คุณสามารถรับใบรับรองได้จากหลักสูตรออนไลน์

หลักสูตรนี้จะตรวจสอบแนวคิดหลักและวิธีการของอุณหพลศาสตร์และฟิสิกส์โมเลกุลซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของหลักสูตรฟิสิกส์ทั่วไปที่สอนให้กับนักศึกษาที่สถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีมอสโก ประการแรก เราจะแนะนำปริมาณ แนวคิด และสมมุติฐานทางอุณหพลศาสตร์พื้นฐาน พิจารณาความสัมพันธ์ทางอุณหพลศาสตร์พื้นฐาน การบรรยายแยกกันเน้นไปที่ทฤษฎีการเปลี่ยนเฟส แบบจำลองก๊าซ Van Der Waals และปรากฏการณ์พื้นผิว แนวคิดพื้นฐานของฟิสิกส์เชิงสถิติมีดังนี้: ไมโครและมาโครสเตตของระบบ, ฟังก์ชันพาร์ติชัน, ฟังก์ชันการกระจาย ฯลฯ มีการพูดคุยถึงการแจกแจงของ Maxwell, Boltzmann, Gibbs นำเสนอองค์ประกอบของทฤษฎีความจุความร้อนของก๊าซ นิพจน์ได้มาจากความผันผวนของปริมาณทางอุณหพลศาสตร์พื้นฐาน คำอธิบายของกระบวนการโมเลกุลในก๊าซ ได้แก่ กระบวนการถ่ายโอน การแพร่กระจาย และการนำความร้อน

เกี่ยวกับหลักสูตร

หลักสูตรออนไลน์ประกอบด้วยการอภิปรายเกี่ยวกับปัญหาทางกายภาพขั้นพื้นฐาน การวิเคราะห์ปัญหา และการสาธิตการทดลองทางกายภาพ โดยที่ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับฟิสิกส์ทั่วไปจะเป็นไปไม่ได้ เพื่อให้เชี่ยวชาญหลักสูตรออนไลน์ได้สำเร็จ ขอแนะนำให้นักเรียนรู้หลักสูตรฟิสิกส์ทั่วไป: "กลศาสตร์" และเชี่ยวชาญพื้นฐานของการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ รู้พื้นฐานของพีชคณิตเชิงเส้นและทฤษฎีความน่าจะเป็น

รูปแบบ

หลักสูตรออนไลน์ประกอบด้วยเนื้อหาทางทฤษฎี การสาธิตการทดลองทางอุณหพลศาสตร์ที่สำคัญซึ่งจำเป็นสำหรับความเข้าใจที่ถูกต้องเกี่ยวกับปรากฏการณ์ การวิเคราะห์วิธีแก้ปัญหาทั่วไป แบบฝึกหัด และงานสำหรับการแก้ปัญหาอย่างอิสระ

สัปดาห์ที่เจ็ด, สิบสามและสิบแปดประกอบด้วยแบบทดสอบเพื่อตรวจสอบ

โปรแกรมหลักสูตร

สัปดาห์ที่ 1
แนวคิดพื้นฐานของฟิสิกส์โมเลกุลและอุณหพลศาสตร์: หัวข้อการวิจัย คุณลักษณะเฉพาะ ปัญหาฟิสิกส์โมเลกุล สมการของรัฐ แรงดันแก๊สในอุดมคติเป็นฟังก์ชันของพลังงานจลน์ของโมเลกุล ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิของก๊าซในอุดมคติกับพลังงานจลน์ของโมเลกุล กฎของก๊าซในอุดมคติ สมการสถานะของก๊าซในอุดมคติ กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์กึ่งคงที่ ผันกลับได้ และกลับไม่ได้ กฎแห่งอุณหพลศาสตร์เป็นศูนย์ งาน ความร้อน พลังงานภายใน กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ ความจุความร้อน ความจุความร้อนของก๊าซในอุดมคติที่ปริมาตรคงที่และความดันคงที่ สมการของเมเยอร์ กระบวนการอะเดียแบติกและโพลีทรอปิก สมการโพลิทรอปิกสำหรับก๊าซในอุดมคติ กระบวนการอะเดียแบติกและโพลีทรอปิก ความเป็นอิสระของพลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติจากปริมาตร

สัปดาห์ที่ 2
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ การกำหนดหลักการที่สอง เครื่องระบายความร้อน การกำหนดประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน วงจรการ์โนต์ ทฤษฎีบทของการ์โนต์ ความไม่เท่าเทียมกันของซานตาคลอส ประสิทธิภาพสูงสุดของวัฏจักรการ์โนต์เมื่อเปรียบเทียบกับวัฏจักรอุณหพลศาสตร์อื่นๆ เครื่องทำความเย็น. ประสิทธิภาพของเครื่องทำความเย็น ปั๊มความร้อน ประสิทธิภาพการทำงานของปั๊มความร้อนตามวัฏจักรการ์โนต์ ความสัมพันธ์ระหว่างปั๊มความร้อนและปัจจัยประสิทธิภาพเครื่องทำความเย็น

สัปดาห์ที่ 3
คำจำกัดความทางอุณหพลศาสตร์ของเอนโทรปี กฎการเพิ่มเอนโทรปี เอนโทรปีของก๊าซในอุดมคติ เอนโทรปีในกระบวนการที่ย้อนกลับได้และไม่สามารถย้อนกลับได้ การขยายตัวแบบอะเดียแบติกของก๊าซในอุดมคติไปสู่สุญญากาศ สมการรวมของหลักการที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์ กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ การเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีและความจุความร้อนเมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์

สัปดาห์ที่ 4
ฟังก์ชันทางอุณหพลศาสตร์ คุณสมบัติของฟังก์ชันทางอุณหพลศาสตร์ งานสูงสุดและต่ำสุด การแปลงฟังก์ชันทางอุณหพลศาสตร์ ความสัมพันธ์ของแม็กซ์เวลล์ การพึ่งพาพลังงานภายในกับปริมาตร การขึ้นอยู่กับความจุความร้อนต่อปริมาตร ความสัมพันธ์ระหว่างซีพีและซีวี คุณสมบัติทางอุณหฟิสิกส์ของของแข็ง อุณหพลศาสตร์ของการเสียรูปของของแข็ง การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิระหว่างแรงตึงอะเดียแบติกของแท่งยางยืด การขยายตัวเนื่องจากความร้อนอันเป็นผลมาจากการสั่นสะเทือนแบบแอนฮาร์โมนิกในโครงตาข่าย สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของแกน

สัปดาห์ที่ 5
สภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ การแปลงเฟส การเปลี่ยนเฟสของประเภทที่หนึ่งและสอง ศักยภาพทางเคมี สภาวะสมดุลของเฟส กราฟสมดุลเฟส สมการคลาเปรอง-คลอเซียส แผนภาพสถานะของระบบไอของเหลวสองเฟส การขึ้นอยู่กับความร้อนของการเปลี่ยนเฟสกับอุณหภูมิ จุดวิกฤติ. สามจุด. แผนภาพน้ำแข็ง-น้ำ-ไอน้ำ ปรากฏการณ์พื้นผิว อุณหพลศาสตร์พื้นผิว พลังงานอิสระของพื้นผิว มุมขอบ. เปียกและไม่เปียก สูตรของลาปลาส การขึ้นอยู่กับความดันไอต่อความโค้งของพื้นผิวของเหลว เดือด. บทบาทของนิวเคลียสในการสร้างเฟสใหม่

