Kursus dalam talian boleh diperakui.

Kursus ini membincangkan konsep dan kaedah utama termodinamik dan fizik molekul sebagai sebahagian daripada kursus fizik am yang diberikan kepada pelajar Institut Fizik dan Teknologi Moscow. Pertama sekali, kuantiti termodinamik asas, konsep dan postulat diperkenalkan. Hubungan termodinamik utama dipertimbangkan. Kuliah berasingan ditumpukan kepada teori peralihan fasa, model gas van der Waals, dan fenomena permukaan. Konsep asas fizik statistik diberikan: keadaan mikro dan makro sistem, fungsi partition, fungsi taburan, dll. Taburan Maxwell, Boltzmann, Gibss dibincangkan. Unsur-unsur teori muatan haba gas dibentangkan. Ungkapan diperoleh untuk turun naik kuantiti termodinamik utama. Penerangan mengenai proses molekul dalam gas diberikan: proses pemindahan, resapan dan kekonduksian terma.

Mengenai kursus

Kursus dalam talian mengandungi perbincangan tentang isu fizik asas, analisis masalah, demonstrasi eksperimen fizikal, tanpa pemahaman mendalam tentang fizik am adalah mustahil. Untuk berjaya menguasai kursus dalam talian, adalah wajar pelajar mengetahui kursus fizik am: "Mekanik" dan menguasai asas analisis matematik, mengetahui asas algebra linear dan teori kebarangkalian.

Format

Kursus dalam talian mengandungi bahan teori, demonstrasi eksperimen termodinamik utama yang diperlukan untuk pemahaman yang betul tentang fenomena, analisis penyelesaian kepada masalah biasa, latihan dan tugas untuk menyelesaikan diri

Minggu ketujuh, ketiga belas dan kelapan belas mengandungi tugas kawalan untuk menyemak.

Program kursus

Minggu 1
Konsep asas fizik molekul dan termodinamik: subjek penyelidikan, ciri cirinya. Masalah fizik molekul. Persamaan keadaan. Tekanan gas ideal sebagai fungsi tenaga kinetik molekul. Hubungan antara suhu gas ideal dan tenaga kinetik molekulnya. Hukum gas ideal. Persamaan keadaan untuk gas ideal. Proses termodinamik separa statik, boleh balik dan tidak boleh balik. Sifar permulaan termodinamik. Kerja, haba, tenaga dalaman. Undang-undang pertama termodinamik. Kapasiti haba. Kapasiti haba gas ideal pada isipadu malar dan tekanan malar, persamaan Mayer. Proses adiabatik dan politropik. Persamaan politropik untuk gas ideal. Proses adiabatik dan politropik. Kebebasan tenaga dalaman gas ideal daripada isipadu.

Minggu 2
Hukum kedua termodinamik. Rumusan permulaan kedua. Mesin haba. Penentuan kecekapan enjin haba. Kitaran Carnot. Teorem Carnot. Ketaksamaan Clausius. Kecekapan maksimum kitaran Carnot berbanding kitaran termodinamik lain. Mesin penyejukan. Kecekapan penyejuk. Pam haba. Kecekapan pam haba yang beroperasi pada kitaran Carnot. Hubungan antara faktor kecekapan pam haba dan penyejuk.

Minggu 3
Definisi termodinamik bagi entropi. Undang-undang peningkatan entropi. Entropi gas ideal. Entropi dalam proses boleh balik dan tidak boleh balik. Pengembangan adiabatik gas ideal ke dalam vakum. Persamaan gabungan hukum pertama dan kedua termodinamik. Undang-undang ketiga termodinamik. Perubahan dalam entropi dan kapasiti haba apabila suhu menghampiri sifar mutlak.

Minggu 4
Fungsi termodinamik. Sifat-sifat fungsi termodinamik. Kerja maksimum dan minimum. Transformasi fungsi termodinamik. hubungan Maxwell. Pergantungan tenaga dalaman pada isipadu. Kebergantungan kapasiti haba pada isipadu. Nisbah antara CP dan CV. Sifat termofizik pepejal. Termodinamik ubah bentuk pepejal. Perubahan suhu semasa regangan adiabatik rod kenyal. Pengembangan terma akibat ketidakharmonian ayunan dalam kekisi. Pekali pengembangan linear rod.

Minggu 5
Keadaan keseimbangan termodinamik. Transformasi fasa. Peralihan fasa jenis pertama dan kedua. potensi kimia. Keadaan keseimbangan fasa. Lengkung keseimbangan fasa. Persamaan Clausius–Clapeyron. Rajah keadaan sistem dua fasa "wap-cecair". Kebergantungan haba peralihan fasa pada suhu. Titik kritikal. Titik tiga kali ganda. Nyatakan rajah "ais-air-wap". fenomena permukaan. Termodinamik permukaan. Tenaga bebas permukaan. sudut tepi. Membasahi dan tidak membasahkan. Formula Laplace. Kebergantungan tekanan wap pada kelengkungan permukaan cecair. Mendidih. Peranan nukleus dalam pembentukan fasa baru.

Minggu 6
Gas Van der Waals sebagai model gas sebenar. Isoterma gas Van der Waals. negeri metastabil. cecair panas lampau dan wap supersejuk. Peraturan Maxwell dan peraturan tuas. Parameter kritikal dan persamaan keadaan gas van der Waals terkurang. Tenaga dalaman gas van der Waals. Persamaan adiabatik gas Van der Waals. Entropi gas van der Waals. Kelajuan bunyi dalam gas. Kadar di mana gas mengalir keluar dari orifis. Kesan Joule-Thomson. Pengembangan adiabatik, pendikitan. Mendapat suhu rendah.

Minggu 7
Menyemak

Minggu 8
Keteraturan dinamik dan statistik. Keadaan makroskopik dan mikroskopik. ruang fasa. Unsur-unsur teori kebarangkalian. keadaan normalisasi. Nilai min dan penyebaran. Undang-undang pengedaran binomial. Pengagihan Poisson. Taburan Gaussian.

Minggu 9
Pengagihan Maxwell. Taburan zarah mengikut komponen halaju dan nilai halaju mutlak. Kemungkinan besar, kelajuan min dan rms. Pengagihan tenaga Maxwell. Purata bilangan impak molekul yang berlanggar per unit masa dengan satu kawasan. Tenaga purata molekul yang melarikan diri ke dalam vakum melalui lubang kecil di dalam bekas.

Minggu 10
Pengagihan Boltzmann dalam medan daya seragam. formula barometrik. Keadaan mikro dan makro. Berat statistik bagi keadaan makro. Takrifan statistik entropi. Entropi dalam mencampurkan gas. Paradoks Gibbs. Perwakilan pengedaran Gibbs. Fungsi partition dan penggunaannya untuk mencari tenaga dalaman. Suhu statistik.

Minggu 11
turun naik. Nilai purata tenaga dan serakan (turun naik akar-min-kuadrat) tenaga zarah. Turun naik kuantiti termodinamik. Turun naik suhu dalam isipadu tetap. Turun naik isipadu dalam proses isoterma dan adiabatik. Turun naik kuantiti fizik aditif. Kebergantungan turun naik pada bilangan zarah yang membentuk sistem.

Minggu 12
Kapasiti haba. Teori klasik kapasiti haba. Undang-undang taburan seragam tenaga gerakan haba ke atas darjah kebebasan. Kapasiti haba kristal (hukum Dulong–Petit). Unsur-unsur teori kuantum kapasiti haba. Suhu ciri. Kebergantungan kapasiti haba pada suhu.

Minggu 13
Perlanggaran. Keratan rentas gas-kinetik yang berkesan. Panjang laluan percuma. Taburan molekul ke atas panjang laluan bebas. Bilangan perlanggaran antara molekul. Fenomena pengangkutan: kelikatan, kekonduksian terma dan resapan. Undang-undang Fick dan Fourier. Pekali kelikatan, kekonduksian terma dan resapan dalam gas.

