste analüüse, harjutusi ja ülesandeid iseseisvaks lahendamiseks.

Seitsmes, kolmeteistkümnes ja kaheksateistkümnes nädal sisaldavad ülevaatamiseks mõeldud viktoriine.

Kursuse programm

1. nädal
Molekulaarfüüsika ja termodünaamika põhimõisted: uurimisobjekt, selle iseloomulikud tunnused. Molekulaarfüüsika probleemid. Olekuvõrrandid. Ideaalne gaasirõhk molekulaarse kineetilise energia funktsioonina. Ideaalse gaasi temperatuuri ja selle molekulide kineetilise energia vaheline seos. Ideaalsete gaaside seadused. Ideaalse gaasi olekuvõrrandid. Kvaasistaatilised, pöörduvad ja pöördumatud termodünaamilised protsessid. Termodünaamika nullseadus. Töö, soojus, siseenergia. Termodünaamika esimene seadus. Soojusmahtuvus. Ideaalsete gaaside soojusmahtuvus konstantse mahu ja rõhu juures, Mayeri võrrand. Adiabaatilised ja polütroopsed protsessid. Ideaalse gaasi polütroopne võrrand. Adiabaatilised ja polütroopsed protsessid. Ideaalse gaasi siseenergia sõltumatus mahust.

2. nädal
Termodünaamika teine ​​seadus. Teise printsiibi formulatsioonid. Soojusmasin. Soojusmasina kasuteguri määramine. Carnot' tsükkel. Carnot’ teoreem. Clausiuse ebavõrdsus. Carnot' tsükli maksimaalne efektiivsus võrreldes teiste termodünaamiliste tsüklitega. Külmutusmasin. Külmutusmasina efektiivsus. Soojus pump. Carnot tsükli järgi töötava soojuspumba kasutegur. Soojuspumba ja jahuti efektiivsustegurite seos.

3. nädal
Entroopia termodünaamiline määratlus. Entroopia suurenemise seadus. Ideaalse gaasi entroopia. Entroopia pöörduvates ja pöördumatutes protsessides. Ideaalse gaasi adiabaatiline paisumine vaakumiks. Termodünaamika esimese ja teise printsiibi kombineeritud võrrand. Termodünaamika kolmas seadus. Entroopia ja soojusmahtuvuse muutused, kui temperatuur läheneb absoluutsele nullile.

4. nädal
Termodünaamilised funktsioonid. Termodünaamiliste funktsioonide omadused. Maksimaalne ja minimaalne töö. Termodünaamiliste funktsioonide teisendused. Maxwelli suhted. Siseenergia sõltuvus mahust. Soojusmahtuvuse sõltuvus mahust. CP ja CV seos. Tahkete ainete termofüüsikalised omadused. Tahkete ainete deformatsiooni termodünaamika. Temperatuuri muutus elastse varda adiabaatilise pinge ajal. Soojuspaisumine võre anharmooniliste vibratsioonide tagajärjel. Varda joonpaisumise koefitsient.

5. nädal
Termodünaamilise tasakaalu tingimused. Faasimuutused. Esimest ja teist tüüpi faasisiirded. Keemiline potentsiaal. Faasi tasakaalu seisund. Faasi tasakaalu kõver. Clapeyroni-Clausiuse võrrand. Kahefaasilise vedeliku-auru süsteemi olekuskeem. Faasisiirdesoojuse sõltuvus temperatuurist. Kriitiline punkt. Kolmekordne punkt. Jää-vesi-aur diagramm. Pinnanähtused. Pinna termodünaamika. Pinna vaba energia. Serva nurgad. Niisutav ja mittemärgav. Laplace'i valem. Aururõhu sõltuvus vedeliku pinna kumerusest. Keetmine. Tuumade roll uue faasi kujunemisel.

6. nädal
Van der Waalsi gaas kui tõelise gaasi mudel. Van der Waalsi gaasi isotermid. Metastabiilsed seisundid. Ülekuumutatud vedelik ja ülejahutatud aur. Maxwelli reegel ja võimenduse reegel. Van der Waalsi gaasi kriitilised parameetrid ja vähendatud olekuvõrrand. Van der Waalsi gaasi siseenergia. Van der Waalsi gaasi adiabaatiline võrrand. Van der Waalsi gaasi entroopia. Heli kiirus gaasides. Gaasi voolu kiirus aukust. Joule-Thomsoni efekt. Adiabaatiline paisumine, drossel. Madalate temperatuuride vastuvõtmine.

7. nädal
Kontrollimine

8. nädal
Dünaamilised ja statistilised mustrid. Makroskoopilised ja mikroskoopilised tingimused. Faasi ruum. Tõenäosusteooria elemendid. Normaliseerimise seisund. Keskmised ja dispersioon. Binoomjaotuse seadus. Poissoni jaotus. Gaussi jaotus.

9. nädal
Maxwelli distributsioonid. Osakeste jaotus kiiruse komponentide ja absoluutkiiruse väärtuste järgi. Kõige tõenäolisemad, keskmised ja ruutkeskmised kiirused. Maxwelli energiajaotused. Ajaühikus pindalaühikuga põrkuvate molekulide keskmine löökide arv. Molekulide keskmine energia, mis lendavad läbi anumas oleva väikese augu vaakumisse.

10. nädal
Boltzmanni jaotus ühtlases jõuväljas. Baromeetriline valem. Mikro- ja makroolekud. Makroseisundi statistiline kaal. Entroopia statistiline määratlus. Entroopia gaasi segamisel. Gibbsi paradoks. Gibbsi jaotuse kontseptsioon. Statistiline summa ja selle kasutamine siseenergia leidmiseks. Statistiline temperatuur.

11. nädal
Kõikumised. Osakeste energia energia ja dispersiooni (keskmine ruutkõikumine) väärtused. Termodünaamiliste suuruste kõikumised. Temperatuuri kõikumine fikseeritud mahus. Mahu kõikumine isotermilistes ja adiabaatilistes protsessides. Aditiivsete füüsikaliste suuruste kõikumised. Kõikumiste sõltuvus süsteemi moodustavate osakeste arvust.

12. nädal
Soojusmahtuvus. Klassikaline soojusmahtuvuse teooria. Soojusliikumise energia ühtlase jaotuse seadus vabadusastmete lõikes. Kristallide soojusmahtuvus (Dulong-Petiti seadus). Soojusvõimsuste kvantteooria elemendid. Iseloomulikud temperatuurid. Soojusmahtuvuse sõltuvus temperatuurist.

13. nädal
Kokkupõrked. Efektiivne gaasikineetiline ristlõige. Vaba tee pikkus. Molekulide jaotus keskmise vaba tee järgi. Molekulide vaheliste kokkupõrgete arv. Transpordinähtused: viskoossus, soojusjuhtivus ja difusioon. Ficki ja Fourier' seadused. Viskoossuse, soojusjuhtivuse ja difusiooni koefitsiendid gaasides.

14. nädal
Browni liikumine. Liikuvus. Einsteini-Smoluchowski seadus. Seos osakeste liikuvuse ja difusioonikoefitsiendi vahel. Transpordinähtused haruldaste gaaside puhul. Knudseni efekt. Efusioon. Haruldase gaasi vool läbi sirge toru.