สัปดาห์ที่ 6
ก๊าซ Van der Waals ที่เป็นแบบจำลองของก๊าซจริง ไอโซเทอร์มของก๊าซฟาน เดอร์ วาลส์ สถานะที่สามารถแพร่กระจายได้ ของเหลวร้อนยวดยิ่งและไอน้ำเย็นยวดยิ่ง กฎของแมกซ์เวลล์และกฎแห่งการใช้ประโยชน์ พารามิเตอร์วิกฤตและสมการสถานะรีดิวซ์ของก๊าซแวนเดอร์วาลส์ พลังงานภายในของก๊าซฟาน เดอร์ วาลส์ สมการอะเดียแบติกของก๊าซแวนเดอร์วาลส์ เอนโทรปีของก๊าซฟาน เดอร์ วาลส์ ความเร็วของเสียงในก๊าซ ความเร็วของการไหลของก๊าซจากหลุม เอฟเฟ็กต์จูล-ทอมสัน การขยายตัวแบบอะเดียแบติก การควบคุมปริมาณ รับอุณหภูมิต่ำ

สัปดาห์ที่ 7
กำลังตรวจสอบ

สัปดาห์ที่ 8
รูปแบบแบบไดนามิกและทางสถิติ สภาวะที่มองเห็นด้วยตาเปล่าและด้วยกล้องจุลทรรศน์ พื้นที่เฟส. องค์ประกอบของทฤษฎีความน่าจะเป็น สภาวะการทำให้เป็นมาตรฐาน ค่าเฉลี่ยและความแปรปรวน กฎหมายการกระจายแบบทวินาม การกระจายปัวซอง การกระจายตัวแบบเกาส์เซียน

สัปดาห์ที่ 9
การกระจายแม็กซ์เวลล์ การกระจายตัวของอนุภาคตามองค์ประกอบความเร็วและค่าความเร็วสัมบูรณ์ ความเร็วกำลังสองเฉลี่ยและค่าเฉลี่ยรากที่เป็นไปได้มากที่สุด การกระจายพลังงานของแมกซ์เวลล์ จำนวนผลกระทบโดยเฉลี่ยที่โมเลกุลชนกันต่อหน่วยเวลาด้วยพื้นที่หนึ่งหน่วย พลังงานเฉลี่ยของโมเลกุลที่หนีเข้าไปในสุญญากาศผ่านรูเล็กๆ ในภาชนะ

สัปดาห์ที่ 10
การกระจายตัวของ Boltzmann ในสนามพลังสม่ำเสมอ สูตรบารอมิเตอร์ ไมโครและมาโครสเตต น้ำหนักทางสถิติของมาโครสเตต คำจำกัดความทางสถิติของเอนโทรปี เอนโทรปีระหว่างการผสมก๊าซ กิ๊บส์ พาราด็อกซ์ แนวคิดของการแจกแจงกิ๊บส์ ผลรวมทางสถิติและการนำไปใช้เพื่อค้นหาพลังงานภายใน อุณหภูมิทางสถิติ

สัปดาห์ที่ 11
ความผันผวน ค่าเฉลี่ยของพลังงานและการกระจายตัว (หมายถึงความผันผวนของกำลังสอง) ของพลังงานอนุภาค ความผันผวนของปริมาณทางอุณหพลศาสตร์ ความผันผวนของอุณหภูมิในปริมาตรคงที่ ความผันผวนของปริมาตรในกระบวนการไอโซเทอร์มอลและอะเดียแบติก ความผันผวนของปริมาณทางกายภาพของสารเติมแต่ง ขึ้นอยู่กับความผันผวนของจำนวนอนุภาคที่ประกอบเป็นระบบ

สัปดาห์ที่ 12
ความจุความร้อน ทฤษฎีคลาสสิกของความจุความร้อน กฎการกระจายพลังงานความร้อนที่เคลื่อนที่สม่ำเสมอตลอดดีกรีอิสระ ความจุความร้อนของผลึก (กฎหมาย Dulong-Petit) องค์ประกอบของทฤษฎีควอนตัมของความจุความร้อน ลักษณะอุณหภูมิ ขึ้นอยู่กับความจุความร้อนกับอุณหภูมิ

สัปดาห์ที่ 13
การชนกัน ภาพตัดขวางจลนศาสตร์ของแก๊สที่มีประสิทธิภาพ ความยาวเส้นทางฟรี การกระจายตัวของโมเลกุลโดยวิถีอิสระเฉลี่ย จำนวนการชนกันระหว่างโมเลกุล ปรากฏการณ์การขนส่ง: ความหนืด การนำความร้อน และการแพร่กระจาย กฎของฟิคและฟูริเยร์ ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืด การนำความร้อน และการแพร่ของก๊าซ

สัปดาห์ที่ 14
การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน ความคล่องตัว กฎของไอน์สไตน์-สโมลูโควสกี้ ความสัมพันธ์ระหว่างการเคลื่อนที่ของอนุภาคกับสัมประสิทธิ์การแพร่ ปรากฏการณ์การขนส่งในก๊าซทำให้บริสุทธิ์ คนุดเซ่นเอฟเฟ็กต์ การไหลบ่า การไหลของก๊าซหายากผ่านท่อตรง

สัปดาห์ที่ 15
กำลังตรวจสอบ

ผลการเรียนรู้

จากการศึกษาสาขาวิชา “อุณหพลศาสตร์” นักศึกษาจะต้อง:

• ทราบ:
  • แนวคิดพื้นฐานที่ใช้ในฟิสิกส์โมเลกุล อุณหพลศาสตร์
  • ความหมายของปริมาณทางกายภาพที่ใช้ในฟิสิกส์โมเลกุล อุณหพลศาสตร์
  • สมการสถานะของก๊าซในอุดมคติและก๊าซแวนเดอร์วาลส์
  • การแจกแจงของโบลต์ซมันน์และแมกซ์เวลล์ กฎการกระจายพลังงานสม่ำเสมอเหนือระดับความอิสระ
  • กฎศูนย์ กฎข้อที่หนึ่ง สอง และสามของอุณหพลศาสตร์ อสมการของคลอเซียส กฎการเพิ่มเอนโทรปี
  • สภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ที่เสถียร
  • สมการคลาเปรอง-คลอเซียส
  • สูตรของลาปลาซ
  • สมการที่อธิบายกระบวนการขนส่ง (การแพร่ ความหนืด การนำความร้อน)
• สามารถ:
  • ใช้หลักการพื้นฐานของทฤษฎีจลน์ศาสตร์โมเลกุลของก๊าซในการแก้ปัญหา
  • ใช้กฎของฟิสิกส์โมเลกุลและอุณหพลศาสตร์เมื่ออธิบายสถานะสมดุลของกระบวนการทางความร้อนและกระบวนการถ่ายโอน
• เป็นเจ้าของ:
  • วิธีการคำนวณพารามิเตอร์ของสถานะของสสาร
  • วิธีการคำนวณงาน ปริมาณความร้อน และพลังงานภายใน