Minggu 14
Gerakan Brownian. mobiliti. Undang-undang Einstein-Smoluchowski. Hubungan antara mobiliti zarah dan pekali resapan. Fenomena pengangkutan dalam gas jarang. Kesan Knudsen. Efusi. Aliran gas jarang melalui paip lurus.

Minggu 15
Menyemak

Hasil pembelajaran

Hasil daripada mempelajari disiplin "Termodinamik", pelajar mesti:

• ketahui:
  • konsep asas yang digunakan dalam fizik molekul, termodinamik;
  • maksud kuantiti fizik yang digunakan dalam fizik molekul, termodinamik;
  • persamaan keadaan untuk gas ideal dan gas van der Waals;
  • pengagihan Boltzmann dan Maxwell, hukum pengagihan seragam tenaga ke atas darjah kebebasan;
  • sifar, pertama, kedua dan ketiga undang-undang termodinamik, ketaksamaan Clausius, undang-undang peningkatan entropi;
  • keadaan keseimbangan termodinamik yang stabil;
  • persamaan Clausius-Clapeyron;
  • Formula Laplace;
  • persamaan yang menerangkan proses pemindahan (resapan, kelikatan, kekonduksian terma);
• Mampu untuk:
  • menggunakan peruntukan asas teori molekul-kinetik gas untuk menyelesaikan masalah;
  • menggunakan undang-undang fizik molekul dan termodinamik dalam menerangkan keadaan keseimbangan proses haba dan proses pemindahan;
• Milik:
  • kaedah untuk mengira parameter keadaan jirim;
  • kaedah untuk mengira kerja, jumlah haba dan tenaga dalaman;

Kecekapan yang dibentuk

• keupayaan untuk menganalisis masalah saintifik dan proses fizikal, untuk menggunakan dalam amalan pengetahuan asas yang diperoleh dalam bidang sains semula jadi (OK-1)
• keupayaan untuk menguasai isu baharu, istilah, metodologi dan menguasai pengetahuan saintifik, kemahiran belajar sendiri (OK-2)
• keupayaan untuk menggunakan dalam aktiviti profesional mereka pengetahuan yang diperoleh dalam bidang disiplin fizikal dan matematik (PC-1)
• keupayaan untuk memahami intipati tugas yang ditetapkan dalam perjalanan aktiviti profesional, dan menggunakan alat fizikal dan matematik yang sesuai untuk menerangkan dan menyelesaikannya (PC-3)
• kebolehan menggunakan pengetahuan dalam bidang disiplin fizikal dan matematik untuk perkembangan selanjutnya disiplin mengikut profil latihan (PC-4)
• keupayaan untuk menggunakan teori dan kaedah matematik, fizik dan sains komputer untuk membina model kualitatif dan kuantitatif (PC-8)

Fizik molekul dan termodinamik pada asasnya adalah dua berbeza dalam pendekatan mereka, tetapi sains berkait rapat yang menangani perkara yang sama - kajian sifat makroskopik sistem fizikal, tetapi dengan kaedah yang sama sekali berbeza.

Fizik molekul Fizik molekul atau teori kinetik molekul adalah berdasarkan idea tertentu tentang struktur jirim. – Untuk menetapkan undang-undang kelakuan sistem makroskopik yang terdiri daripada sejumlah besar zarah, pelbagai model jirim digunakan dalam fizik molekul, contohnya, model gas ideal. Fizik molekul adalah teori statistik, fizik, iaitu, teori yang mempertimbangkan kelakuan sistem yang terdiri daripada sejumlah besar zarah (atom, molekul), berdasarkan model kebarangkalian. Ia bertujuan, berdasarkan pendekatan statistik, untuk mewujudkan hubungan antara kuantiti makroskopik yang diukur secara eksperimen (tekanan, isipadu, suhu, dll.) dan nilai ciri mikroskopik zarah yang membentuk ciri mikroskopik sistem (jisim, momentum, tenaga, dll.) .

Termodinamik Berbeza dengan teori kinetik molekul, termodinamik, apabila mengkaji sifat termodinamik sistem makroskopik, tidak bergantung pada sebarang idea tentang struktur molekul sesuatu bahan. Termodinamik ialah sains fenomenologi. - Ia membuat kesimpulan tentang sifat jirim berdasarkan undang-undang yang ditetapkan oleh pengalaman, seperti undang-undang pemuliharaan tenaga. Termodinamik beroperasi hanya dengan kuantiti makroskopik (tekanan, suhu, isipadu, dll.), yang diperkenalkan berdasarkan eksperimen fizikal.

Kedua-dua pendekatan - termodinamik dan statistik - tidak bercanggah, tetapi saling melengkapi. Hanya gabungan penggunaan termodinamik dan teori kinetik molekul dapat memberikan gambaran paling lengkap tentang sifat sistem yang terdiri daripada sejumlah besar zarah.

Fizik molekul Teori kinetik molekul ialah kajian tentang struktur dan sifat jirim berdasarkan konsep kewujudan atom dan molekul sebagai zarah terkecil bahan kimia.

Teori Molekul-Kinetik Peruntukan utama MKT 1. Semua bahan - cecair, pepejal dan gas - terbentuk daripada zarah terkecil - molekul, yang sendiri terdiri daripada atom ("molekul unsur"). Molekul bahan kimia boleh menjadi mudah dan kompleks, iaitu, terdiri daripada satu atau lebih atom. Molekul dan atom adalah zarah neutral elektrik. Dalam keadaan tertentu, molekul dan atom boleh memperoleh cas elektrik tambahan dan bertukar menjadi ion positif atau negatif. 2. Atom dan molekul berada dalam gerakan huru-hara berterusan, yang dipanggil gerakan haba 3. Zarah berinteraksi antara satu sama lain dengan daya yang bersifat elektrik. Interaksi graviti antara zarah boleh diabaikan.

Teori kinetik molekul Pengesahan eksperimen yang paling menarik tentang idea teori kinetik molekul mengenai gerakan rawak atom dan molekul ialah gerakan Brown. Pergerakan Brown ialah gerakan haba zarah mikroskopik terkecil terampai dalam cecair atau gas. Ia ditemui oleh ahli botani Inggeris R. Brown pada tahun 1827. Zarah Brownian bergerak di bawah pengaruh perlanggaran rawak molekul. Disebabkan oleh pergerakan terma molekul yang huru-hara, impak ini tidak pernah membatalkan satu sama lain. Akibatnya, kelajuan zarah Brown berubah secara rawak dalam magnitud dan arah, dan trajektorinya ialah lengkung zigzag yang kompleks (Rajah). Teori gerakan Brown telah dicipta oleh A. Einstein pada tahun 1905. Teori Einstein telah disahkan secara eksperimen dalam eksperimen ahli fizik Perancis J. Perrin, yang dijalankan pada tahun 1908–1911.

Teori Molekul-Kinetik Pergerakan kekal huru-hara molekul bahan juga menunjukkan dirinya dalam satu lagi fenomena yang mudah diperhatikan - resapan. Penyebaran ialah fenomena penembusan dua atau lebih bahan bersebelahan rakan. - Proses berjalan paling cepat dalam gas jika ia adalah gas yang heterogen dalam komposisi. Penyebaran membawa kepada pembentukan campuran homogen, tanpa mengira ketumpatan komponen. Jadi, jika dalam dua bahagian kapal, dipisahkan oleh partition, terdapat oksigen O 2 dan hidrogen H 2, maka selepas partition dikeluarkan, proses interpenetrasi gas yang lain bermula, yang membawa kepada pembentukan campuran mudah letupan - gas letupan. Proses ini juga berlaku apabila gas ringan (hidrogen) berada di bahagian atas kapal, dan yang lebih berat (oksigen) berada di bahagian bawah.