15. nädal
Kontrollimine

Õpitulemused

Distsipliini "Termodünaamika" õppimise tulemusena peab üliõpilane:

• Tea:
  • molekulaarfüüsikas kasutatavad põhimõisted, termodünaamika;
  • molekulaarfüüsikas, termodünaamikas kasutatavate füüsikaliste suuruste tähendus;
  • ideaalse gaasi ja van der Waalsi gaasi olekuvõrrandid;
  • Boltzmanni ja Maxwelli jaotused, energia ühtlase jaotumise seadus vabadusastmete lõikes;
  • termodünaamika null-, esimene, teine ​​ja kolmas seadus, Clausiuse ebavõrdsus, entroopia suurenemise seadus;
  • stabiilse termodünaamilise tasakaalu tingimused;
  • Clapeyron-Clausiuse võrrand;
  • Laplace'i valem;
  • transpordiprotsesse (difusioon, viskoossus, soojusjuhtivus) kirjeldavad võrrandid;
• Suuda:
  • kasutada ülesannete lahendamisel gaaside molekulaarkineetilise teooria aluspõhimõtteid;
  • kasutada soojusprotsesside ja ülekandeprotsesside tasakaaluolekute kirjeldamisel molekulaarfüüsika ja termodünaamika seadusi;
• Oma:
  • aine oleku parameetrite arvutamise meetodid;
  • töö, soojushulga ja siseenergia arvutamise meetodid;

Kujunenud kompetentsid

• oskus analüüsida teaduslikke probleeme ja füüsikalisi protsesse, kasutada praktikas loodusteaduste valdkonnas omandatud fundamentaalseid teadmisi (OK-1)
• oskus valdada uusi probleeme, terminoloogiat, metoodikat ja omandada teaduslikke teadmisi, iseõppimisoskused (OK-2)
• oskus rakendada oma kutsetegevuses füüsiliste ja matemaatikavaldkondades omandatud teadmisi (PC-1)
• oskus mõista kutsetegevuse käigus püstitatud probleemide olemust ning kasutada nende kirjeldamiseks ja lahendamiseks sobivat füüsikalist ja matemaatilist aparaati (PC-3)
• oskus kasutada teadmisi füüsiliste ja matemaatiliste distsipliinide vallas distsipliinide edasiseks valdamiseks vastavalt treeningprofiilile (PC-4)
• oskus rakendada matemaatika, füüsika ja arvutiteaduse teooriat ja meetodeid kvalitatiivsete ja kvantitatiivsete mudelite koostamiseks (PC-8)

Molekulaarfüüsika ja termodünaamika on oma lähenemisviisilt sisuliselt kaks erinevat, kuid omavahel tihedalt seotud teadust, mis tegelevad sama asjaga – füüsikaliste süsteemide makroskoopiliste omaduste uurimisega, kuid täiesti erinevate meetoditega.

Molekulaarfüüsika Molekulaarfüüsika ehk molekulaarkineetiline teooria põhineb teatud ideedel aine struktuuri kohta. – Suurest hulgast osakestest koosnevate makroskoopiliste süsteemide käitumisseaduste kehtestamiseks kasutab molekulaarfüüsika erinevaid ainemudeleid, näiteks ideaalse gaasi mudeleid. Molekulaarfüüsika on statistiline teooria, füüsika, see tähendab teooria, mis arvestab tõenäosusmudelite alusel tohutul hulgal osakestest (aatomitest, molekulidest) koosnevate süsteemide käitumist. Selle eesmärk on statistilise lähenemisviisi alusel luua seos eksperimentaalselt mõõdetud makroskoopiliste suuruste (rõhk, maht, temperatuur jne) ja süsteemi mikroskoopilistesse karakteristikutesse kuuluvate osakeste mikroskoopiliste omaduste (mass, impulss, energia) vahel. jne) .

Termodünaamika Erinevalt molekulaar-kineetilisest teooriast ei tugine termodünaamika makroskoopiliste süsteemide termodünaamilisi omadusi uurides ideedele aine molekulaarstruktuuri kohta. Termodünaamika on fenomenoloogiline teadus. – See teeb järeldusi aine omaduste kohta kogemustega kehtestatud seaduste, näiteks energia jäävuse seaduse põhjal. Termodünaamika toimib ainult makroskoopiliste suurustega (rõhk, temperatuur, maht jne), mis võetakse kasutusele füüsikalise eksperimendi alusel.

Mõlemad lähenemised – termodünaamiline ja statistiline – ei ole vastuolus, vaid täiendavad üksteist. Ainult termodünaamika ja molekulaarkineetilise teooria kombineeritud kasutamine võib anda kõige täielikuma arusaama paljudest osakestest koosnevate süsteemide omadustest

Molekulaarfüüsika Molekulaarkineetiline teooria on aine struktuuri ja omaduste uurimine, mis põhineb ideel aatomite ja molekulide kui keemiliste ainete väikseimate osakeste olemasolust.

Molekulaarkineetiline teooria MKT põhiprintsiibid 1. Kõik ained – vedelad, tahked ja gaasilised – moodustuvad kõige väiksematest osakestest – molekulidest, mis ise koosnevad aatomitest (“elementaarmolekulid”). Keemilise aine molekulid võivad olla lihtsad või keerulised, see tähendab, et need võivad koosneda ühest või mitmest aatomist. Molekulid ja aatomid on elektriliselt neutraalsed osakesed. Teatud tingimustel võivad molekulid ja aatomid omandada täiendavat elektrilaengut ja muutuda positiivseteks või negatiivseteks ioonideks. 2. Aatomid ja molekulid on pidevas kaootilises liikumises, mida nimetatakse soojusliikumiseks 3. Osakesed interakteeruvad jõududega, mis on oma olemuselt elektrilised. Gravitatsiooniline vastastikmõju osakeste vahel on tühine.

Molekulaarkineetiline teooria Molekulaarkineetilise teooria ideedele aatomite ja molekulide juhusliku liikumise kohta on kõige silmatorkavam eksperimentaalne kinnitus Browni liikumine. Browni liikumine on vedelikus või gaasis suspendeeritud pisikeste mikroskoopiliste osakeste termiline liikumine. Selle avastas inglise botaanik R. Brown 1827. aastal. Browni osakesed liiguvad molekulide juhuslike mõjude mõjul. Molekulide kaootilise soojusliikumise tõttu ei tühista need mõjud üksteist kunagi. Selle tulemusena muutub Browni osakese kiirus juhuslikult suuruses ja suunas ning selle trajektooriks on keeruline siksakiline kõver (joonis). Browni liikumise teooria lõi A. Einstein 1905. aastal. Einsteini teooria leidis eksperimentaalset kinnitust prantsuse füüsiku J. Perrini katsetes, mis viidi läbi aastatel 1908–1911.

Molekulaarkineetiline teooria Aine molekulide pidev kaootiline liikumine avaldub ka teises kergesti jälgitavas nähtuses - difusioonis. Difusioon on kahe või enama kokkupuutel oleva aine üksteisesse tungimise nähtus. – Protsess kulgeb kõige kiiremini gaasis, kui see on koostiselt heterogeenne. Difusiooni tulemusena moodustub homogeenne segu sõltumata komponentide tihedusest. Niisiis, kui anuma kahes osas, mis on eraldatud vaheseinaga, on hapnik O 2 ja vesinik H 2, siis pärast vaheseina eemaldamist algab üksteise gaaside läbitungimise protsess, mis viib plahvatusohtliku segu moodustumiseni - detoneeriv gaas. See protsess toimub ka siis, kui anuma ülemises pooles on kerge gaas (vesinik) ja alumises pooles raskem gaas (hapnik).

Molekulaarkineetiline teooria – sarnased protsessid toimuvad vedelikes palju aeglasemalt. Kahe erineva vedeliku vedeliku läbitungimine üksteisesse, tahkete ainete lahustumine vedelikes (näiteks suhkur vees) ja homogeensete lahuste moodustumine on näited vedelike difusiooniprotsessidest. Reaalsetes tingimustes varjatakse difusiooni vedelikes ja gaasides kiiremate segunemisprotsessidega, näiteks konvektsioonivoolude tekkimise tõttu.

Molekulaarkineetiline teooria – difusiooniprotsess toimub kõige aeglasemalt tahketes ainetes. Katsed näitavad aga, et kui tahked kehad puutuvad kokku kahe metalli hästipuhastatud pindadega, leitakse neist mõlemast pika aja pärast teise metalli aatomeid. Difusioon ja Browni liikumine – difusioon ja Browni liikumine on omavahel seotud nähtused. Kontakteeruvate ainete läbitungimine ja vedelikus või gaasis hõljuvate pisikeste osakeste juhuslik liikumine toimub molekulide kaootilise termilise liikumise tõttu.