ความสามารถที่เกิดขึ้น

• ความสามารถในการวิเคราะห์ปัญหาทางวิทยาศาสตร์และกระบวนการทางกายภาพ นำไปใช้ในทางปฏิบัติ ความรู้พื้นฐานที่ได้รับในสาขาวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ (OK-1)
• ความสามารถในการเชี่ยวชาญปัญหาใหม่ คำศัพท์ วิธีการ และได้รับความรู้ทางวิทยาศาสตร์ ทักษะการศึกษาด้วยตนเอง (OK-2)
• ความสามารถในการประยุกต์ความรู้ที่ได้รับในสาขาวิชาฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ในกิจกรรมวิชาชีพของตน (PC-1)
• ความสามารถในการเข้าใจสาระสำคัญของปัญหาที่เกิดขึ้นในกิจกรรมทางวิชาชีพและใช้เครื่องมือทางกายภาพและคณิตศาสตร์ที่เหมาะสมเพื่ออธิบายและแก้ไข (PC-3)
• ความสามารถในการใช้ความรู้ในสาขาวิชากายภาพและคณิตศาสตร์เพื่อการเรียนรู้สาขาวิชาเพิ่มเติมตามประวัติการฝึกอบรม (PC-4)
• ความสามารถในการประยุกต์ทฤษฎีและวิธีการทางคณิตศาสตร์ ฟิสิกส์ และวิทยาการคอมพิวเตอร์ เพื่อสร้างแบบจำลองเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณ (PC-8)

ฟิสิกส์โมเลกุลและอุณหพลศาสตร์โดยพื้นฐานแล้วมีวิธีการที่แตกต่างกันสองประการ แต่วิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิดซึ่งเกี่ยวข้องกับสิ่งเดียวกันคือการศึกษาคุณสมบัติมหภาคของระบบฟิสิกส์ แต่มีวิธีการที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง

ฟิสิกส์โมเลกุล ฟิสิกส์โมเลกุลหรือทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุลมีพื้นฐานมาจากแนวคิดบางประการเกี่ยวกับโครงสร้างของสสาร – เพื่อสร้างกฎพฤติกรรมของระบบมหภาคที่ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก ฟิสิกส์โมเลกุลใช้แบบจำลองต่างๆ ของสสาร เช่น แบบจำลองก๊าซในอุดมคติ ฟิสิกส์โมเลกุลเป็นทฤษฎีทางสถิติ ฟิสิกส์ กล่าวคือ ทฤษฎีที่พิจารณาพฤติกรรมของระบบที่ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก (อะตอม โมเลกุล) โดยอาศัยแบบจำลองความน่าจะเป็น โดยใช้แนวทางทางสถิติ เพื่อสร้างการเชื่อมโยงระหว่างปริมาณมหภาคที่วัดได้จากการทดลอง (ความดัน ปริมาตร อุณหภูมิ ฯลฯ) กับคุณลักษณะระดับจุลภาคของอนุภาคที่รวมอยู่ในคุณลักษณะระดับจุลภาคของระบบ (มวล โมเมนตัม พลังงาน ฯลฯ) .) .

อุณหพลศาสตร์ ต่างจากทฤษฎีโมเลกุล-จลน์ศาสตร์ อุณหพลศาสตร์เมื่อศึกษาคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของระบบมหภาคนั้น ไม่ต้องอาศัยแนวคิดใดๆ เกี่ยวกับโครงสร้างโมเลกุลของสสาร อุณหพลศาสตร์เป็นวิทยาศาสตร์เชิงปรากฏการณ์วิทยา – สรุปคุณสมบัติของสสารตามกฎที่กำหนดโดยประสบการณ์ เช่น กฎการอนุรักษ์พลังงาน อุณหพลศาสตร์ทำงานเฉพาะกับปริมาณมหภาคเท่านั้น (ความดัน อุณหภูมิ ปริมาตร ฯลฯ) ซึ่งเกิดขึ้นจากการทดลองทางกายภาพ

ทั้งสองวิธี - อุณหพลศาสตร์และทางสถิติ - ไม่ขัดแย้งกัน แต่เสริมซึ่งกันและกัน เฉพาะการใช้อุณหพลศาสตร์และทฤษฎีจลน์ศาสตร์โมเลกุลร่วมกันเท่านั้นที่สามารถให้ความเข้าใจที่สมบูรณ์ที่สุดเกี่ยวกับคุณสมบัติของระบบที่ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก

ฟิสิกส์โมเลกุล ทฤษฎีจลน์ศาสตร์โมเลกุลเป็นการศึกษาโครงสร้างและคุณสมบัติของสสารโดยอาศัยแนวคิดเรื่องการมีอยู่ของอะตอมและโมเลกุลในฐานะอนุภาคที่เล็กที่สุดของสารเคมี

ทฤษฎีโมเลกุล - จลน์ศาสตร์ หลักการพื้นฐานของ MKT 1. สารทั้งหมด - ของเหลว ของแข็ง และก๊าซ - ถูกสร้างขึ้นจากอนุภาคที่เล็กที่สุด - โมเลกุลซึ่งประกอบด้วยอะตอม ("โมเลกุลพื้นฐาน") โมเลกุลของสารเคมีอาจเป็นแบบง่ายหรือซับซ้อน กล่าวคือ สามารถประกอบด้วยอะตอมตั้งแต่หนึ่งอะตอมขึ้นไป โมเลกุลและอะตอมเป็นอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ภายใต้สภาวะบางประการ โมเลกุลและอะตอมสามารถรับประจุไฟฟ้าเพิ่มเติมและกลายเป็นไอออนบวกหรือลบได้ 2. อะตอมและโมเลกุลมีการเคลื่อนที่แบบโกลาหลอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเรียกว่าการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน 3. อนุภาคมีปฏิกิริยาต่อกันโดยแรงที่เป็นไฟฟ้าในธรรมชาติ ปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงระหว่างอนุภาคนั้นไม่มีนัยสำคัญ

ทฤษฎีโมเลกุล-จลน์ศาสตร์ การยืนยันการทดลองที่โดดเด่นที่สุดเกี่ยวกับแนวคิดของทฤษฎีโมเลกุล-จลน์ศาสตร์เกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอะตอมและโมเลกุลคือการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนคือการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคขนาดเล็กจิ๋วที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซ มันถูกค้นพบโดยนักพฤกษศาสตร์ชาวอังกฤษ อาร์. บราวน์ ในปี พ.ศ. 2370 อนุภาคของบราวเนียนเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของการกระแทกแบบสุ่มของโมเลกุล เนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่วุ่นวายของโมเลกุล ผลกระทบเหล่านี้จึงไม่เคยหักล้างซึ่งกันและกัน เป็นผลให้ความเร็วของอนุภาคบราวเนียนเปลี่ยนแปลงแบบสุ่มทั้งขนาดและทิศทาง และวิถีการเคลื่อนที่ของมันคือเส้นโค้งซิกแซกที่ซับซ้อน (รูปที่.) ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนถูกสร้างขึ้นโดย A. Einstein ในปี 1905 ทฤษฎีของ Einstein ได้รับการยืนยันจากการทดลองในการทดลองของนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส J. Perrin ซึ่งดำเนินการในปี 1908–1911