Teori Kinetik Molekul - Proses serupa dalam cecair berjalan dengan lebih perlahan. Interpenetrasi dua cecair cecair yang tidak serupa antara satu sama lain, pelarutan pepejal dalam cecair (contohnya, gula dalam air) dan pembentukan larutan homogen adalah contoh proses resapan dalam cecair. Dalam keadaan sebenar, resapan dalam cecair dan gas disembunyikan oleh proses pencampuran yang lebih pantas, contohnya, disebabkan oleh berlakunya arus perolakan.

Teori Kinetik Molekul - Proses resapan paling perlahan berlaku dalam pepejal. Walau bagaimanapun, eksperimen menunjukkan bahawa apabila pepejal bersentuhan dengan permukaan dua logam yang telah dibersihkan dengan baik, selepas masa yang lama, atom logam lain ditemui dalam setiap logam. Resapan dan gerakan Brown - Resapan dan gerakan Brown adalah fenomena yang berkaitan. Interpenetrasi bahan sentuhan rakan dan pergerakan rawak zarah terkecil terampai dalam cecair atau gas berlaku disebabkan oleh pergerakan terma molekul yang huru-hara.

Teori Kinetik Molekul Daya yang bertindak di antara dua molekul Daya yang bertindak antara dua molekul bergantung kepada jarak antara dua molekul. Molekul ialah struktur spatial kompleks yang mengandungi kedua-dua cas positif dan negatif. Jika jarak antara molekul cukup besar, maka daya tarikan antara molekul mendominasi. Pada jarak yang dekat, kuasa tolakan mendominasi.

Teori Kinetik Molekul Pada jarak tertentu r = r 0 daya interaksi hilang. Jarak ini boleh diambil secara bersyarat sebagai diameter molekul. Tenaga keupayaan interaksi pada r = r 0 adalah minimum. Untuk mengeluarkan dua molekul yang berada pada jarak r 0 antara satu sama lain, anda perlu memberi mereka tenaga tambahan E 0. Nilai E 0 dipanggil kedalaman telaga potensi atau tenaga pengikat. Molekul sangat kecil. Molekul monatomik ringkas bersaiz kira-kira 10–10 m. Molekul poliatomik kompleks boleh menjadi ratusan atau beribu kali lebih besar.

Teori Kinetik Molekul Tenaga kinetik gerakan terma meningkat dengan peningkatan suhu Pada suhu rendah, tenaga kinetik purata molekul boleh kurang daripada kedalaman telaga berpotensi E 0. Dalam kes ini, molekul terpeluwap menjadi cecair atau pepejal ; dalam kes ini, jarak purata antara molekul akan lebih kurang sama dengan r 0. Apabila suhu meningkat, tenaga kinetik purata molekul menjadi lebih besar daripada E 0, molekul terbang berasingan, dan bahan gas terbentuk.

Teori Molekul-Kinetik Keadaan agregat jirim Dalam pepejal, molekul melakukan getaran rawak di sekeliling pusat tetap (kedudukan keseimbangan) dalam pepejal. Pusat-pusat ini boleh terletak di angkasa dengan cara yang tidak teratur (badan amorf) atau membentuk struktur pukal yang teratur (badan kristal). Oleh itu, pepejal mengekalkan kedua-dua bentuk dan isipadu.

Teori Molekul-Kinetik Keadaan agregat jirim Dalam cecair, molekul mempunyai kebebasan yang lebih besar untuk pergerakan haba. Mereka tidak terikat pada pusat tertentu dan boleh bergerak sepanjang volum. Ini menerangkan kecairan cecair. Molekul cecair jarak rapat juga boleh membentuk struktur tersusun yang mengandungi beberapa molekul. Fenomena ini dipanggil susunan jarak dekat, berbeza dengan ciri susunan jarak jauh badan kristal. Oleh itu, cecair tidak mengekalkan bentuknya, tetapi mengekalkan isipadunya.

Teori kinetik molekul Keadaan agregat jirim Dalam gas, jarak antara molekul biasanya jauh lebih besar daripada saiznya. Daya interaksi antara molekul pada jarak yang begitu besar adalah kecil, dan setiap molekul bergerak sepanjang garis lurus sehingga perlanggaran seterusnya dengan molekul lain atau dengan dinding kapal. - Jarak purata antara molekul udara dalam keadaan normal adalah kira-kira 10–8 m, iaitu, sepuluh kali lebih besar daripada saiz molekul. Interaksi yang lemah antara molekul menerangkan keupayaan gas untuk mengembang dan mengisi keseluruhan isipadu kapal. Dalam had, apabila interaksi cenderung kepada sifar, kita datang kepada konsep gas ideal. Oleh itu, gas tidak mengekalkan bentuk atau isipadu.

Teori kinetik molekul Jumlah bahan Dalam teori kinetik molekul, jumlah bahan dianggap berkadar dengan bilangan zarah bahan. Unit kuantiti bahan dipanggil mol (mol). Mol ialah jumlah bahan yang mengandungi zarah (molekul) sebanyak atom 0.012 kg karbon 12 C. (Molekul karbon terdiri daripada satu atom) Oleh itu, satu mol sebarang bahan mengandungi bilangan zarah yang sama ( molekul). Nombor ini dipanggil pemalar Avogadro NA: NA = 6.02 1023 mol–1. Pemalar Avogadro ialah salah satu pemalar terpenting dalam teori kinetik molekul.

Teori kinetik molekul Jumlah bahan ν ditakrifkan sebagai nisbah bilangan N zarah (molekul) bahan kepada pemalar Avogadro NA: Jisim satu mol bahan biasanya dipanggil jisim molar M m 0 Jisim molar dinyatakan dalam kilogram per mol (kg/mol). Untuk bahan yang molekulnya terdiri daripada satu atom, istilah jisim atom sering digunakan. 1/12 daripada jisim atom isotop karbon 12 C (dengan nombor jisim 12) diambil sebagai unit jisim atom dan molekul. Unit ini dipanggil unit jisim atom (a.m.u.): 1 a.m. e.m. = 1.66 10–27 kg. Nilai ini hampir bertepatan dengan jisim proton atau neutron. Nisbah jisim atom atau molekul bahan tertentu kepada 1/12 jisim atom karbon 12 C dipanggil jisim relatif.

Teori Kinetik Molekul Model paling ringkas yang dipertimbangkan oleh teori kinetik molekul ialah model gas ideal: 1. Dalam model kinetik gas ideal, molekul 1. dianggap sebagai bola kenyal ideal yang berinteraksi antara satu sama lain dan dengan dinding hanya semasa perlanggaran kenyal. 2. Jumlah isipadu semua molekul diandaikan kecil berbanding 2. dengan isipadu bekas yang mengandungi gas. Model gas ideal menerangkan kelakuan gas sebenar dengan baik dalam pelbagai tekanan dan suhu. Tugas teori kinetik molekul adalah untuk mewujudkan hubungan antara mikroskopik (jisim, kelajuan mikroskopik, tenaga kinetik molekul) dan parameter makroskopik (tekanan, isipadu, parameter suhu makroskopik).

Teori Kinetik Molekul Hasil daripada setiap perlanggaran antara molekul dan molekul dengan dinding, halaju molekul boleh berubah dalam magnitud dan arah; pada selang masa antara perlanggaran berturut-turut, molekul bergerak secara seragam dan rectilinearly. Dalam model gas ideal, diandaikan bahawa semua perlanggaran berlaku mengikut undang-undang kesan elastik, iaitu, mereka mematuhi undang-undang mekanik Newtonian. Menggunakan model gas ideal, kami mengira tekanan gas pada dinding kapal. Dalam proses interaksi molekul dengan dinding kapal, timbul daya di antara mereka yang mematuhi undang-undang ketiga Newton. Akibatnya, unjuran υx halaju molekul, berserenjang dengan dinding, menukar tandanya kepada sebaliknya, manakala unjuran υy halaju, selari dengan dinding, kekal tidak berubah (Rajah).