Molekulaarkineetiline teooria Kahe molekuli vahel mõjuvad jõud Kahe molekuli vahel mõjuvad jõud sõltuvad nendevahelisest kaugusest. Molekulid on keerulised ruumilised struktuurid, mis sisaldavad nii positiivseid kui ka negatiivseid laenguid. Kui molekulide vaheline kaugus on piisavalt suur, siis domineerivad molekulidevahelised tõmbejõud. Lühikestel distantsidel on ülekaalus tõukejõud.

Molekulaarkineetiline teooria Teatud kaugusel r = r 0 muutub vastasmõju jõud nulliks. Seda kaugust võib tavapäraselt võtta molekuli läbimõõduks. Interaktsiooni potentsiaalne energia r = r 0 juures on minimaalne. Kahe teineteisest kaugusel r 0 asuva molekuli eemaldamiseks tuleb neile anda lisaenergiat E 0. E 0 väärtust nimetatakse potentsiaalse süvendi sügavuseks ehk sidumisenergiaks. Molekulid on äärmiselt väikese suurusega. Lihtsate üheaatomiliste molekulide suurus on suurusjärgus 10–10 m. Komplekssed polüaatomilised molekulid võivad olla sadu ja tuhandeid kordi suuremad.

Molekulaarkineetiline teooria Soojusliikumise kineetiline energia suureneb temperatuuri tõustes Madalatel temperatuuridel võib molekuli keskmine kineetiline energia olla väiksem kui potentsiaalikaevu sügavus E 0. Sel juhul molekulid kondenseeruvad vedelikuks või tahkeks aineks. ; sel juhul on molekulide keskmine kaugus ligikaudu võrdne r 0-ga. Temperatuuri tõustes muutub molekuli keskmine kineetiline energia suuremaks kui E 0, molekulid lendavad lahku ja moodustub gaasiline aine

Molekulaarkineetiline teooria Aine agregeeritud olekud Tahketes ainetes teostavad molekulid juhuslikke vibratsioone fikseeritud tsentrite (tasakaalupositsioonide) mber. Need keskused võivad paikneda ruumis ebakorrapäraselt (amorfsed kehad) või moodustada korrastatud mahulisi struktuure (kristallkehad). Seetõttu säilitavad tahked ained nii kuju kui ka mahu

Molekulaarkineetiline teooria Aine agregeeritud olekud Vedelikes on molekulidel palju suurem vabadus soojuslikuks liikumiseks. Need ei ole seotud kindlate keskustega ja võivad liikuda kogu helitugevuse ulatuses. See seletab vedelike voolavust. Lähedal asuvad vedelad molekulid võivad moodustada ka järjestatud struktuure, mis sisaldavad mitut molekuli. Seda nähtust nimetatakse lühimaakorraks, erinevalt kristallkehadele iseloomulikust kaugjärjekorrast. Seetõttu ei säilita vedelikud oma kuju, vaid säilitavad mahu

Molekulaarkineetiline teooria Aine agregeeritud olekud Gaasides on molekulide vahelised kaugused tavaliselt palju suuremad kui nende suurus. Nii suurtel vahemaadel olevate molekulide vastastikuse mõju jõud on väike ja iga molekul liigub mööda sirgjoont kuni järgmise kokkupõrkeni teise molekuliga või anuma seinaga. – Keskmine õhumolekulide vaheline kaugus tavatingimustes on umbes 10–8 m, st kümneid kordi suurem molekulide suurusest. Molekulide vaheline nõrk interaktsioon seletab gaaside võimet laieneda ja täita kogu anuma ruumala. Piirväärtuses, kui vastastikmõju kipub nulli, jõuame ideaalse gaasi ideeni. Seetõttu ei säilita gaasid ei kuju ega mahtu

Molekulaarkineetiline teooria Aine kogus Molekulaarkineetilises teoorias loetakse aine kogust võrdeliseks osakeste ainete arvuga. Aine koguseühikut nimetatakse mooliks (mooliks). Mool on aine kogus, mis sisaldab sama arvu osakesi (molekule), kui on 0,012 kg süsiniku aatomeid 12 C. (Süsiniku molekul koosneb ühest aatomist) Seega sisaldab üks mool mis tahes ainet sama palju osakesed (molekulid). Seda arvu nimetatakse Avogadro konstandiks NA: NA = 6,02·1023 mol–1. Avogadro konstant on molekulaarkineetilises teoorias üks olulisemaid konstante.

Molekulaarkineetiline teooria Aine kogus ν on defineeritud kui aine osakeste (molekulide) arvu N ja Avogadro konstandi NA suhe: Aine ühe mooli massi nimetatakse tavaliselt molaarmassiks M. Molaarmass võrdub antud aine ühe molekuli massi m 0 korrutisega Avogadro konstandiga: M = NA · m 0 Molaarmassi väljendatakse kilogrammides mooli kohta (kg/mol). Ainete puhul, mille molekulid koosnevad ühest aatomist, kasutatakse sageli terminit aatommass. Aatomite ja molekulide massiühikuks võetakse 1/12 süsiniku isotoobi 12 C (massinumbriga 12) aatomi massist. Seda ühikut nimetatakse aatommassi ühikuks (a.m.u.): 1 a.m. e.m = 1,66·10–27 kg. See väärtus langeb peaaegu kokku prootoni või neutroni massiga. Antud aine aatomi või molekuli massi suhet 1/12 süsinikuaatomi massist 12 C nimetatakse suhteliseks massiks.

Molekulaarkineetiline teooria Lihtsaim mudel, mida molekulaarkineetiline teooria käsitleb, on ideaalse gaasi mudel: 1. Ideaalse gaasi kineetilises mudelis käsitletakse molekule 1. ideaalselt elastsete kuulidena, mis interakteeruvad üksteisega ja seintega ainult elastsuse ajal. kokkupõrkeid. 2. Eeldatakse, et kõigi molekulide kogumaht on väike 2. võrreldes anuma mahuga, milles gaas asub. Ideaalne gaasimudel kirjeldab päris hästi reaalsete gaaside käitumist laias rõhkude ja temperatuuride vahemikus. Molekulaarkineetilise teooria ülesanne on luua seos mikroskoopiliste (mass, mikroskoopiline kiirus, molekulide kineetiline energia) ja makroskoopiliste parameetrite (rõhk, maht, makroskoopilised parameetrid temperatuur) vahel.

Molekulaarkineetiline teooria Iga molekulide ja molekulide kokkupõrke tagajärjel seintega võivad molekulide kiirused muutuda suuruse ja suuna poolest; Järjestikuste kokkupõrgete vaheliste ajavahemike jooksul liiguvad molekulid ühtlaselt ja sirgjooneliselt. Ideaalses gaasimudelis eeldatakse, et kõik kokkupõrked toimuvad elastse löögi seaduste järgi, st nad järgivad Newtoni mehaanika seadusi. Ideaalse gaasi mudeli abil arvutame gaasi rõhu anuma seinale. Molekuli interaktsiooni ajal anuma seinaga tekivad nende vahel jõud, mis järgivad Newtoni kolmandat seadust. Selle tulemusena muutub molekuli kiiruse projektsioon υx, mis on risti seinaga, oma märgi vastupidiseks ja kiiruse projektsioon υy, paralleelne seinaga, jääb muutumatuks (joon.).

Molekulaarkineetiline teooria Anuma seinale avalduva gaasi keskmise rõhu valem kirjutatakse kujul See võrrand loob seose ideaalse gaasi rõhu p, molekuli massi m 0 ja molekulide kontsentratsiooni n vahel. , kiiruse ruudu keskmine väärtus ja molekulide translatsioonilise liikumise keskmine kineetiline energia. See on gaaside molekulaarkineetilise teooria põhivõrrand, seega on gaasi rõhk võrdne kahe kolmandikuga ruumalaühikus sisalduvate molekulide translatsioonilise liikumise keskmisest kineetilisest energiast.