ทฤษฎีโมเลกุล - จลน์ศาสตร์ การเคลื่อนไหวที่วุ่นวายอย่างต่อเนื่องของโมเลกุลของสารนั้นก็ปรากฏในปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ง่ายอีกอย่างหนึ่งนั่นคือการแพร่กระจาย การแพร่กระจายเป็นปรากฏการณ์ของการแทรกซึมของสารที่สัมผัสกันตั้งแต่สองตัวขึ้นไปเข้าหากัน – กระบวนการดำเนินไปอย่างรวดเร็วที่สุดในแก๊สหากมีองค์ประกอบต่างกัน การแพร่กระจายทำให้เกิดส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยไม่คำนึงถึงความหนาแน่นของส่วนประกอบ ดังนั้นหากในสองส่วนของเรือซึ่งคั่นด้วยฉากกั้นมีออกซิเจน O 2 และไฮโดรเจน H 2 จากนั้นหลังจากถอดพาร์ติชันออกแล้ว กระบวนการแทรกซึมของก๊าซของกันและกันก็เริ่มต้นขึ้น ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของส่วนผสมที่ระเบิดได้ - ก๊าซระเบิด กระบวนการนี้ยังเกิดขึ้นเมื่อก๊าซเบา (ไฮโดรเจน) อยู่ที่ครึ่งบนของถัง และมีก๊าซที่หนักกว่า (ออกซิเจน) อยู่ในครึ่งล่าง

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล - กระบวนการที่คล้ายกันเกิดขึ้นในของเหลวช้ากว่ามาก การแทรกซึมของของเหลวสองชนิดที่เป็นของเหลวที่ไม่เหมือนกันเข้าด้วยกัน การละลายของของแข็งในของเหลว (เช่น น้ำตาลในน้ำ) และการก่อตัวของสารละลายที่เป็นเนื้อเดียวกันเป็นตัวอย่างของกระบวนการแพร่กระจายในของเหลว ในสภาวะจริง การแพร่กระจายในของเหลวและก๊าซจะถูกปกปิดโดยกระบวนการผสมที่เร็วขึ้น เช่น เนื่องจากการเกิดขึ้นของกระแสการพาความร้อน

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล - กระบวนการแพร่กระจายเกิดขึ้นช้าที่สุดในของแข็ง อย่างไรก็ตาม การทดลองแสดงให้เห็นว่าเมื่อวัตถุที่เป็นของแข็งสัมผัสกับพื้นผิวที่ทำความสะอาดอย่างดีของโลหะสองชนิด อะตอมของโลหะอีกชนิดหนึ่งจะพบอยู่ในแต่ละอะตอมหลังจากผ่านไปเป็นเวลานาน การแพร่และการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน - การแพร่และการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเป็นปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกัน การแทรกซึมของสารที่สัมผัสกันและการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคขนาดเล็กที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซเกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่วุ่นวายของโมเลกุล

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์โมเลกุล แรงที่กระทำระหว่างสองโมเลกุล แรงที่กระทำระหว่างสองโมเลกุล ขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างโมเลกุลทั้งสอง โมเลกุลเป็นโครงสร้างเชิงพื้นที่ที่ซับซ้อนซึ่งมีประจุทั้งบวกและลบ หากระยะห่างระหว่างโมเลกุลมีขนาดใหญ่เพียงพอ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลก็จะมีอิทธิพลเหนือกว่า ในระยะทางสั้นๆ กองกำลังที่น่ารังเกียจจะมีอำนาจเหนือกว่า

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล ที่ระยะหนึ่ง r = r 0 แรงอันตรกิริยาจะกลายเป็นศูนย์ ระยะนี้ถือตามอัตภาพเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางของโมเลกุลได้ พลังงานปฏิกิริยาที่อาจเกิดขึ้นที่ r = r 0 มีน้อยมาก ในการลบโมเลกุลสองตัวที่อยู่ในระยะห่าง r 0 จากกันคุณจะต้องให้พลังงานเพิ่มเติม E 0 แก่พวกมัน ปริมาณ E 0 เรียกว่าความลึกของหลุมศักย์หรือพลังงานยึดเหนี่ยว โมเลกุลมีขนาดเล็กมาก โมเลกุลเชิงซ้อนเดี่ยวมีขนาดประมาณ 10–10 เมตร โมเลกุลโพลีอะตอมมิกเชิงซ้อนสามารถมีขนาดใหญ่กว่าหลายร้อยพันเท่า

ทฤษฎีจลน์เชิงโมเลกุล พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ที่อุณหภูมิต่ำ พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลอาจน้อยกว่าความลึกของหลุมศักย์ E 0 ในกรณีนี้ โมเลกุลจะควบแน่นเป็นของเหลวหรือของแข็ง ; ในกรณีนี้ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลจะอยู่ที่ประมาณเท่ากับ r 0 เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลจะมากกว่า E 0 โมเลกุลจะแยกออกจากกันและเกิดสารก๊าซขึ้น

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล สถานะรวมของสสาร ในของแข็ง โมเลกุลจะสั่นสะเทือนแบบสุ่มรอบจุดศูนย์กลางคงที่ (ตำแหน่งสมดุล) ศูนย์เหล่านี้สามารถตั้งอยู่ในอวกาศในลักษณะที่ไม่ปกติ (วัตถุอสัณฐาน) หรือสร้างโครงสร้างปริมาตรตามคำสั่ง (วัตถุที่เป็นผลึก) ดังนั้นของแข็งจึงคงทั้งรูปร่างและปริมาตรไว้

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล สถานะรวมของสสาร ในของเหลว โมเลกุลมีอิสระในการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนมากกว่ามาก พวกมันไม่ได้เชื่อมโยงกับศูนย์กลางเฉพาะและสามารถเคลื่อนที่ได้ตลอดทั้งเล่ม สิ่งนี้จะอธิบายความลื่นไหลของของเหลว โมเลกุลของเหลวที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียงสามารถสร้างโครงสร้างที่สั่งการซึ่งมีโมเลกุลหลายตัวได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าลำดับระยะสั้น ซึ่งตรงกันข้ามกับลักษณะลำดับระยะยาวของวัตถุที่เป็นผลึก ดังนั้นของเหลวจึงไม่คงรูปร่างไว้ แต่คงปริมาตรไว้

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล สถานะรวมของสสาร ในก๊าซ ระยะห่างระหว่างโมเลกุลมักจะใหญ่กว่าขนาดของมันมาก แรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลในระยะไกลขนาดนั้นมีขนาดเล็ก และแต่ละโมเลกุลจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงจนกระทั่งเกิดการชนกันครั้งต่อไปกับโมเลกุลอื่นหรือกับผนังของภาชนะ – ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลอากาศภายใต้สภาวะปกติคือประมาณ 10–8 ม. ซึ่งมากกว่าขนาดของโมเลกุลหลายสิบเท่า ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอระหว่างโมเลกุลอธิบายถึงความสามารถของก๊าซในการขยายและเติมปริมาตรทั้งหมดของถัง ในขีดจำกัด เมื่อปฏิสัมพันธ์มีแนวโน้มเป็นศูนย์ เราก็มาถึงแนวคิดเรื่องแก๊สในอุดมคติ ดังนั้นก๊าซจึงไม่มีรูปร่างหรือปริมาตร