Teori Kinetik Molekul Formula untuk tekanan purata gas pada dinding kapal ditulis sebagai Persamaan ini mewujudkan hubungan antara tekanan p gas ideal, jisim molekul m 0, kepekatan molekul n, nilai purata kuasa dua halaju dan tenaga kinetik purata bagi gerakan translasi molekul. Ini adalah persamaan asas bagi teori kinetik molekul gas.Oleh itu, tekanan gas adalah sama dengan dua pertiga daripada tenaga kinetik purata bagi gerakan translasi molekul yang terkandung dalam isipadu unit.

Teori Molekul-Kinetik Persamaan asas MCT gas termasuk hasil darab kepekatan molekul n dan tenaga kinetik purata gerakan translasi. Dalam kes ini, tekanan adalah berkadar dengan tenaga kinetik purata. Persoalan timbul: bagaimanakah seseorang secara eksperimen boleh mengubah tenaga kinetik purata pergerakan molekul dalam bekas isipadu tetap? Apakah kuantiti fizik yang mesti diubah untuk menukar purata tenaga kinetik? Pengalaman menunjukkan bahawa suhu adalah kuantiti sedemikian.

Suhu Teori Molekul-Kinetik Konsep suhu berkait rapat dengan konsep keseimbangan terma. Badan yang bersentuhan antara satu sama lain boleh bertukar tenaga. Tenaga yang dipindahkan dari satu jasad ke jasad lain semasa sentuhan haba dipanggil jumlah haba Q. Keseimbangan terma ialah keadaan sistem jasad dalam sentuhan haba di mana tiada pemindahan haba dari satu jasad ke jasad yang lain, dan semua parameter makroskopik mayat kekal tidak berubah. Suhu ialah parameter fizikal yang sama untuk suhu semua jasad dalam keseimbangan terma. Kemungkinan memperkenalkan konsep suhu mengikut pengalaman dan dipanggil undang-undang termodinamik sifar.

Suhu Teori Molekul-Kinetik Untuk mengukur suhu, instrumen fizikal digunakan - termometer, di mana nilai suhu dinilai dengan perubahan dalam beberapa parameter fizikal. Untuk mencipta termometer, perlu memilih bahan termometrik (contohnya, merkuri, alkohol) dan kuantiti termometrik yang mencirikan sifat bahan tersebut (contohnya, panjang lajur merkuri atau alkohol). Pelbagai reka bentuk termometer menggunakan pelbagai sifat fizikal bahan (contohnya, perubahan dalam dimensi linear pepejal atau perubahan dalam rintangan elektrik konduktor apabila dipanaskan). Termometer mesti ditentukur.

Teori kinetik molekul Tempat khas dalam fizik diduduki oleh termometer gas (Gamb.), di mana bahan termometrik adalah gas jarang (helium, udara) dalam bekas isipadu tetap (V = const), dan kuantiti termometri ialah tekanan gas p. Pengalaman menunjukkan bahawa tekanan gas (pada V = const) meningkat dengan peningkatan suhu, diukur dalam Celsius.

Teori Kinetik Molekul Untuk menentukur termometer gas isipadu malar, anda boleh mengukur tekanan pada dua suhu (contohnya, 0 °C dan 100 °C), plot titik p 0 dan p 100 pada graf, dan kemudian lukis garis lurus antara mereka (Gamb. ). Dengan menggunakan lengkung penentukuran yang diperolehi, suhu yang sepadan dengan tekanan lain boleh ditentukan. Dengan mengekstrapolasi graf ke kawasan tekanan rendah, adalah mungkin untuk mengekstrapolasi graf ke kawasan tekanan rendah untuk menentukan beberapa suhu "hipotesis" di mana tekanan gas akan menjadi sama dengan sifar. Pengalaman menunjukkan bahawa suhu ini bersamaan dengan -273.15 °C dan tidak bergantung kepada sifat-sifat gas. Dalam amalan, adalah mustahil untuk mendapatkan gas dalam keadaan dengan tekanan sifar dengan penyejukan, kerana pada suhu yang sangat rendah semua gas masuk ke dalam keadaan cecair atau pepejal.

Teori Molekular-kinetik Ahli fizik Inggeris W. Kelvin (Thomson) pada tahun 1848 mencadangkan menggunakan titik tekanan gas sifar untuk membina skala suhu baharu (skala Kelvin). Dalam skala ini, unit suhu adalah sama seperti dalam skala Celsius, tetapi titik sifar dialihkan: TK = TC + 273.15. Dalam sistem SI, unit suhu pada skala Kelvin dipanggil kelvin dan dilambangkan dengan huruf K. Sebagai contoh, suhu bilik TC \u003d 20 ° С pada skala Kelvin adalah sama dengan TK \u003d 293.15 K.

Teori Kinetik Molekul Skala suhu Kelvin dipanggil skala suhu mutlak. Ia ternyata merupakan skala suhu yang paling sesuai untuk membina teori fizikal. Tidak perlu mengikat skala Kelvin kepada dua titik tetap - takat lebur ais dan takat didih air pada tekanan atmosfera biasa, seperti biasa dalam skala Celsius. Sebagai tambahan kepada titik tekanan gas sifar, yang dipanggil sifar mutlak suhu, ia cukup untuk mengambil satu lagi titik rujukan tetap sebagai sifar mutlak suhu. Dalam skala Kelvin, suhu titik tiga air (0.01 ° C) digunakan sebagai titik sedemikian, di mana ketiga-tiga fasa berada dalam keseimbangan terma - ais, air dan wap. Pada skala Kelvin, suhu titik tiga diandaikan ialah 273.16 K.

Teori Molekul-kinetik Oleh itu, tekanan gas jarang di dalam bekas dengan isipadu tetap V berubah secara berkadaran langsung dengan suhu mutlaknya: p ~ T. T Sebaliknya, pengalaman menunjukkan bahawa dengan isipadu tetap V dan suhu T, gas perubahan tekanan dalam perkadaran terus kepada nisbah jumlah bahan ν dalam vesel tertentu kepada isipadu V vesel di mana N ialah bilangan molekul dalam vesel, NA ialah pemalar Avogadro, n = N / V ialah kepekatan daripada molekul (iaitu, bilangan molekul per unit isipadu kapal).

Teori Kinetik Molekul Menggabungkan hubungan perkadaran ini, kita boleh menulis: p = nk. T, dengan k ialah beberapa nilai malar yang universal untuk semua gas. Ia dipanggil pemalar Boltzmann, sebagai penghormatan kepada ahli fizik Austria L. Boltzmann, salah seorang pencipta MKT. Pemalar Boltzmann ialah salah satu pemalar fizikal asas. Nilai berangkanya dalam SI: k = 1.38 10–23 J/K.

Teori Kinetik Molekul Membandingkan nisbah p = nk. T dengan persamaan asas gas MKT, anda boleh mendapatkan: Purata tenaga kinetik pergerakan huru-hara molekul gas adalah berkadar terus dengan suhu mutlak. Oleh itu, suhu ialah ukuran tenaga kinetik purata bagi gerakan translasi molekul.Perlu diingat bahawa tenaga kinetik purata bagi gerakan translasi molekul tidak bergantung kepada jisimnya. Zarah Brownian yang terampai dalam cecair atau gas mempunyai tenaga kinetik purata yang sama dengan molekul individu, yang jisimnya banyak tertib magnitud kurang daripada jisim zarah Brown.

Teori Molekul-kinetik Kesimpulan ini juga terpakai kepada kes apabila vesel mengandungi campuran gas tidak berinteraksi secara kimia yang molekulnya mempunyai jisim yang berbeza. Dalam keadaan keseimbangan, molekul-molekul gas yang berbeza akan mempunyai tenaga kinetik purata pergerakan haba yang sama, hanya ditentukan oleh suhu campuran. Tekanan campuran gas pada dinding kapal akan menjadi jumlah tekanan separa setiap gas: p = p 1 + p 2 + p 3 + ... = (n 1 + n 2 + n 3 + ...)k. T Dalam nisbah ini, n 1, n 2, n 3, … ialah kepekatan molekul pelbagai gas dalam campuran. Hubungan ini menyatakan, dalam bahasa teori kinetik molekul, undang-undang Dalton yang ditubuhkan secara eksperimen pada awal abad ke-19: tekanan dalam campuran hukum Dalton bagi gas tidak berinteraksi secara kimia adalah sama dengan jumlah tekanan separanya.