Molekulaarkineetiline teooria Gaaside MKT põhivõrrand sisaldab molekulide kontsentratsiooni n korrutist translatsioonilise liikumise keskmise kineetilise energiaga. Sel juhul on rõhk võrdeline keskmise kineetilise energiaga. Tekivad küsimused: kuidas saab katseliselt muuta molekulide keskmist kineetilist liikumisenergiat konstantse mahuga anumas? Millist füüsikalist suurust tuleb muuta, et keskmine kineetiline energia muutuks? Kogemus näitab, et selline kogus on temperatuur.

Molekulaarkineetiline teooria Temperatuur Temperatuuri mõiste on tihedalt seotud termilise tasakaalu mõistega. Üksteisega kontaktis olevad kehad võivad energiat vahetada. Soojuskontakti käigus ühe keha poolt teisele ülekantavat energiat nimetatakse soojushulgaks Q. Termiline tasakaal on soojuskontaktis olevate kehade süsteemi seisund, kus soojusülekanne ühelt kehalt teisele ei toimu ja kõik keha makroskoopilised parameetrid. kehad jäävad muutumatuks. Temperatuur on füüsikaline parameeter, mis on kõigi termilises tasakaalus olevate kehade jaoks sama. Temperatuuri mõiste juurutamise võimalus tuleneb kogemusest ja seda nimetatakse termodünaamika nullseaduseks.

Molekulaarkineetiline teooria Temperatuur Temperatuuri mõõtmiseks kasutatakse füüsilisi instrumente – termomeetreid, milles temperatuuri väärtust hinnatakse mis tahes füüsikalise parameetri muutuse järgi. Termomeetri loomiseks tuleb valida termomeetriline aine (näiteks elavhõbe, alkohol) ja termomeetriline suurus, mis iseloomustab aine omadust (näiteks elavhõbeda- või alkoholisamba pikkus). Erinevates termomeetrite konstruktsioonides kasutatakse aine erinevaid füüsikalisi omadusi (näiteks tahkete ainete lineaarmõõtmete muutust või juhtide elektritakistuse muutumist kuumutamisel). Termomeetrid peavad olema kalibreeritud.

Molekulaarkineetiline teooria Füüsikas on eriline koht gaasitermomeetritel (joonis), milles termomeetriliseks aineks on konstantse ruumalaga (V = const) anumas eraldunud gaas (heelium, õhk) ja termomeetriline suurus on gaasirõhk p. Kogemused näitavad, et gaasirõhk (V = const) tõuseb temperatuuri tõustes, mõõdetuna Celsiuse skaalal.

Molekulaarkineetiline teooria Konstantse mahuga gaasitermomeetri kalibreerimiseks saate mõõta rõhku kahel temperatuuril (näiteks 0 °C ja 100 °C), kanda graafikule punktid p 0 ja p 100 ning seejärel joonistada sirge. joon nende vahel (joonis ). Sel viisil saadud kalibreerimiskõvera abil saab määrata muudele rõhuväärtustele vastavad temperatuurid. Graafiku ekstrapoleerimisel madalate rõhkude piirkonnale on võimalik määrata teatud “hüpoteetiline” temperatuur, mille juures gaasirõhk muutuks nulliks. Kogemused näitavad, et see temperatuur on –273,15 °C ega sõltu gaasi omadustest. Eksperimentaalselt on nullrõhuga gaasi jahutamisega võimatu saada, kuna väga madalatel temperatuuridel muutuvad kõik gaasid vedelaks või tahkeks.

Molekulaarkineetiline teooria Inglise füüsik W. Kelvin (Thomson) tegi 1848. aastal ettepaneku kasutada gaasirõhu nullpunkti uue temperatuuriskaala (Kelvini skaala) koostamiseks. Sellel skaalal on temperatuuri mõõtühik sama mis Celsiuse skaalal, kuid nullpunkt on nihutatud: TK = TC + 273,15 SI süsteemis on tavaks nimetada temperatuuri mõõtühikut Kelvini skaalal Kelviniks ja tähistatakse tähega K. Näiteks toatemperatuur TC = 20 °C Kelvini skaalal võrdub TK = 293,15 K.

Molekulaarkineetiline teooria Kelvini temperatuuriskaalat nimetatakse absoluutse temperatuuri skaalaks. See osutub kõige mugavamaks temperatuuriskaalaks füüsikaliste teooriate koostamiseks. Kelvini skaalat pole vaja siduda kahe fikseeritud punktiga – jää sulamistemperatuuri ja vee keemistemperatuuriga normaalsel atmosfäärirõhul, nagu Celsiuse skaalal tavaks. Lisaks gaasirõhu nullpunktile, mida nimetatakse absoluutseks nulltemperatuuriks, piisab, kui võtta absoluutseks nulltemperatuuriks veel üks fikseeritud võrdluspunkt. Kelvini skaalal kasutatakse sellise punktina vee kolmikpunkti temperatuuri (0,01 °C), mille juures kõik kolm faasi – jää, vesi ja aur – on termilises tasakaalus. Kelvini skaalal võetakse kolmikpunkti temperatuuriks 273,16 K.

Molekulaarkineetiline teooria Seega muutub haruldase gaasi rõhk konstantse mahuga V anumas otseses proportsioonis selle absoluutse temperatuuriga: p ~ T. T Teisest küljest näitab kogemus, et konstantse ruumala V ja temperatuuri T korral muutub gaasi rõhk konstantse mahuga V anumas. gaasirõhk muutub otseses proportsioonis aine koguse ν suhtega antud anumas ja anuma ruumala V kus N on molekulide arv anumas, NA on Avogadro konstant, n = N / V on kontsentratsioon molekulide arv (st molekulide arv anuma mahuühiku kohta).

Molekulaarkineetiline teooria Neid proportsionaalsuse seoseid kombineerides saame kirjutada: p = nk. T, kus k on konstantne väärtus, mis on universaalne kõikide gaaside jaoks. Seda nimetatakse Boltzmanni konstandiks Austria füüsiku L. Boltzmanni, MKT ühe looja auks. Boltzmanni konstant on üks põhilisi füüsikalisi konstante. Selle arvväärtus SI-s: k = 1,38·10–23 J/K.

Molekulaarkineetiline teooria Suhtarvude võrdlemine p = nk. T gaaside MKT põhivõrrandiga saab: Gaasi molekulide kaootilise liikumise keskmine kineetiline energia on otseselt võrdeline absoluutse temperatuuriga. Seega on temperatuur molekulide translatsioonilise liikumise keskmise kineetilise energia mõõt.Tuleb tähele panna, et molekuli translatsiooniliikumise keskmine kineetiline energia ei sõltu selle massist. Vedelikus või gaasis suspendeeritud Browni osakesel on sama keskmine kineetiline energia kui üksikul molekulil, mille mass on palju suurusjärke väiksem kui Browni osakese mass.

Molekulaarkineetiline teooria See järeldus kehtib ka juhul, kui anum sisaldab segu keemiliselt mitteinterakteeruvatest gaasidest, mille molekulid on erineva massiga. Tasakaaluseisundis on erinevate gaaside molekulidel sama keskmine soojusliikumise kineetiline energia, mille määrab ainult segu temperatuur. Gaasisegu rõhk anuma seintele on iga gaasi osarõhkude summa: p = p 1 + p 2 + p 3 + ... = (n 1 + n 2 + n 3 + . ..) k. T Selles suhtes on n 1, n 2, n 3, ... erinevate gaaside molekulide kontsentratsioonid segus. See seos väljendab molekulaarkineetilise teooria keeles 19. sajandi alguses eksperimentaalselt kehtestatud Daltoni seadust: rõhk Daltoni keemiliselt mitteinterakteeruvate gaaside seaduse segus võrdub nende osarõhkude summaga.