ทฤษฎีโมเลกุล-จลน์ศาสตร์ ปริมาณของสาร ในทฤษฎีโมเลกุล-จลน์ศาสตร์ ปริมาณของสารถือเป็นสัดส่วนกับจำนวนสารในอนุภาค หน่วยของปริมาณของสาร เรียกว่า โมล (mole) โมลคือปริมาณของสารที่มีจำนวนอนุภาค (โมเลกุล) เท่ากันเนื่องจากมีอะตอมของคาร์บอน 0.012 กิโลกรัม มีคาร์บอน 12 C (โมเลกุลคาร์บอนประกอบด้วยหนึ่งอะตอม) ดังนั้น หนึ่งโมลของสารใดๆ จึงมีจำนวนอะตอมเท่ากัน อนุภาค (โมเลกุล) จำนวนนี้เรียกว่าค่าคงที่ของอาโวกาโดร: NA = 6.02·1,023 โมล–1 ค่าคงที่ของอาโวกาโดรเป็นค่าคงที่ที่สำคัญที่สุดค่าหนึ่งในทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุล

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล ปริมาณของสาร ν หมายถึงอัตราส่วนของจำนวน N ของอนุภาค (โมเลกุล) ของสารต่อค่าคงที่ NA ของอาโวกาโดร: มวลของหนึ่งโมลของสารมักเรียกว่ามวลโมลาร์ M มวลโมลาร์ เท่ากับผลคูณของมวล m 0 ของหนึ่งโมเลกุลของสารที่กำหนดโดยค่าคงที่ของอาโวกาโดร: M = NA · m 0 มวลต่อโมลแสดงเป็นกิโลกรัมต่อโมล (kg/mol) สำหรับสารที่มีโมเลกุลประกอบด้วยอะตอมเดี่ยว มักใช้คำว่า มวลอะตอม หน่วยมวลของอะตอมและโมเลกุลมีค่าเป็น 1/12 ของมวลอะตอมของไอโซโทปคาร์บอน 12 C (โดยมีเลขมวล 12) หน่วยนี้เรียกว่าหน่วยมวลอะตอม (a.m.u.) : 01.00 น. em = 1.66·10–27 กก. ค่านี้เกือบจะตรงกับมวลของโปรตอนหรือนิวตรอน อัตราส่วนของมวลของอะตอมหรือโมเลกุลของสารที่กำหนดต่อ 1/12 ของมวลของอะตอมคาร์บอน 12 C เรียกว่ามวลสัมพัทธ์

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล แบบจำลองที่ง่ายที่สุดที่ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุลพิจารณาคือแบบจำลองก๊าซในอุดมคติ: 1. ในแบบจำลองจลน์ศาสตร์ของก๊าซในอุดมคติ โมเลกุล 1. ถือเป็นลูกบอลยืดหยุ่นในอุดมคติ ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันและกับผนังในช่วงยืดหยุ่นเท่านั้น การชนกัน 2. ปริมาตรรวมของโมเลกุลทั้งหมดถือว่ามีขนาดเล็ก 2. เมื่อเทียบกับปริมาตรของภาชนะที่มีก๊าซอยู่ แบบจำลองก๊าซในอุดมคติอธิบายพฤติกรรมของก๊าซจริงได้ค่อนข้างดีในช่วงความดันและอุณหภูมิที่หลากหลาย งานของทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุลคือการสร้างความสัมพันธ์ระหว่างกล้องจุลทรรศน์ (มวล ความเร็วของกล้องจุลทรรศน์ พลังงานจลน์ของโมเลกุล) และพารามิเตอร์ระดับมหภาค (ความดัน ปริมาตร อุณหภูมิของพารามิเตอร์ระดับมหภาค)

ทฤษฎีโมเลกุล-จลน์ศาสตร์ ผลจากการชนกันระหว่างโมเลกุลและโมเลกุลกับผนังแต่ละครั้ง ความเร็วของโมเลกุลสามารถเปลี่ยนขนาดและทิศทางได้ ในช่วงเวลาระหว่างการชนต่อเนื่องกัน โมเลกุลจะเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง ในแบบจำลองก๊าซอุดมคติ สันนิษฐานว่าการชนทั้งหมดเกิดขึ้นตามกฎของการกระแทกแบบยืดหยุ่น กล่าวคือ การชนเป็นไปตามกฎกลศาสตร์ของนิวตัน เราจะคำนวณแรงดันแก๊สบนผนังของถังโดยใช้แบบจำลองก๊าซในอุดมคติ ในระหว่างอันตรกิริยาของโมเลกุลกับผนังของภาชนะ แรงเกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลที่ปฏิบัติตามกฎข้อที่สามของนิวตัน เป็นผลให้การฉายภาพ ux ของความเร็วของโมเลกุลที่ตั้งฉากกับผนังเปลี่ยนเครื่องหมายไปในทิศทางตรงกันข้ามและการฉายภาพความเร็วของโมเลกุลซึ่งขนานกับผนังยังคงไม่เปลี่ยนแปลง (รูปที่)

ทฤษฎีโมเลกุล-จลน์ศาสตร์ สูตรสำหรับความดันก๊าซเฉลี่ยบนผนังของภาชนะจะถูกเขียนในรูปแบบ สมการนี้สร้างความสัมพันธ์ระหว่างความดัน p ของก๊าซในอุดมคติ มวลของโมเลกุล m 0 ความเข้มข้นของโมเลกุล n ค่าเฉลี่ยของกำลังสองของความเร็วและพลังงานจลน์เฉลี่ยของการเคลื่อนที่เชิงแปลของโมเลกุล นี่คือสมการพื้นฐานของทฤษฎีจลน์ของโมเลกุลของก๊าซ ดังนั้น ความดันของแก๊สจึงเท่ากับสองในสามของพลังงานจลน์เฉลี่ยของการเคลื่อนที่เชิงแปลของโมเลกุลที่มีอยู่ในหน่วยปริมาตร

ทฤษฎีโมเลกุล-จลน์ศาสตร์ สมการพื้นฐานของ MKT ของก๊าซรวมถึงผลคูณของความเข้มข้นของโมเลกุล n ด้วยพลังงานจลน์เฉลี่ยของการเคลื่อนที่เชิงแปล ในกรณีนี้ ความดันจะเป็นสัดส่วนกับพลังงานจลน์เฉลี่ย คำถามเกิดขึ้น: เราจะเปลี่ยนพลังงานจลน์เฉลี่ยของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลในภาชนะที่มีปริมาตรคงที่ได้อย่างไร ต้องเปลี่ยนปริมาณทางกายภาพเท่าใดจึงจะเปลี่ยนพลังงานจลน์เฉลี่ยได้ ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าปริมาณดังกล่าวคืออุณหภูมิ

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล อุณหภูมิ แนวคิดเรื่องอุณหภูมิมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับแนวคิดเรื่องสมดุลความร้อน ร่างกายที่สัมผัสกันสามารถแลกเปลี่ยนพลังงานได้ พลังงานที่ถ่ายโอนโดยวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งในระหว่างการสัมผัสความร้อนเรียกว่าปริมาณความร้อน Q สมดุลความร้อนคือสถานะของระบบของร่างกายที่สัมผัสความร้อนซึ่งไม่มีการถ่ายเทความร้อนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง และพารามิเตอร์มหภาคทั้งหมดของ ร่างกายยังคงไม่เปลี่ยนแปลง อุณหภูมิเป็นพารามิเตอร์ทางกายภาพที่เหมือนกันสำหรับวัตถุทั้งหมดในสมดุลความร้อน ความเป็นไปได้ในการแนะนำแนวคิดเรื่องอุณหภูมิตามประสบการณ์และเรียกว่ากฎข้อที่ศูนย์ของอุณหพลศาสตร์