Teori kinetik molekul Persamaan keadaan gas ideal Hubungan p = nk. T boleh ditulis dalam bentuk lain yang mewujudkan hubungan antara parameter makroskopik gas - isipadu V, tekanan p, suhu T dan jumlah bahan ν = m / M. M - Hubungan ini dipanggil persamaan keadaan gas ideal atau persamaan keadaan gas ideal Clapeyron–Mendeleev – Hasil darab pemalar Avogadro NA dan pemalar Boltzmann k dipanggil pemalar gas universal dan dilambangkan dengan huruf R. Nilai berangkanya dalam SI ialah: R = k ∙NA = 8.31 J/mol·K.

Teori kinetik molekul Persamaan keadaan gas ideal - Jika suhu gas ialah Tn = 273.15 K (0 ° C), dan tekanan pn = 1 atm = 1.013 105 Pa, maka mereka mengatakan bahawa gas berada dalam keadaan normal . Seperti berikut dari persamaan keadaan untuk gas ideal, satu mol mana-mana gas di bawah keadaan normal menduduki volum yang sama V 0 \u003d 0.0224 m 3 / mol \u003d 22.4 dm 3 / mol. Pernyataan ini dipanggil Hukum Avogadro.

Isoproses Teori Molekul-Kinetik Gas boleh mengambil bahagian dalam pelbagai proses terma, di mana semua parameter yang menerangkan keadaannya (p, V dan T) boleh berubah. Jika proses berjalan cukup perlahan, maka pada bila-bila masa sistem hampir kepada keadaan keseimbangannya. Proses sedemikian dipanggil kuasi-statik. Dalam skala masa separa statik biasa bagi kami, proses ini boleh diteruskan dengan tidak terlalu perlahan. Contohnya, rarefaction dan mampatan gas dalam gelombang bunyi, berlaku ratusan kali sesaat, boleh dianggap sebagai proses separa statik. Proses separa statik boleh digambarkan pada rajah keadaan (contohnya, dalam p, koordinat V) sebagai trajektori tertentu, setiap titik mewakili keadaan keseimbangan. Yang menarik ialah proses di mana salah satu parameter (p, V atau T) kekal tidak berubah. Proses sedemikian dipanggil isoproses.

Proses isoterma (T = const) Proses isoterma ialah proses kuasi statik yang berlaku pada suhu malar T. Ia mengikuti daripada persamaan gas ideal keadaan bahawa pada suhu malar T dan T, jumlah bahan ν yang tetap dalam kapal, hasil darab tekanan p gas dan isipadu pnya V mestilah kekal: p. V = const

Proses isoterma (T = const) Pada satah (p, V), proses isoterma diwakili pada pelbagai suhu T oleh keluarga hiperbola p ~ 1 / V, yang dipanggil isoterma. Persamaan proses isoterma diperoleh daripada eksperimen oleh ahli fizik Inggeris R. Boyle (1662) dan secara bebas oleh ahli fizik Perancis E. Mariotte (1676) Oleh itu, persamaan itu dipanggil undang-undang Boyle–Mariotte. T3 > T2 > T1

Proses Isokhorik (V = const) Proses isokhorik ialah satu proses pemanasan separa statik atau penyejukan gas pada isipadu tetap V dan dengan syarat jumlah bahan ν di dalam vesel kekal tidak berubah. Seperti berikut daripada persamaan keadaan gas ideal, di bawah keadaan ini, tekanan gas p berubah secara berkadaran langsung dengan suhu mutlaknya: p ~ T atau = const

Proses isochoric (V = const) Pada satah (p, T), proses isochoric untuk jumlah jirim tertentu ν untuk nilai volum V yang berbeza digambarkan oleh keluarga garis lurus yang dipanggil isochores. Nilai volum yang besar sepadan dengan isokor dengan cerun yang lebih kecil berkenaan dengan paksi suhu (Rajah). Kebergantungan tekanan gas pada suhu telah dikaji secara eksperimen oleh ahli fizik Perancis J. Charles (1787). Oleh itu, persamaan proses isokorik dipanggil hukum Charles. V3 > V2 > V1

Proses isobarik (p = const) Proses isobarik ialah proses kuasi statik yang berlaku pada tekanan malar p. Persamaan proses isobarik untuk jumlah malar tertentu bahan ν mempunyai bentuk: di mana V 0 ialah isipadu gas pada suhu 0 °C. Pekali α adalah sama dengan (1/273, 15) K– 1. αnya dipanggil pekali suhu pengembangan isipadu gas.

Proses isobarik (p = const) Pada satah (V, T), proses isobarik pada nilai tekanan p yang berbeza digambarkan oleh keluarga garis lurus (Rajah), yang dipanggil isobar. Kebergantungan isipadu gas pada suhu pada tekanan malar telah disiasat secara eksperimen oleh ahli fizik Perancis J. Gay-Lussac (1862). Oleh itu, persamaan proses isobarik dipanggil undang-undang Gay-Lussac. p3 > p2 > p1

Isoprocesses Undang-undang Boyle -Mariotte, Charles dan Gay-Lussac yang ditubuhkan secara eksperimen mendapati -Mariotte, Charles dan Gay-Lussac penjelasan dalam teori molekul-kinetik gas. Mereka adalah akibat daripada persamaan gas ideal keadaan.

Termodinamik Termodinamik ialah sains fenomena haba. Berbeza dengan teori kinetik molekul, yang membuat kesimpulan berdasarkan idea tentang struktur molekul sesuatu bahan, termodinamik berasal daripada undang-undang paling umum proses terma dan sifat sistem makroskopik. Kesimpulan termodinamik adalah berdasarkan satu set fakta eksperimen dan tidak bergantung pada pengetahuan kita tentang struktur dalaman jirim, walaupun dalam beberapa kes termodinamik menggunakan model kinetik molekul untuk menggambarkan kesimpulannya.

Termodinamik Termodinamik menganggap sistem terpencil jasad yang berada dalam keadaan keseimbangan termodinamik. Ini bermakna semua proses makroskopik yang diperhatikan telah terhenti dalam sistem sedemikian.

Termodinamik Jika sistem termodinamik telah terdedah kepada pengaruh luar, ia akhirnya akan berpindah ke keadaan keseimbangan yang lain. Peralihan sedemikian dipanggil proses termodinamik. Jika proses berjalan dengan cukup perlahan (tak terhingga perlahan dalam had), maka sistem pada setiap saat masa adalah hampir dengan keadaan keseimbangan. Proses yang terdiri daripada urutan keadaan keseimbangan dipanggil kuasi statik.

Termodinamik. Tenaga dalaman Salah satu konsep termodinamik yang paling penting ialah tenaga dalaman badan. Semua badan makroskopik mempunyai tenaga yang terkandung dalam badan itu sendiri. Dari sudut pandangan MKT, tenaga dalaman bahan ialah jumlah tenaga kinetik semua atom dan molekul dan tenaga potensi interaksi mereka antara satu sama lain. Khususnya, tenaga dalaman gas ideal adalah sama dengan jumlah tenaga kinetik semua zarah gas dalam gerakan terma berterusan dan rawak. Daripada ini mengikuti undang-undang Joule, disahkan oleh banyak eksperimen: Tenaga dalaman gas ideal hanya bergantung pada suhunya dan tidak bergantung pada isipadu.