Molekulaarkineetiline teooria Ideaalse gaasi olekuvõrrand Seos p = nk. T saab kirjutada muul kujul, mis loob seose gaasi makroskoopiliste parameetrite - ruumala V, rõhu p, temperatuuri T ja aine koguse ν = m / M vahel. M –– Seda seost nimetatakse olekuvõrrandiks. ideaalne gaas või Clapeyroni-Mendelejevi ideaalse gaasi olekuvõrrand – Avogadro konstandi NA ja Boltzmanni konstandi korrutist nimetatakse universaalseks gaasikonstandiks ja seda tähistatakse tähega R. Selle arvväärtus SI-s on: R = k ∙NA = 8,31 J/mol K.

Molekulaarkineetiline teooria Ideaalse gaasi olekuvõrrand – Kui gaasi temperatuur on Tn = 273,15 K (0 °C) ja rõhk pn = 1 atm = 1,013·105 Pa, siis öeldakse, et gaas on normaaltingimustes. Ideaalse gaasi olekuvõrrandist nähtub, et üks mool mis tahes gaasi normaaltingimustes on sama mahuga V0 = 0,0224 m3/mol = 22,4 dm3/mol. Seda väidet nimetatakse Avogadro seaduseks.

Molekulaarkineetiline teooria Isoprotsessid Gaas võib osaleda erinevates termilistes protsessides, mille käigus võivad muutuda kõik tema olekut kirjeldavad parameetrid (p, V ja T). Kui protsess kulgeb piisavalt aeglaselt, on süsteem igal hetkel tasakaaluseisundi lähedal. Selliseid protsesse nimetatakse kvaasistaatilisteks. Meile tuttaval kvaasistaatilisel ajaskaalal ei pruugi need protsessid kulgeda väga aeglaselt. Näiteks gaasi harvenemist ja kokkusurumist helilaines, mis toimub sadu kordi sekundis, võib pidada kvaasistaatiliseks protsessiks. Kvaasistaatilisi protsesse saab kujutada olekudiagrammil (näiteks koordinaatides p, V) trajektoori kujul, mille iga punkt tähistab tasakaaluolekut. Huvitavad on protsessid, mille puhul üks parameetritest (p, V või T) jääb muutumatuks. Selliseid protsesse nimetatakse isoprotsessideks

Isotermiline protsess (T = const) Isotermiline protsess on kvaasistaatiline protsess, mis toimub konstantsel temperatuuril T. Ideaalse gaasi olekuvõrrandist järeldub, et konstantsel temperatuuril T ja T on konstantne aine ν kogus gaasis. anumas, gaasi rõhu p ja selle p ruumala V korrutis peab jääma konstantseks: p. V = konst

Isotermiline protsess (T = const) Tasapinnal (p, V) on isotermilisi protsesse erinevatel temperatuuridel T kujutatud hüperboolide perekonnaga p ~ 1 / V, mida nimetatakse isotermideks. Isotermilise protsessi võrrand saadi inglise füüsiku R. Boyle'i (1662) ja sõltumatult prantsuse füüsiku E. Mariotte'i (1676) katsest, mistõttu nimetatakse võrrandit Boyle-Mariotte'i seaduseks. T 3 > T 2 > T 1

Isohooriline protsess (V = const) Isohooriline protsess on gaasi kvaasistaatilise kuumutamise või jahutamise protsess konstantse ruumala V juures tingimusel, et aine ν kogus anumas jääb muutumatuks. Ideaalse gaasi olekuvõrrandist nähtub, et nendes tingimustes muutub gaasi rõhk p otseses proportsioonis selle absoluutse temperatuuriga: p ~ T või = const

Isohooriline protsess (V = const) Tasapinnal (p, T) on isohoorilised protsessid antud aine koguse ν jaoks erinevatel mahuväärtustel V kujutatud sirgjoonte perekonnaga, mida nimetatakse isohoorideks. Suuremad mahuväärtused vastavad isohooridele, mille kalle on temperatuuritelje suhtes väiksem (joonis). Gaasi rõhu sõltuvust temperatuurist uuris eksperimentaalselt prantsuse füüsik J. Charles (1787). Seetõttu nimetatakse isohoorilise protsessi võrrandit Charlesi seaduseks. V 3 > V 2 > V 1

Isobaarne protsess (p = const) Isobaarne protsess on kvaasistaatiline protsess, mis toimub konstantsel rõhul p. Teatud konstantse ainekoguse ν puhul on isobaarse protsessi võrrand järgmine: kus V 0 on gaasi maht temperatuuril 0 °C. Koefitsient α on võrdne (1/273, 15) K– 1. Selle α nimetatakse gaaside mahulise paisumise temperatuuriteguriks.

Isobaarne protsess (p = const) Tasapinnal (V, T) on isobaarilised protsessid erinevatel rõhu väärtustel p kujutatud sirgjoonte perekonnaga (joonis), mida nimetatakse isobaarideks. Gaasi mahu sõltuvust temperatuurist konstantsel rõhul uuris eksperimentaalselt prantsuse füüsik J. Gay-Lussac (1862). Seetõttu nimetatakse isobaarilise protsessi võrrandit Gay-Lussaci seaduseks. p 3 > p 2 > p 1

Isoprotsessid Boyle-Mariotte'i, Charlesi ja Gay-Lussaci eksperimentaalselt kehtestatud seadused leiavad seletuse gaaside molekulaarkineetilises teoorias. Need on ideaalse gaasi olekuvõrrandi tagajärg.

Termodünaamika Termodünaamika on teadus soojusnähtuste kohta. Erinevalt molekulaarkineetilisest teooriast, mis teeb järeldusi aine molekulaarstruktuuri ideede põhjal, põhineb termodünaamika kõige üldisematel termiliste protsesside seadustel ja makroskoopiliste süsteemide omadustel. Termodünaamika järeldused põhinevad eksperimentaalsetel faktidel ja ei sõltu meie teadmistest aine sisestruktuuri kohta, kuigi mitmel juhul kasutab termodünaamika oma järelduste illustreerimiseks molekulaarkineetilisi mudeleid.

Termodünaamika Termodünaamika käsitleb isoleeritud kehade süsteeme termodünaamilises tasakaalus. See tähendab, et sellistes süsteemides on kõik jälgitavad makroskoopilised protsessid lakanud.

Termodünaamika Kui termodünaamiline süsteem on allutatud välismõjudele, liigub see lõpuks teise tasakaaluolekusse. Seda üleminekut nimetatakse termodünaamiliseks protsessiks. Kui protsess kulgeb piisavalt aeglaselt (piiris lõpmatult aeglaselt), siis osutub süsteem igal ajahetkel tasakaaluseisundi lähedaseks. Tasakaaluseisundite jadast koosnevaid protsesse nimetatakse kvaasistaatilisteks.

Termodünaamika. Siseenergia Üks olulisemaid termodünaamika mõisteid on keha siseenergia. Kõigil makroskoopilistel kehadel on energia, mis sisaldub kehades. MCT seisukohalt koosneb aine siseenergia kõigi aatomite ja molekulide kineetilisest energiast ning nende omavahelise interaktsiooni potentsiaalsest energiast. Eelkõige on ideaalse gaasi siseenergia võrdne kõigi pidevas ja juhuslikus soojusliikumises olevate gaasiosakeste kineetiliste energiate summaga. See eeldab Joule'i seadust, mida kinnitavad arvukad katsed: ideaalse gaasi siseenergia sõltub ainult selle temperatuurist ja ei sõltu mahust.