ทฤษฎีโมเลกุล - จลนศาสตร์ อุณหภูมิ ในการวัดอุณหภูมิจะใช้เครื่องมือทางกายภาพ - เทอร์โมมิเตอร์ซึ่งค่าอุณหภูมิจะถูกตัดสินโดยการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ทางกายภาพใด ๆ ในการสร้างเทอร์โมมิเตอร์ คุณต้องเลือกสารเทอร์โมมิเตอร์ (เช่น ปรอท แอลกอฮอล์) และปริมาณเทอร์โมมิเตอร์ที่แสดงคุณสมบัติของสาร (เช่น ความยาวของคอลัมน์ปรอทหรือแอลกอฮอล์) การออกแบบเทอร์โมมิเตอร์ต่างๆ ใช้คุณสมบัติทางกายภาพต่างๆ ของสาร (เช่น การเปลี่ยนแปลงขนาดเชิงเส้นของของแข็ง หรือการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าของตัวนำเมื่อถูกความร้อน) เทอร์โมมิเตอร์จะต้องได้รับการสอบเทียบ

ทฤษฎีโมเลกุล - จลน์ศาสตร์ สถานที่พิเศษในฟิสิกส์ถูกครอบครองโดยเทอร์โมมิเตอร์แก๊ส (รูปที่.) ซึ่งสารเทอร์โมเมตริกเป็นก๊าซที่ทำให้บริสุทธิ์ (ฮีเลียม, อากาศ) ในภาชนะที่มีปริมาตรคงที่ (V = const) และปริมาณเทอร์โมเมตริกคือ แรงดันแก๊ส p ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าความดันก๊าซ (ที่ V = const) เพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น โดยวัดจากระดับเซลเซียส

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล ในการสอบเทียบเทอร์โมมิเตอร์แบบแก๊สที่มีปริมาตรคงที่ คุณสามารถวัดความดันที่อุณหภูมิ 2 อุณหภูมิ (เช่น 0 °C และ 100 °C) เขียนจุด p 0 และ p 100 บนกราฟ จากนั้นวาดเส้นตรง เส้นแบ่งระหว่างพวกเขา (รูปที่ ) ด้วยการใช้เส้นโค้งการสอบเทียบที่ได้รับ ทำให้สามารถวัดอุณหภูมิที่สอดคล้องกับค่าความดันอื่นๆ ได้ โดยการอนุมานกราฟไปยังขอบเขตของแรงดันต่ำ คุณสามารถระบุอุณหภูมิ "สมมุติ" ที่แน่นอนซึ่งแรงดันแก๊สจะกลายเป็นศูนย์ ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมินี้คือ – 273.15 °C และไม่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของก๊าซ จากการทดลอง เป็นไปไม่ได้เลยที่จะได้ก๊าซในสถานะที่ไม่มีความดันเป็นศูนย์โดยการทำความเย็น เนื่องจากที่อุณหภูมิต่ำมาก ก๊าซทั้งหมดจะกลายเป็นของเหลวหรือสถานะของแข็ง

ทฤษฎีโมเลกุล-จลน์ศาสตร์ นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ดับบลิว. เคลวิน (ทอมสัน) ในปี 1848 เสนอให้ใช้จุดความดันก๊าซเป็นศูนย์เพื่อสร้างมาตราส่วนอุณหภูมิใหม่ (มาตราส่วนเคลวิน) ในระดับนี้หน่วยวัดอุณหภูมิจะเหมือนกับในระดับเซลเซียส แต่จุดศูนย์จะถูกเลื่อน: TK = TC + 273.15 ในระบบ SI เป็นเรื่องปกติที่จะเรียกหน่วยอุณหภูมิในระดับเคลวินเคลวินและ เขียนแทนด้วยตัวอักษร K เช่น อุณหภูมิห้อง TC = 20 °C ตามมาตราส่วนเคลวิน เท่ากับ TK = 293.15 K

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล ระดับอุณหภูมิเคลวินเรียกว่าระดับอุณหภูมิสัมบูรณ์ กลายเป็นระดับอุณหภูมิที่สะดวกที่สุดในการสร้างทฤษฎีกายภาพ ไม่จำเป็นต้องผูกสเกลเคลวินกับจุดคงที่สองจุด ได้แก่ จุดหลอมเหลวของน้ำแข็งและจุดเดือดของน้ำที่ความดันบรรยากาศปกติ ดังที่เป็นธรรมเนียมในระดับเซลเซียส นอกจากจุดที่ความดันก๊าซเป็นศูนย์ ซึ่งเรียกว่าอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ ก็เพียงพอแล้วที่จะถือว่าจุดอ้างอิงคงที่อีกจุดหนึ่งเป็นอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ ในระดับเคลวิน อุณหภูมิของจุดสามจุดของน้ำ (0.01 °C) จะถูกใช้เป็นจุดที่ทั้งสามขั้นตอน ได้แก่ น้ำแข็ง น้ำ และไอน้ำ อยู่ในสมดุลทางความร้อน ในระดับเคลวิน อุณหภูมิของจุดสามจุดจะเท่ากับ 273.16 K

ทฤษฎีโมเลกุล-จลน์ศาสตร์ ดังนั้น ความดันของก๊าซที่ทำให้บริสุทธิ์ในภาชนะที่มีปริมาตรคงที่ V จะเปลี่ยนไปตามสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์: p ~ T T ในทางกลับกัน ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าด้วยปริมาตรคงที่ V และอุณหภูมิ T จะได้ ความดันแก๊สเปลี่ยนแปลงในสัดส่วนโดยตรงกับอัตราส่วนของปริมาณของสาร ν ในภาชนะที่กำหนดต่อปริมาตร V ของภาชนะ โดยที่ N คือจำนวนโมเลกุลในภาชนะ NA คือค่าคงที่ของ Avogadro, n = N / V คือความเข้มข้น ของโมเลกุล (เช่น จำนวนโมเลกุลต่อหน่วยปริมาตรของภาชนะ)

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล เมื่อรวมความสัมพันธ์ตามสัดส่วนเหล่านี้เข้าด้วยกัน เราสามารถเขียนได้: p = nk T โดยที่ k คือค่าคงที่ที่เป็นสากลสำหรับก๊าซทุกชนิด มันถูกเรียกว่าค่าคงที่ Boltzmann เพื่อเป็นเกียรติแก่นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย L. Boltzmann หนึ่งในผู้สร้าง MKT ค่าคงที่ของ Boltzmann เป็นหนึ่งในค่าคงที่ทางกายภาพพื้นฐาน ค่าตัวเลขในหน่วย SI: k = 1.38·10–23 J/K

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์โมเลกุล การเปรียบเทียบอัตราส่วน p = nk T ด้วยสมการพื้นฐานของ MKT ของก๊าซ เราสามารถได้รับ: พลังงานจลน์เฉลี่ยของการเคลื่อนที่ที่วุ่นวายของโมเลกุลของก๊าซเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ ดังนั้นอุณหภูมิจึงเป็นการวัดพลังงานจลน์เฉลี่ยของการเคลื่อนที่ของโมเลกุล ควรสังเกตว่าพลังงานจลน์เฉลี่ยของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลไม่ได้ขึ้นอยู่กับมวลของมัน อนุภาคบราวเนียนที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซมีพลังงานจลน์เฉลี่ยเท่ากันกับโมเลกุลแต่ละโมเลกุล ซึ่งมีมวลที่มีขนาดน้อยกว่ามวลของอนุภาคบราวเนียนมาก