Termodinamik. Tenaga dalaman MKT membawa kepada ungkapan berikut untuk tenaga dalaman satu mol gas monatomik yang ideal (helium, neon, dll.), yang molekulnya hanya melakukan gerakan translasi: Oleh kerana tenaga potensi interaksi molekul bergantung pada jarak antara mereka, dalam kes umum, tenaga dalaman U badan bergantung bersama-sama dengan suhu T, ia juga bergantung kepada isipadu V: T U = U (T, V) Oleh itu, tenaga dalaman U badan ditentukan secara unik oleh parameter makroskopik yang mencirikan keadaan badan. Ia tidak bergantung kepada bagaimana keadaan yang diberikan itu direalisasikan. Adalah kebiasaan untuk mengatakan bahawa tenaga dalaman adalah fungsi keadaan.

Termodinamik. Cara-cara mengubah tenaga dalaman Tenaga dalaman badan boleh berubah jika daya luaran yang bertindak ke atasnya berfungsi (positif atau negatif). kerja Contohnya, jika gas dimampatkan dalam silinder di bawah omboh, maka daya luar melakukan beberapa kerja positif A ke atas gas.

Termodinamik. Kaedah untuk menukar tenaga dalaman Tenaga dalaman badan boleh berubah bukan sahaja akibat kerja yang dilakukan, tetapi juga akibat pemindahan haba. Semasa sentuhan haba badan, tenaga dalaman salah satu daripada mereka boleh meningkat, manakala yang lain boleh berkurangan. Dalam kes ini, seseorang bercakap tentang aliran haba dari satu badan ke badan yang lain. Jumlah haba Q yang diterima oleh badan, Jumlah haba Q ialah perubahan tenaga dalaman badan akibat pemindahan haba.

Termodinamik. Cara-cara menukar tenaga dalaman Pemindahan tenaga dari satu jasad ke jasad yang lain dalam bentuk haba hanya boleh berlaku jika terdapat perbezaan suhu antaranya. Aliran haba sentiasa diarahkan dari jasad panas ke jasad sejuk.Jumlah haba Q ialah kuantiti tenaga. Dalam SI, jumlah haba diukur dalam unit kerja mekanikal - joule (J).

Termodinamik. Hukum pertama termodinamik aliran tenaga antara sistem termodinamik yang dipilih dan jasad sekeliling digambarkan secara bersyarat. Nilai Q > 0 jika aliran haba Q > 0 dihalakan ke arah sistem termodinamik. Nilai A > 0 jika sistem melakukan kerja positif A > 0 pada badan sekeliling. Jika sistem menukar haba dengan badan sekeliling dan berfungsi (positif atau negatif), maka keadaan sistem berubah, keadaan sistem berubah, iaitu, parameter makroskopik (suhu, tekanan, isipadu) berubah.

Termodinamik. Undang-undang pertama termodinamik Memandangkan tenaga dalaman U secara unik ditentukan oleh parameter makroskopik yang mencirikan keadaan sistem, maka proses pemindahan haba dan kerja disertai dengan perubahan dalam tenaga dalaman sistem ΔU.

Termodinamik. Undang-undang pertama termodinamik Undang-undang pertama termodinamik ialah generalisasi undang-undang pemuliharaan dan transformasi tenaga untuk sistem termodinamik. Ia dirumuskan seperti berikut: Perubahan ΔU tenaga dalaman sistem termodinamik tidak terpencil adalah sama dengan perbezaan antara jumlah haba Q yang dipindahkan ke sistem dan kerja A yang dilakukan oleh sistem pada jasad luar. ΔU = Q - A Hubungan yang menyatakan hukum pertama termodinamik selalunya ditulis dalam bentuk yang berbeza: Q = ΔU + A Jumlah haba yang diterima oleh sistem akan menukar tenaga dalamannya dan melakukan kerja pada jasad luar.

Termodinamik. Hukum pertama termodinamik Mari kita gunakan hukum pertama termodinamik kepada isoproses dalam gas. Dalam proses isochoric (V = const), gas tidak berfungsi, A = 0. Oleh itu, Q = ΔU = U (T 2) - U (T 1). Di sini U (T 1) dan U (T 2) ialah tenaga dalaman gas dalam keadaan awal dan akhir. Tenaga dalaman gas ideal hanya bergantung pada suhu (hukum Joule). Semasa pemanasan isochorik, haba diserap oleh gas (Q > 0), dan tenaga dalamannya bertambah. Semasa penyejukan, haba dilepaskan kepada badan luar (Q 0 - haba diserap oleh gas, dan gas melakukan kerja positif. Dengan mampatan isobarik Q

Enjin haba. Kitaran termodinamik. Kitar Carnot Enjin haba ialah peranti yang mampu menukar jumlah haba yang diterima kepada kerja mekanikal. Kerja mekanikal dalam enjin haba dilakukan dalam proses pengembangan bahan tertentu, yang dipanggil cecair kerja. Sebagai cecair kerja, bahan gas (wap petrol, udara, wap air) biasanya digunakan. Badan kerja menerima (atau memberikan) tenaga haba dalam proses pertukaran haba dengan badan yang mempunyai bekalan tenaga dalaman yang besar. Badan ini dipanggil takungan haba. Enjin haba yang benar-benar sedia ada (enjin stim, enjin pembakaran dalaman, dll.) beroperasi secara kitaran. Proses pemindahan haba dan penukaran jumlah haba yang diterima ke dalam kerja diulang secara berkala. Untuk melakukan ini, bendalir kerja mesti melakukan proses bulat atau kitaran termodinamik, di mana keadaan awal dipulihkan secara berkala.

Enjin haba. Kitaran termodinamik. Kitaran Carnot Ciri biasa semua proses pekeliling ialah ia tidak boleh dijalankan dengan membawa bendalir kerja ke dalam sentuhan haba dengan hanya satu takungan haba. Mereka memerlukan sekurang-kurangnya dua. Takungan haba dengan suhu yang lebih tinggi dipanggil pemanas, dan takungan haba dengan suhu yang lebih rendah dipanggil peti sejuk. Membuat proses bulat, bendalir kerja menerima dari pemanas sejumlah haba Q 1 > 0 dan memberikan lebih sejuk jumlah haba Q 2

Enjin haba. Kitaran termodinamik. Kitar Carnot Kerja A yang dilakukan oleh bendalir kerja setiap kitaran adalah sama dengan jumlah haba Q yang diterima setiap kitaran. Nisbah kerja A kepada jumlah haba Q 1 yang diterima oleh bendalir kerja setiap kitaran daripada pemanas dipanggil kecekapan η enjin haba:

Enjin haba. Kitaran termodinamik. Kitaran Carnot Pekali kecekapan menunjukkan bahagian mana tenaga haba yang diterima oleh bendalir kerja daripada takungan terma "panas" telah bertukar menjadi kerja yang berguna. Selebihnya (1 - η) "tidak berguna" dipindahkan ke peti sejuk. (1 – η) Kecekapan enjin haba sentiasa kurang daripada satu (η 0, A > 0, Q 2 T 2

Enjin haba. Kitaran termodinamik. Kitaran Carnot Pada tahun 1824, jurutera Perancis S. Carnot menganggap proses bulat yang terdiri daripada dua isoterma dan dua adiabat, yang memainkan peranan penting dalam pembangunan teori proses haba. Ia dipanggil kitaran Carnot (Rajah 3. 11. 4).