Termodünaamika. MKT siseenergia annab ideaalse monoaatomilise gaasi (heelium, neoon jne) ühe mooli siseenergia avaldise, mille molekulid sooritavad ainult translatsioonilist liikumist: Kuna molekulide interaktsiooni potentsiaalne energia sõltub nendevahelisest kaugusest, üldjuhul sõltub keha siseenergia U koos temperatuuriga T ka ruumalast V: T U = U (T, V) Seega on keha siseenergia U üheselt määratud keha seisundit iseloomustavad makroskoopilised parameetrid. See ei sõltu sellest, kuidas see seisund realiseeriti. Tavaliselt öeldakse, et siseenergia on oleku funktsioon.

Termodünaamika. Siseenergia muutmise viisid Keha siseenergia võib muutuda, kui sellele mõjuvad välised jõud toimivad (positiivsed või negatiivsed). töö Näiteks kui gaas surutakse kolvi all olevas silindris kokku, siis välisjõud teevad gaasile positiivse töö A. Samal ajal teevad gaasist kolvile mõjuvad survejõud A" tööd A = – A"

Termodünaamika. Siseenergia muutmise meetodid Keha siseenergia võib muutuda mitte ainult tehtud töö, vaid ka soojusvahetuse tulemusena. Kui kehad puutuvad termiliselt kokku, võib neist ühe siseenergia suureneda ja teise väheneda. Sel juhul räägime soojuse liikumisest ühest kehast teise. Keha poolt vastuvõetud soojushulk Q. Soojushulk Q on keha siseenergia muutus soojusvahetuse tulemusena.

Termodünaamika. Siseenergia muutmise meetodid Energia ülekandmine ühelt kehalt teisele soojuse kujul saab toimuda ainult siis, kui nende vahel on temperatuuride erinevus. Soojusvoog on alati suunatud kuumalt kehalt külmale Soojushulk Q on energiakogus. SI-s mõõdetakse soojushulka mehaanilise töö ühikutes - džaulides (J).

Termodünaamika. Termodünaamika esimene seadus joonisel fig. Tavapäraselt kujutatakse energiavooge valitud termodünaamilise süsteemi ja ümbritsevate kehade vahel. Väärtus Q > 0, kui soojusvoog Q > 0 on suunatud termodünaamilise süsteemi poole. Väärtus A > 0, kui süsteem teeb ümbritsevatele kehadele positiivset A > 0 tööd. Kui süsteem vahetab soojust ümbritsevate kehadega ja teeb tööd (positiivne või negatiivne), siis muutub süsteemi olek, muutub süsteemi olek, s.t muutuvad selle makroskoopilised parameetrid (temperatuur, rõhk, maht).

Termodünaamika. Termodünaamika esimene seadus Kuna siseenergia U on üheselt määratud süsteemi olekut iseloomustavate makroskoopiliste parameetritega, siis järeldub, et soojusvahetuse ja töö protsessidega kaasneb süsteemi siseenergia muutus ΔU.

Termodünaamika. Termodünaamika esimene seadus Termodünaamika esimene seadus on termodünaamilise süsteemi energia jäävuse ja muundamise seaduse üldistus. See on sõnastatud järgmiselt: Isoleerimata termodünaamilise süsteemi siseenergia muutus ΔU võrdub süsteemi ülekantava soojushulga Q ja süsteemi poolt väliskehadel tehtud töö A vahega. ΔU = Q – A Termodünaamika esimest seadust väljendav seos kirjutatakse sageli teisel kujul: Q = ΔU + A Süsteemi vastuvõetud soojushulk läheb oma siseenergia muutmiseks ja väliskehadel töö tegemiseks.

Termodünaamika. Termodünaamika esimene seadus Rakendame esimest termodünaamika seadust gaasides toimuvatele isoprotsessidele. Isohoorilises protsessis (V = const) gaas ei tööta, A = 0. Seetõttu Q = ΔU = U (T 2) – U (T 1). Siin on U (T 1) ja U (T 2) gaasi siseenergia alg- ja lõppolekus. Ideaalse gaasi siseenergia sõltub ainult temperatuurist (Joule'i seadus). Isohoorilisel kuumutamisel neeldub gaas soojust (Q > 0) ja selle siseenergia suureneb. Jahutamisel kandub soojus väliskehadele (Q 0 - soojus neeldub gaasis ja gaas teeb positiivset tööd. Isobaarkompressiooniga Q

Soojusmootorid. Termodünaamilised tsüklid. Carnot' tsükkel Soojusmasin on seade, mis on võimeline vastuvõetud soojushulga mehaaniliseks tööks muutma. Soojusmasinate mehaaniline töö toimub aine, mida nimetatakse töövedelikuks, paisumise protsessis. Töövedelikuna kasutatakse tavaliselt gaasilisi aineid (bensiiniaur, õhk, veeaur). Töövedelik saab (või vabastab) soojusenergiat soojusvahetuse protsessis kehadega, millel on suur siseenergiavarustus. Neid kehasid nimetatakse termilisteks reservuaarideks. Tõelised soojusmasinad (aurumasinad, sisepõlemismootorid jne) töötavad tsükliliselt. Soojusülekande protsessi ja sellest tuleneva soojushulga tööks muutmist korratakse perioodiliselt. Selleks peab töövedelik läbima ringprotsessi ehk termodünaamilise tsükli, mille käigus taastatakse perioodiliselt algne olek.

Soojusmootorid. Termodünaamilised tsüklid. Carnot' tsükkel Kõikide ringprotsesside ühine omadus on see, et neid ei saa läbi viia, viies töövedeliku termiliselt kokku ainult ühe termilise reservuaariga. Teil on vaja neist vähemalt kahte. Kõrgema temperatuuriga soojusmahutit nimetatakse küttekehaks ja madalama temperatuuriga soojusmahutit külmikuks. Ringprotsessi läbiviimisel saab töövedelik küttekehast teatud koguse soojust Q 1 > 0 ja edastab teatud koguse soojust Q 2 külmikusse

Soojusmootorid. Termodünaamilised tsüklid. Carnot' tsükkel Töö A töövedeliku poolt tsükli kohta tehtud töö on võrdne tsükli kohta vastuvõetud soojushulgaga Q. Töö A suhet soojushulgasse Q 1, mille töövedelik saab küttekehast tsükli kohta, nimetatakse kasuteguriks η soojusmasinast:

Soojusmootorid. Termodünaamilised tsüklid. Carnot' tsükkel Kasuteguri koefitsient näitab, kui suur osa töövedeliku poolt “kuumast” termoreservuaarist saadud soojusenergiast muudeti kasulikuks tööks. Ülejäänud (1 – η) kanti “kasutult” külmkappi. (1 – η) Soojusmasina kasutegur on alati väiksem kui ühik (η 0, A > 0, Q 2 T 2

Soojusmootorid. Termodünaamilised tsüklid. Carnot' tsükkel 1824. aastal käsitles prantsuse insener S. Carnot kahest isotermist ja kahest adiabaadist koosnevat ringprotsessi, millel oli oluline roll termiliste protsesside õpetuse väljatöötamisel. Seda nimetatakse Carnot' tsükliks (joon. 3. 11. 4).