ทฤษฎีโมเลกุล-จลน์ศาสตร์ ข้อสรุปนี้ยังใช้กับกรณีที่ถังบรรจุส่วนผสมของก๊าซที่ไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมี ซึ่งเป็นโมเลกุลที่มีมวลต่างกัน ในสภาวะสมดุล โมเลกุลของก๊าซต่างๆ จะมีพลังงานจลน์เฉลี่ยของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนเท่ากัน โดยพิจารณาจากอุณหภูมิของส่วนผสมเท่านั้น ความดันของส่วนผสมก๊าซบนผนังของถังจะเป็นผลรวมของความดันบางส่วนของแต่ละก๊าซ: p = p 1 + p 2 + p 3 + ... = (n 1 + n 2 + n 3 + . ...)เค T ในอัตราส่วนนี้ n 1, n 2, n 3, ... คือความเข้มข้นของโมเลกุลของก๊าซต่างๆ ในส่วนผสม ความสัมพันธ์นี้เป็นการแสดงออกถึงกฎของดาลตันซึ่งกำหนดขึ้นจากการทดลองเมื่อต้นศตวรรษที่ 19 ในภาษาของทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล: ความดันในส่วนผสมของกฎของก๊าซที่ไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมีของดาลตันจะเท่ากับผลรวมของแรงกดดันย่อยของพวกมัน

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล สมการสถานะของก๊าซในอุดมคติ ความสัมพันธ์ p = nk T สามารถเขียนได้ในรูปแบบอื่นที่สร้างความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์มหภาคของก๊าซ - ปริมาตร V, ความดัน p, อุณหภูมิ T และปริมาณของสาร ν = m / M M –– ความสัมพันธ์นี้เรียกว่าสมการสถานะของ ก๊าซในอุดมคติหรือสมการของแคลเปรอง-เมนเดเลเยฟของสถานะของก๊าซในอุดมคติ – ผลคูณของค่าคงที่ NA ของอาโวกาโดร และค่าคงที่ k ของโบลต์ซมานน์ เรียกว่าค่าคงที่ของก๊าซสากล และเขียนแทนด้วยตัวอักษร R ค่าตัวเลขในหน่วย SI คือ: R = k ∙NA = 8.31 J/mol K

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล สมการสถานะของก๊าซในอุดมคติ - หากอุณหภูมิของก๊าซคือ Tn = 273.15 K (0 °C) และความดัน pn = 1 atm = 1.013·105 Pa แสดงว่าก๊าซนั้นอยู่ภายใต้สภาวะปกติ ต่อไปนี้จากสมการสถานะของก๊าซในอุดมคติ หนึ่งโมลของก๊าซใดๆ ภายใต้สภาวะปกติจะมีปริมาตรเท่ากัน V0 = 0.0224 ลบ.ม./โมล = 22.4 เดซิเบลต่อโมล ข้อความนี้เรียกว่ากฎของอโวกาโดร

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล ไอโซโพรเซส ก๊าซสามารถมีส่วนร่วมในกระบวนการทางความร้อนต่างๆ ได้ ในระหว่างนี้พารามิเตอร์ทั้งหมดที่อธิบายสถานะ (p, V และ T) สามารถเปลี่ยนแปลงได้ หากกระบวนการดำเนินไปช้าพอ เมื่อใดก็ตาม ระบบก็จะเข้าใกล้สภาวะสมดุล กระบวนการดังกล่าวเรียกว่ากึ่งคงที่ ในช่วงเวลากึ่งคงที่ที่เราคุ้นเคย กระบวนการเหล่านี้อาจไม่ดำเนินการช้ามาก ตัวอย่างเช่น การทำให้บริสุทธิ์และการบีบอัดของก๊าซในคลื่นเสียงที่เกิดขึ้นหลายร้อยครั้งต่อวินาที ถือได้ว่าเป็นกระบวนการกึ่งคงที่ กระบวนการเสมือนคงที่สามารถแสดงได้บนแผนภาพสถานะ (เช่น ในพิกัด p, V) ในรูปแบบของวิถี ซึ่งแต่ละจุดแสดงถึงสถานะสมดุล สิ่งที่น่าสนใจคือกระบวนการที่พารามิเตอร์ตัวใดตัวหนึ่ง (p, V หรือ T) ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง กระบวนการดังกล่าวเรียกว่ากระบวนการไอโซโพรเซส

กระบวนการไอโซเทอร์มอล (T = const) กระบวนการไอโซเทอร์มอลเป็นกระบวนการกึ่งคงที่ที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่ T จากสมการสถานะของก๊าซในอุดมคติจะตามมาว่าที่อุณหภูมิคงที่ T และ T จะมีปริมาณสารคงที่ ν ใน ผลคูณของความดัน p ของก๊าซและปริมาตร p V จะต้องคงที่: p วี = ค่าคงที่

กระบวนการไอโซเทอร์มอล (T = const) บนระนาบ (p, V) กระบวนการไอโซเทอร์มอลจะแสดงที่อุณหภูมิต่างกัน T โดยตระกูลไฮเปอร์โบลา p ~ 1 / V ซึ่งเรียกว่าไอโซเทอร์ม สมการของกระบวนการไอโซเทอร์มอลได้มาจากการทดลองของนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ อาร์. บอยล์ (ค.ศ. 1662) และโดยอิสระจากนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส อี. มาริโอต (ค.ศ. 1676) ดังนั้น สมการนี้จึงเรียกว่ากฎบอยล์-มาริออต ที 3 > ที 2 > ที 1

กระบวนการไอโซคอริก (V = const) กระบวนการไอโซคอริกเป็นกระบวนการให้ความร้อนหรือความเย็นเสมือนคงที่ของก๊าซที่ปริมาตร V คงที่ โดยมีเงื่อนไขว่าปริมาณของสาร ν ในถังยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ต่อไปนี้จากสมการสถานะของก๊าซในอุดมคติ ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ความดันก๊าซ p เปลี่ยนแปลงในสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์: p ~ T หรือ = const

กระบวนการไอโซคอริก (V = const) บนระนาบ (p, T) กระบวนการไอโซคอริกสำหรับปริมาณสารที่กำหนด ν ที่ค่าปริมาตรต่างกัน V จะแสดงโดยตระกูลเส้นตรงที่เรียกว่าไอโซคอร์ ค่าปริมาตรที่มากขึ้นจะสอดคล้องกับไอโซคอร์ที่มีความชันน้อยกว่าเมื่อเทียบกับแกนอุณหภูมิ (รูปที่) การพึ่งพาแรงดันแก๊สกับอุณหภูมิได้รับการศึกษาโดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส J. Charles (1787) ดังนั้นสมการของกระบวนการไอโซคอริกจึงเรียกว่ากฎของชาร์ลส์ วี 3 > วี 2 > วี 1

กระบวนการไอโซบาริก (p = const) กระบวนการไอโซบาริกเป็นกระบวนการเสมือนคงที่ซึ่งเกิดขึ้นที่ความดันคงที่ p สมการของกระบวนการไอโซบาริกสำหรับปริมาณคงที่ของสาร ν มีรูปแบบ: โดยที่ V 0 คือปริมาตรของก๊าซที่อุณหภูมิ 0 °C ค่าสัมประสิทธิ์ α เท่ากับ (1/273, 15) K– 1 α เรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของการขยายตัวตามปริมาตรของก๊าซ