Enjin haba. Kitaran termodinamik. Kitar Carnot Kitar Carnot dilakukan oleh gas dalam silinder di bawah omboh. Dalam bahagian isoterma (1–2), gas dibawa ke dalam sentuhan terma dengan takungan terma panas (pemanas) yang mempunyai suhu T 1. Gas mengembang secara isoterma, melakukan kerja A 12, manakala sejumlah haba Q 1 = A 12 dibekalkan kepada gas. Selanjutnya dalam bahagian adiabatik (2–3), gas diletakkan dalam cangkerang adiabatik dan terus mengembang tanpa adanya pemindahan haba. Dalam bahagian ini, gas melakukan kerja A 23 > 0. Semasa pengembangan adiabatik, suhu gas turun kepada nilai T 2. Dalam bahagian isoterma seterusnya (3–4), gas dibawa ke dalam sentuhan terma dengan takungan haba sejuk (peti sejuk) pada suhu T 2

Ketakterbalikan proses terma. Hukum kedua termodinamik. Undang-undang pertama termodinamik - undang-undang pemuliharaan tenaga untuk proses terma - mewujudkan hubungan antara jumlah haba Q yang diterima oleh sistem, perubahan ΔU tenaga dalamannya dan kerja A yang dilakukan pada badan luar: Q = ΔU + A Menurut undang-undang ini, tenaga tidak boleh dicipta atau dimusnahkan; ia dipindahkan dari satu sistem ke sistem yang lain dan diubah daripada satu bentuk kepada bentuk yang lain. Proses yang melanggar undang-undang pertama termodinamik tidak pernah diperhatikan. Pada rajah. peranti yang digambarkan dilarang oleh undang-undang pertama termodinamik Enjin haba yang beroperasi secara kitaran dilarang oleh undang-undang pertama termodinamik: 1 - mesin gerakan kekal jenis pertama, melakukan kerja tanpa menggunakan tenaga dari luar; 2 - enjin haba dengan kecekapan η > 1

Ketakterbalikan proses terma. Hukum kedua termodinamik. Hukum pertama termodinamik tidak menetapkan arah proses terma.Hukum pertama proses termodinamik. Walau bagaimanapun, seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman, banyak proses haba boleh diteruskan hanya dalam satu arah. Proses sedemikian dipanggil tidak dapat dipulihkan. Sebagai contoh, semasa sentuhan terma dua jasad dengan suhu yang berbeza, aliran haba sentiasa diarahkan dari badan yang lebih panas kepada yang lebih sejuk. Proses pemindahan haba secara spontan daripada jasad dengan suhu rendah ke jasad dengan suhu lebih tinggi tidak pernah diperhatikan. Oleh itu, proses pemindahan haba pada perbezaan suhu terhingga tidak dapat dipulihkan. Proses boleh balik ialah proses peralihan sistem dari satu keadaan keseimbangan ke keadaan keseimbangan yang lain, yang boleh dijalankan dalam arah yang bertentangan melalui urutan keadaan keseimbangan pertengahan yang sama. Dalam kes ini, sistem itu sendiri dan badan di sekelilingnya kembali ke keadaan asalnya. Proses di mana sistem sentiasa berada dalam keadaan keseimbangan dipanggil kuasi statik. Semua proses kuasi statik boleh diterbalikkan. Semua proses boleh balik adalah separa statik.

Ketakterbalikan proses terma. Hukum kedua termodinamik. Proses menukar kerja mekanikal kepada tenaga dalaman badan tidak dapat dipulihkan kerana kehadiran geseran, proses resapan dalam gas dan cecair, proses pencampuran gas dengan adanya perbezaan tekanan awal, dan lain-lain. Semua proses sebenar tidak dapat dipulihkan, tetapi ia boleh mendekati proses boleh balik sedekat yang anda suka. Proses boleh balik adalah idealisasi proses sebenar. Undang-undang pertama termodinamik tidak dapat membezakan proses boleh balik daripada proses tak boleh balik. Ia hanya memerlukan keseimbangan tenaga tertentu daripada proses termodinamik dan tidak mengatakan apa-apa tentang sama ada proses sedemikian mungkin atau tidak.

Ketakterbalikan proses terma. Hukum kedua termodinamik. Arah proses yang berlaku secara spontan menetapkan hukum kedua termodinamik. Ia boleh dirumuskan dalam termodinamik sebagai larangan ke atas beberapa jenis proses termodinamik. Ahli fizik Inggeris W. Kelvin memberikan rumusan berikut bagi undang-undang kedua pada tahun 1851: undang-undang kedua Dalam enjin haba yang beroperasi secara kitaran, satu proses adalah mustahil, satu-satunya hasil yang akan menjadi penukaran kepada kerja mekanikal keseluruhan jumlah haba diterima daripada satu takungan haba.

Ketakterbalikan proses terma. Hukum kedua termodinamik. Ahli fizik Jerman R. Clausius memberikan rumusan yang berbeza bagi undang-undang kedua termodinamik: Satu proses adalah mustahil, satu-satunya hasil yang akan menjadi pemindahan tenaga melalui pemindahan haba dari jasad dengan suhu rendah ke jasad dengan suhu lebih tinggi. . Pada rajah. proses yang dilarang oleh undang-undang kedua, tetapi tidak dilarang oleh undang-undang pertama termodinamik, digambarkan. Proses ini sepadan dengan dua rumusan undang-undang kedua termodinamik. 1 - mesin gerakan kekal jenis kedua; 2 - pemindahan haba secara spontan dari badan yang sejuk kepada yang lebih panas (peti sejuk yang ideal)

Fenomena berlaku dalam alam semula jadi yang secara luaran sangat berkaitan secara tidak langsung dengan gerakan mekanikal. Ia diperhatikan apabila suhu badan berubah atau apabila bahan berpindah dari satu keadaan (contohnya, cecair) ke keadaan lain (pepejal atau gas). Fenomena sedemikian dipanggil terma.

Fenomena terma memainkan peranan yang besar dalam kehidupan manusia, haiwan dan tumbuhan. Kemungkinan hidup di Bumi bergantung pada suhu persekitaran. Perubahan suhu bermusim menentukan irama hidupan liar - pada musim sejuk, kehidupan tumbuhan membeku, banyak haiwan hibernate. Pada musim bunga, alam semula jadi terbangun, padang rumput menjadi hijau, pokok-pokok mekar.

Perubahan suhu menjejaskan sifat badan. Apabila dipanaskan dan disejukkan, isipadu cecair dan gas serta dimensi pepejal berubah.

Fenomena terma mematuhi undang-undang tertentu, pengetahuan yang memungkinkan untuk menggunakan fenomena ini dalam teknologi dan dalam kehidupan seharian. Enjin haba moden, unit penyejukan, saluran paip gas dan peranti lain beroperasi berdasarkan undang-undang ini.

Fizik molekul dan termodinamik

Fizik molekul dan termodinamik mengkaji tingkah laku sistem yang terdiri daripada sejumlah besar zarah.

DEFINISI

Fizik molekul- cabang fizik yang mengkaji sifat fizikal jasad dalam pelbagai keadaan pengagregatan berdasarkan pertimbangan struktur molekulnya.

Fizik molekul mempertimbangkan struktur dan sifat gas, cecair, pepejal, perubahan bersama mereka, serta perubahan yang berlaku dalam struktur dan tingkah laku dalaman apabila keadaan luaran berubah.

DEFINISI

Termodinamik- cabang fizik yang mengkaji sifat sistem badan yang berinteraksi dengan menganalisis keadaan dan hubungan kualitatif transformasi tenaga yang berlaku dalam sistem.

Perbezaan antara fizik molekul (atau statistik) dan termodinamik ialah kedua-dua cabang fizik ini mempertimbangkan fenomena haba dari sudut pandangan yang berbeza dan menggunakan kaedah yang berbeza.

Fizik molekul menetapkan undang-undang mengikut mana pelbagai proses berjalan dalam badan berdasarkan kajian struktur molekul mereka dan mekanisme interaksi molekul individu antara satu sama lain. Termodinamik mengkaji sifat-sifat jasad tanpa mengambil kira fenomena molekul yang berlaku di dalamnya.

Kegunaan fizik molekul kaedah statistik, yang menganggap pergerakan dan interaksi molekul secara keseluruhan, dan bukan setiap molekul secara khusus.

Termodinamik menikmati kaedah termodinamik, yang mempertimbangkan semua proses dari segi penukaran tenaga. Tidak seperti kaedah statistik, kaedah termodinamik tidak dikaitkan dengan sebarang idea khusus tentang struktur dalaman jasad dan sifat pergerakan molekul yang membentuk jasad ini. Undang-undang termodinamik diwujudkan secara empirik dalam kajian penggunaan haba secara optimum untuk melakukan kerja.