Soojusmootorid. Termodünaamilised tsüklid. Carnot' tsükkel Carnot' tsüklit teostab gaas, mis asub silindris kolvi all. Isotermilises sektsioonis (1–2) viiakse gaas termiliselt kontakti kuuma termilise reservuaariga (soojendiga), mille temperatuur on T 1. Gaas paisub isotermiliselt, tehes tööd A 12, samas kui teatud kogus soojust Q 1 = Gaasi suunatakse 12. Järgmisena asetatakse adiabaatilises sektsioonis (2–3) gaas adiabaatilisesse kesta ja jätkab soojusvahetuse puudumisel paisumist. Selles osas töötab gaas A 23 > 0. Gaasi temperatuur adiabaatilise paisumise ajal langeb väärtuseni T 2. Järgmises isotermilises lõigus (3–4) viiakse gaas termiliselt kokku külma termilisega. reservuaar (külmik) temperatuuril T 2

Termiliste protsesside pöördumatus. Termodünaamika teine ​​seadus. Termodünaamika esimene seadus - soojusprotsesside energia jäävuse seadus - kehtestab seose süsteemi poolt vastuvõetud soojushulga Q, selle siseenergia muutuse ΔU ja väliskehadega tehtud töö A vahel: Q = ΔU + A Selle seaduse kohaselt ei saa energiat luua ega hävitada; see kandub ühest süsteemist teise ja muundub ühest vormist teise. Termodünaamika esimest seadust rikkuvaid protsesse pole kunagi täheldatud. Joonisel fig. kujutab termodünaamika esimese seadusega keelatud seadmeid Tsükliliselt töötavad termodünaamika esimese seadusega keelatud soojusmasinad: 1 – 1. tüüpi igiliikur, mis teeb tööd ilma välist energiat tarbimata; 2 – soojusmasin kasuteguriga η > 1

Termiliste protsesside pöördumatus. Termodünaamika teine ​​seadus. Termodünaamika esimene seadus ei määra termiliste protsesside suunda. Kuid nagu kogemus näitab, saavad paljud termilised protsessid toimuda ainult ühes suunas. Selliseid protsesse nimetatakse pöördumatuteks. Näiteks kahe erineva temperatuuriga keha termilisel kokkupuutel suunatakse soojusvoog alati soojemast kehast külmemasse. Kunagi ei toimu iseeneslikku soojusülekannet madala temperatuuriga kehalt kõrgema temperatuuriga kehale. Järelikult on soojusülekande protsess piiratud temperatuuride erinevuse juures pöördumatu. Pööratavad protsessid on süsteemi ülemineku protsessid ühest tasakaaluolekust teise, mida saab läbi viia vastupidises suunas sama vahepealsete tasakaaluseisundite jada kaudu. Sel juhul naasevad süsteem ise ja ümbritsevad kehad algsesse olekusse. Protsesse, mille käigus süsteem püsib kogu aeg tasakaalus, nimetatakse kvaasistaatilisteks. Kõik kvaasistaatilised protsessid on pöörduvad. Kõik pöörduvad protsessid on kvaasistaatilised.

Termiliste protsesside pöördumatus. Termodünaamika teine ​​seadus. Mehaanilise töö muundamise protsessid keha siseenergiaks on pöördumatud hõõrdumise tõttu, difusiooniprotsessid gaasides ja vedelikes, gaaside segunemisprotsessid esialgse rõhu erinevuse korral jne. Kõik reaalsed protsessid on pöördumatud, kuid nad võivad läheneda pöörduvatele meelevaldselt sulgemisprotsessidele. Pööratavad protsessid on reaalsete protsesside idealisatsioonid. Termodünaamika esimene seadus ei suuda eristada pöörduvaid protsesse pöördumatutest. See lihtsalt nõuab termodünaamiliselt protsessilt teatud energiabilanssi ega ütle midagi selle kohta, kas selline protsess on võimalik või mitte.

Termiliste protsesside pöördumatus. Termodünaamika teine ​​seadus. Spontaanselt toimuvate protsesside suund määratakse termodünaamika teise seadusega. Seda saab termodünaamikas sõnastada teatud tüüpi termodünaamiliste protsesside keelu vormis. Inglise füüsik W. Kelvin esitas 1851. aastal teise seaduse järgmise sõnastuse: teine ​​seadus Tsükliliselt töötavas soojusmasinas on võimatu protsess, mille ainsaks tulemuseks oleks kogu saadud soojushulga muundamine mehaaniliseks tööks. ühest soojusreservuaarist.

Termiliste protsesside pöördumatus. Termodünaamika teine ​​seadus. Saksa füüsik R. Clausius andis teise termodünaamika seaduse sõnastuse: Võimatu on protsess, mille ainsaks tulemuseks oleks energia ülekandmine soojusvahetuse teel madala temperatuuriga kehalt kõrgema temperatuuriga kehale. Joonisel fig. kujutatakse protsesse, mis on teise seadusega keelatud, kuid termodünaamika esimese seadusega keelatud. Need protsessid vastavad termodünaamika teise seaduse kahele sõnastusele. 1 – teist tüüpi igiliikur; 2 – soojuse iseeneslik ülekandmine külmalt kehalt soojemale (ideaalne külmutusmasin)

Looduses esinevad nähtused, mis on väliselt väga kaudselt seotud mehaanilise liikumisega. Neid täheldatakse kehade temperatuuri muutumisel või ainete üleminekul ühest olekust (näiteks vedelast) teise (tahkeks või gaasiliseks). Selliseid nähtusi nimetatakse soojus.

Soojusnähtused mängivad inimeste, loomade ja taimede elus tohutut rolli. Elu võimalus Maal sõltub ümbritseva õhu temperatuurist. Hooajalised temperatuurimuutused määravad eluslooduse rütmid – talvel külmub taimestik, paljud loomad jäävad talveunne. Kevadel loodus ärkab, heinamaad lähevad roheliseks, puud õitsevad.

Temperatuurimuutused mõjutavad kehade omadusi. Kuumutamisel ja jahutamisel muutuvad vedelike ja gaaside maht ning tahkete ainete mõõtmed.

Soojusnähtuste suhtes kehtivad teatud seadused, mille tundmine võimaldab neid nähtusi tehnikas ja igapäevaelus kasutada. Nende seaduste alusel töötavad kaasaegsed soojusmasinad, külmutusagregaadid, gaasitorud ja muud seadmed.

Molekulaarfüüsika ja termodünaamika

Molekulaarfüüsika ja termodünaamika uurida suurest hulgast osakestest koosnevate süsteemide käitumist.

MÄÄRATLUS

Molekulaarfüüsika– füüsika haru, mis uurib kehade füüsikalisi omadusi erinevates agregatsiooniseisundites, lähtudes nende molekulaarstruktuurist.

Molekulaarfüüsika uurib gaaside, vedelike, tahkete ainete ehitust ja omadusi, nende omavahelisi muundumisi, aga ka muutusi, mis välistingimuste muutumisel toimuvad nende sisemises struktuuris ja käitumises.

MÄÄRATLUS

Termodünaamika- füüsika haru, mis uurib vastastikmõjus olevate kehade süsteemi omadusi, analüüsides süsteemis toimuvate energiamuutuste tingimusi ja kvalitatiivseid seoseid.

Molekulaarse (või statistilise) füüsika ja termodünaamika erinevus seisneb selles, et need kaks füüsikaharu käsitlevad soojusnähtusi erinevatest vaatenurkadest ja kasutavad erinevaid meetodeid.

Molekulaarfüüsika kehtestab seadused, mille kohaselt kehades toimuvad mitmesugused protsessid, mis põhinevad nende molekulaarstruktuuri ja üksikute molekulide vastastikmõju mehhanismi uurimisel. Termodünaamika uurib kehade omadusi, võtmata arvesse nendes esinevaid molekulaarseid nähtusi.

Molekulaarfüüsika kasutab statistiline meetod, mis käsitleb molekulide liikumist ja vastasmõju tervikuna, mitte iga molekuli eraldi.

Termodünaamika kasutamine termodünaamiline meetod, mis käsitleb kõiki protsesse energia muundamise seisukohast. Erinevalt statistilisest meetodist ei seostata termodünaamilist meetodit konkreetsete ideedega kehade sisestruktuuri ja neid kehasid moodustavate molekulide liikumise olemuse kohta. Termodünaamika seadused kehtestati empiiriliselt soojuse optimaalse kasutamise uurimisel töö tegemiseks.

Molekulaarfüüsika. Termodünaamika.