Fizik molekul. Termodinamik.

1.Kaedah statistik dan termodinamik

2.Teori molekul-kinetik gas ideal

2.1 Definisi asas

2.2. Undang-undang eksperimen gas ideal

2.3 Persamaan keadaan gas ideal (persamaan Clapeyron-Mendeleev

2.4.Persamaan asas teori kinetik molekul bagi gas ideal

2.5 Pengagihan Maxwell

2.6 Pengagihan Boltzmann

3. Termodinamik

3.1 Tenaga dalaman. Hukum pengagihan seragam tenaga ke atas darjah kebebasan

3.2 Hukum pertama termodinamik

3.3 Kerja gas apabila menukar isipadunya

3.4 Kapasiti haba

3.5 Undang-undang pertama termodinamik dan isoproses

3.5.1 Proses Isokhorik (V = const)

3.5.2 Proses isobarik (p = const)

3.5.3 Proses isoterma (T = const)

3.5.4. Proses adiabatik (dQ = 0)

3.5.5. Proses politropik

3.6.Proses bulatan (kitaran). Proses boleh balik dan tidak boleh balik. Kitaran Carnot.

3.7.Hukum kedua termodinamik

3.8 Gas sebenar

3.8.1 Daya interaksi antara molekul

3.8.2 Persamaan Van der Waals

3.8.3 Tenaga dalaman gas sebenar

3.8.4 Kesan Joule-Thomson. Pencairan gas.

1.Kaedah statistik dan termodinamik

Fizik molekul dan termodinamik - cabang fizik yang mengkajiproses makroskopik dikaitkan dengan sejumlah besar atom dan molekul yang terkandung dalam badan. Untuk mengkaji proses ini, dua kaedah asas yang berbeza (tetapi saling melengkapi) digunakan: statistik (kinetik molekul) Dantermodinamik.

Fizik molekul - cabang fizik yang mengkaji struktur dan sifat jirim berdasarkan konsep kinetik molekul berdasarkan fakta bahawa semua jasad terdiri daripada molekul dalam gerakan kacau yang berterusan. Proses yang dikaji oleh fizik molekul adalah hasil daripada tindakan gabungan sejumlah besar molekul. Undang-undang tingkah laku sejumlah besar molekul dikaji menggunakankaedah statistik , yang berdasarkan apa sifatsistem makroskopik ditentukan oleh sifat zarah sistem, ciri pergerakannya, dan nilai purata ciri dinamik zarah ini (kelajuan, tenaga, dll.). Sebagai contoh, suhu badan ditentukan oleh kelajuan purata pergerakan kacau molekulnya, dan seseorang tidak boleh bercakap tentang suhu satu molekul.

Termodinamik - cabang fizik yang mengkaji sifat umum sistem makroskopik dalamkeadaan keseimbangan termodinamik , dan proses peralihan antara negeri ini. Termodinamik tidak mengambil kira mikroproses , yang mendasari transformasi ini, tetapi berdasarkan dua prinsip termodinamik - undang-undang asas yang ditubuhkan secara eksperimen.

Kaedah statistik fizik tidak boleh digunakan dalam banyak bidang fizik dan kimia, manakala kaedah termodinamik adalah universal. Walau bagaimanapun, kaedah statistik membolehkan untuk mewujudkan struktur mikroskopik bahan, manakala kaedah termodinamik hanya mewujudkan hubungan antara sifat makroskopik. Teori kinetik molekul dan termodinamik saling melengkapi, membentuk satu keseluruhan, tetapi berbeza dalam kaedah penyelidikan.

2.Teori molekul-kinetik gas ideal

2.1 Definisi asas

Objek kajian dalam teori kinetik molekul ialah gas. Adalah dipercayai bahawa molekul gas, membuat pergerakan rawak, tidak terikat oleh daya interaksi dan oleh itu mereka bergerak bebas, berusaha, akibat perlanggaran, untuk berselerak ke semua arah, mengisi keseluruhan volum yang diberikan kepada mereka. Oleh itu, gas mengambil isipadu kapal yang diduduki oleh gas.

Gas ideal ialah gas yang: isipadu intrinsik molekulnya boleh diabaikan berbanding dengan isipadu vesel; tiada daya interaksi antara molekul gas; perlanggaran molekul gas antara satu sama lain dan dengan dinding kapal adalah benar-benar elastik. Bagi kebanyakan gas sebenar, model gas ideal menerangkan dengan baik sifat makronya.

Sistem termodinamik - satu set badan makroskopik yang berinteraksi dan bertukar-tukar tenaga di antara mereka sendiri dan dengan badan lain (persekitaran luaran).

Keadaan sistem- satu set kuantiti fizik (parameter termodinamik, parameter keadaan) , yang mencirikan sifat sistem termodinamik:suhu, tekanan, isipadu tertentu.

Suhu- kuantiti fizik yang mencirikan keadaan keseimbangan termodinamik sistem makroskopik. Dalam sistem SI, penggunaannya dibenarkan termodinamik Dan skala suhu praktikal .Dalam skala termodinamik, titik tiga air (suhu di mana ais, air dan wap pada tekanan 609 Pa berada dalam keseimbangan termodinamik) dianggap sama dengan T = 273.16 darjah Kelvin[K]. Dalam skala praktikal, takat beku dan takat didih air pada tekanan 101300 Pa dianggap sama, masing-masing, t \u003d 0 dan t \u003d 100 darjah Celsius [C].Suhu ini dikaitkan dengan hubungan

Suhu T = 0 K dipanggil sifar Kelvin, mengikut konsep moden, suhu ini tidak dapat dicapai, walaupun adalah mungkin untuk mendekatinya sedekat yang anda suka.

Tekanan - kuantiti fizik ditentukan oleh daya normal F bertindak dari sisi gas (cecair) pada satu kawasan yang diletakkan di dalam gas (cecair) p = F/S, dengan S ialah saiz kawasan. Unit tekanan ialah pascal [Pa]: 1 Pa adalah sama dengan tekanan yang dicipta oleh daya 1 N, teragih seragam ke atas permukaan normal dengan keluasan 1 m 2 (1 Pa = 1 N / m 2).

Isipadu tertentuialah isipadu per unit jisim v = V/m = 1/r, dengan V ialah isipadu jisim m, r ialah ketumpatan jasad homogen. Oleh kerana v ~ V untuk jasad homogen, sifat makroskopik jasad homogen boleh dicirikan oleh kedua-dua v dan V.

Proses termodinamik - sebarang perubahan dalam sistem termodinamik yang membawa kepada perubahan dalam sekurang-kurangnya satu daripada parameter termodinamiknya.Keseimbangan termodinamik- keadaan sistem makroskopik sedemikian, apabila parameter termodinamiknya tidak berubah dari semasa ke semasa.Proses keseimbangan - proses yang berjalan sedemikian rupa sehingga perubahan dalam parameter termodinamik dalam tempoh masa yang terhad adalah sangat kecil.

isoproses adalah proses keseimbangan di mana salah satu parameter utama keadaan kekal malar.proses isobarik - proses yang berlaku pada tekanan malar (dalam koordinat V,t dia digambarkanisobar ). Proses Isokhorik- proses yang berlaku pada isipadu tetap (dalam koordinat p,t dia digambarkanisochore ). Proses isoterma - proses yang berlaku pada suhu malar (dalam koordinat p,V dia digambarkanisoterma ). proses adiabatikialah proses di mana tiada pertukaran haba antara sistem dan persekitaran (dalam koordinat p,V dia digambarkanadiabatik ).

Malar (nombor) Avogadro - bilangan molekul dalam satu mol N A \u003d 6.022. 10 23 .

Keadaan biasa: p = 101300 Pa, T = 273.16 K.