1.Statistilised ja termodünaamilised meetodid

2. Ideaalgaaside molekulaarkineetiline teooria

2.1.Põhimõisted

2.2.Ideaalse gaasi katseseadused

2.3. Ideaalse gaasi olekuvõrrand (Clapeyron-Mendelejevi võrrand

2.4 Ideaalse gaasi molekulaarkineetilise teooria põhivõrrand

2.5.Maxwelli jaotus

2.6. Boltzmanni jaotus

3. Termodünaamika

3.1.Siseenergia. Energia ühtlase jaotuse seadus vabadusastmete vahel

3.2.Termodünaamika esimene seadus

3.3. Gaasi töö selle mahu muutumisel

3.4. Soojusmaht

3.5.Termodünaamika ja isoprotsesside esimene seadus

3.5.1.Isohooriline protsess (V = konst)

3.5.2. Isobaarne protsess (p = konst)

3.5.3. Isotermiline protsess (T = konst)

3.5.4. Adiabaatiline protsess (dQ = 0)

3.5.5. Polütroopsed protsessid

3.6.Ringprotsess (tsükkel). Pööratavad ja pöördumatud protsessid. Carnot' tsükkel.

3.7.Termodünaamika teine ​​seadus

3.8. Päris gaasid

3.8.1.Molekulidevahelised vastasmõjud

3.8.2.Van der Waalsi võrrand

3.8.3 Reaalse gaasi siseenergia

3.8.4.Joule-Thomsoni efekt. Gaaside veeldamine.

1.Statistilised ja termodünaamilised meetodid

Molekulaarfüüsika ja termodünaamika - füüsika harud, milles nad õpivadmakroskoopilised protsessid mis on seotud kehades sisalduvate aatomite ja molekulide tohutu hulgaga. Nende protsesside uurimiseks kasutatakse kahte põhimõtteliselt erinevat (kuid üksteist täiendavat) meetodit: statistiline (molekulaarkineetiline) Jatermodünaamiline.

Molekulaarfüüsika - füüsika haru, mis uurib aine ehitust ja omadusi molekulaarkineetiliste kontseptsioonide alusel, lähtudes sellest, et kõik kehad koosnevad pidevas kaootilises liikumises olevatest molekulidest. Molekulaarfüüsika poolt uuritud protsessid on tohutu hulga molekulide koosmõju tulemus. Selle abil uuritakse suure hulga molekulide käitumisseadusistatistiline meetod , mis põhineb asjaolul, et omadusedmakroskoopiline süsteem Need on määratud süsteemi osakeste omaduste, nende liikumise omaduste ja nende osakeste dünaamiliste omaduste (kiirus, energia jne) keskmiste väärtustega. Näiteks keha temperatuuri määrab tema molekulide kaootilise liikumise keskmine kiirus ja ühe molekuli temperatuurist ei saa rääkida.

Termodünaamika - aastal paiknevate makroskoopiliste süsteemide üldisi omadusi uuriv füüsika harutermodünaamilise tasakaalu seisund ja nende olekute vahelisi üleminekuprotsesse. Termodünaamika ei arvesta mikroprotsessid , mis on nende teisenduste aluseks ja põhineb kaks termodünaamika põhimõtet - eksperimentaalselt kehtestatud põhiseadused.

Füüsika statistilisi meetodeid ei saa kasutada paljudes füüsika ja keemia harudes, samas kui termodünaamilised meetodid on universaalsed. Statistilised meetodid võimaldavad aga kindlaks teha aine mikroskoopilise struktuuri, termodünaamilised meetodid aga ainult seoseid makroskoopiliste omaduste vahel. Molekulaarkineetiline teooria ja termodünaamika täiendavad teineteist, moodustades ühtse terviku, kuid erinevad uurimismeetodite poolest.

2. Ideaalgaaside molekulaarkineetiline teooria

2.1.Põhimõisted

Molekulaarkineetilise teooria uurimisobjektiks on gaas. Arvatakse, et juhuslikke liikumisi sooritavad gaasimolekulid ei ole seotud vastasmõjujõududega ja seetõttu liiguvad nad vabalt, kaldudes kokkupõrgete tagajärjel lendama laiali igas suunas, täites kogu neile antud mahu. Seega võtab gaas enda alla mahuti mahu, mille gaas hõivab.

Ideaalne gaas on gaas, mille puhul: selle molekulide sisemaht on anuma mahuga võrreldes tühine; gaasimolekulide vahel puuduvad vastasmõjujõud; gaasimolekulide kokkupõrked omavahel ja anuma seintega on absoluutselt elastsed. Paljude pärisgaaside puhul kirjeldab ideaalne gaasimudel nende makroomadusi hästi.

Termodünaamiline süsteem - makroskoopiliste kehade kogum, mis interakteeruvad ja vahetavad energiat nii omavahel kui ka teiste kehadega (väliskeskkond).

Süsteemi olek- füüsikaliste suuruste komplekt (termodünaamilised parameetrid, olekuparameetrid) , mis iseloomustavad termodünaamilise süsteemi omadusi:temperatuur, rõhk, erimaht.

Temperatuur- makroskoopilise süsteemi termodünaamilise tasakaalu seisundit iseloomustav füüsikaline suurus. SI-süsteem võimaldab kasutada termodünaamiline Ja praktiline temperatuuriskaala .Termodünaamilisel skaalal loetakse vee kolmikpunkt (temperatuur, mille juures jää, vesi ja aur rõhul 609 Pa on termodünaamilises tasakaalus) võrdseks T = 273,16 kraadi Kelvin[K]. Praktilises plaanis loetakse vee külmumis- ja keemistemperatuurid rõhul 101300 Pa võrdseks, vastavalt t = 0 ja t = 100 kraadi Celsiuse järgi. [C].Need temperatuurid on omavahel seotud suhte kaudu

Temperatuuri T = 0 K nimetatakse null Kelviniks, tänapäevaste ideede kohaselt on see temperatuur kättesaamatu, kuigi sellele võimalikult lähedale lähenemine on võimalik.

Surve - tavajõuga määratud füüsikaline suurus F , mis toimib gaasi (vedeliku) küljelt gaasi (vedeliku) sisse asetatud ühele alale p = F/S, kus S on saidi suurus. Rõhu mõõtühik on paskal [Pa]: 1 Pa on võrdne rõhuga, mille tekitab 1 N jõud, mis jaotub ühtlaselt üle selle suhtes normaalse pinna pindalaga 1 m 2 (1 Pa = 1 N/m). 2).

Konkreetne mahton maht massiühiku kohta v = V/m = 1/r, kus V on massi maht m, r on homogeense keha tihedus. Kuna homogeense keha v ~ V korral saab homogeense keha makroskoopilisi omadusi iseloomustada nii v kui ka V-ga.

Termodünaamiline protsess – mis tahes muutus termodünaamilises süsteemis, mis toob kaasa muutuse vähemalt ühes selle termodünaamilises parameetris.Termodünaamiline tasakaal- makroskoopilise süsteemi seisund, kui selle termodünaamilised parameetrid aja jooksul ei muutu.Tasakaaluprotsessid - protsessid, mis toimuvad nii, et termodünaamiliste parameetrite muutus piiratud aja jooksul on lõpmata väike.

Isoprotsessid - need on tasakaaluprotsessid, milles üks peamisi olekuparameetreid jääb konstantseks.Isobaarne protsess - protsess, mis toimub konstantsel rõhul (koordinaatides V,t teda kujutatakseisobar ). Isokooriline protsess- protsess, mis toimub konstantsel mahul (koordinaatides p,t teda kujutatakseisokoor ). Isotermiline protsess - protsess, mis toimub konstantsel temperatuuril (koordinaatides p,V teda kujutatakseisoterm ). Adiabaatiline protsesson protsess, mille käigus ei toimu soojusvahetust süsteemi ja keskkonna vahel (koordinaatides p,V teda kujutatakseadiabaatiline ).

Avogadro konstant (arv) - molekulide arv ühes moolis NA = 6,022. 10 23 .

Tavalised tingimused: p = 101300 Pa, T = 273,16 K.