กระบวนการไอโซบาริก (p = const) บนระนาบ (V, T) กระบวนการไอโซบาริกที่ค่าความดัน p ต่างกันจะแสดงเป็นตระกูลเส้นตรง (รูปที่) ซึ่งเรียกว่าไอโซบาร์ การพึ่งพาปริมาตรก๊าซกับอุณหภูมิที่ความดันคงที่ได้รับการศึกษาเชิงทดลองโดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส J. Gay-Lussac (1862) ดังนั้นสมการของกระบวนการไอโซบาริกจึงเรียกว่ากฎของเกย์-ลุสซัก หน้า 3 > หน้า 2 > หน้า 1

ไอโซโพรเซส กฎที่จัดทำขึ้นจากการทดลองของบอยล์-มาริออตต์, ชาร์ลส์ และเกย์-ลุสแซก พบคำอธิบายในทฤษฎีจลน์เนติกของโมเลกุลของก๊าซ สิ่งเหล่านี้เป็นผลมาจากสมการก๊าซในอุดมคติของสถานะ

อุณหพลศาสตร์ อุณหพลศาสตร์เป็นศาสตร์แห่งปรากฏการณ์ทางความร้อน ตรงกันข้ามกับทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุล ซึ่งสรุปโดยอาศัยแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างโมเลกุลของสสาร อุณหพลศาสตร์ขึ้นอยู่กับกฎทั่วไปของกระบวนการทางความร้อนและคุณสมบัติของระบบมหภาค ข้อสรุปของอุณหพลศาสตร์ขึ้นอยู่กับชุดของข้อเท็จจริงเชิงทดลอง และไม่ได้ขึ้นอยู่กับความรู้ของเราเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของสสาร แม้ว่าในหลายกรณี อุณหพลศาสตร์จะใช้แบบจำลองจลน์ศาสตร์ของโมเลกุลเพื่อแสดงข้อสรุป

อุณหพลศาสตร์ อุณหพลศาสตร์พิจารณาระบบที่แยกได้ของวัตถุในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ ซึ่งหมายความว่าในระบบดังกล่าวกระบวนการมหภาคที่สังเกตได้ทั้งหมดได้หยุดลง

อุณหพลศาสตร์ หากระบบอุณหพลศาสตร์ได้รับอิทธิพลจากภายนอก ระบบจะเคลื่อนไปสู่สภาวะสมดุลอื่นในที่สุด การเปลี่ยนแปลงนี้เรียกว่ากระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ หากกระบวนการดำเนินไปอย่างช้าๆเพียงพอ (ในขอบเขตที่ช้าอย่างไม่สิ้นสุด) ระบบในแต่ละช่วงเวลาจะใกล้เคียงกับสภาวะสมดุล กระบวนการที่ประกอบด้วยลำดับของสถานะสมดุลเรียกว่าเสมือนคงที่

อุณหพลศาสตร์ พลังงานภายใน หนึ่งในแนวคิดที่สำคัญที่สุดของอุณหพลศาสตร์คือพลังงานภายในของร่างกาย ร่างกายที่มองเห็นด้วยตาเปล่าทั้งหมดมีพลังงานอยู่ภายในตัวมันเอง จากมุมมองของ MCT พลังงานภายในของสารประกอบด้วยพลังงานจลน์ของอะตอมและโมเลกุลทั้งหมดและพลังงานศักย์ของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติจะเท่ากับผลรวมของพลังงานจลน์ของอนุภาคก๊าซทั้งหมดในการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างต่อเนื่องและสุ่ม สิ่งนี้แสดงถึงกฎของจูลซึ่งได้รับการยืนยันจากการทดลองมากมาย: พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้นและไม่ขึ้นอยู่กับปริมาตร

อุณหพลศาสตร์ พลังงานภายในของ MKT นำไปสู่การแสดงออกต่อไปนี้สำหรับพลังงานภายในของหนึ่งโมลของก๊าซเชิงเดี่ยวในอุดมคติ (ฮีเลียม นีออน ฯลฯ ) โมเลกุลที่ทำการเคลื่อนที่แบบแปลเท่านั้น: เนื่องจากพลังงานศักย์ของปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลขึ้นอยู่กับ สำหรับระยะห่างระหว่างพวกเขา ในกรณีทั่วไป พลังงานภายใน U ของร่างกายขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ T จากปริมาตร V ด้วย: T U = U (T, V) ดังนั้นพลังงานภายใน U ของร่างกายจึงถูกกำหนดโดยไม่ซ้ำกันโดย พารามิเตอร์ขนาดมหภาคที่แสดงถึงสถานะของร่างกาย ไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่ารัฐนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร กล่าวกันทั่วไปว่าพลังงานภายในเป็นหน้าที่ของรัฐ

อุณหพลศาสตร์ วิธีในการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน พลังงานภายในของร่างกายสามารถเปลี่ยนแปลงได้หากแรงภายนอกที่กระทำต่อพลังงานนั้นได้ผล (บวกหรือลบ) งาน ตัวอย่างเช่น ถ้าก๊าซถูกบีบอัดในกระบอกสูบใต้ลูกสูบ แรงภายนอกจะทำงานเชิงบวกต่อแก๊ส ขณะเดียวกัน แรงกด A" ที่กระทำจากแก๊สบนลูกสูบจะทำงาน A = – เอ"

อุณหพลศาสตร์ วิธีการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน พลังงานภายในของร่างกายสามารถเปลี่ยนแปลงได้ไม่เพียงแต่จากการทำงานเท่านั้น แต่ยังเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนความร้อนด้วย เมื่อวัตถุสัมผัสกับความร้อน พลังงานภายในของวัตถุหนึ่งจะเพิ่มขึ้นและอีกวัตถุหนึ่งสามารถลดลงได้ ในกรณีนี้ เราพูดถึงการไหลเวียนของความร้อนจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่ง ปริมาณความร้อน Q ที่ร่างกายได้รับ ปริมาณความร้อน Q คือการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของร่างกายอันเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนความร้อน

อุณหพลศาสตร์ วิธีการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน การถ่ายโอนพลังงานจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่งในรูปของความร้อนสามารถเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีอุณหภูมิที่แตกต่างกัน การไหลของความร้อนจะถูกส่งจากวัตถุที่ร้อนไปยังวัตถุที่เย็นเสมอ ปริมาณความร้อน Q คือปริมาณพลังงาน ใน SI ปริมาณความร้อนจะวัดเป็นหน่วยของงานเครื่องกล - จูล (J)

อุณหพลศาสตร์ กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ในรูป พลังงานที่ไหลระหว่างระบบเทอร์โมไดนามิกส์ที่เลือกและวัตถุโดยรอบนั้นถูกถ่ายทอดออกมาตามอัตภาพ ค่า Q > 0 หากกระแสความร้อน Q > 0 มุ่งตรงไปยังระบบเทอร์โมไดนามิกส์ ค่า A > 0 ถ้าระบบดำเนินการบวก A > 0 ทำงานบนวัตถุโดยรอบ หากระบบแลกเปลี่ยนความร้อนกับวัตถุโดยรอบและทำงานได้ (บวกหรือลบ) สถานะของระบบจะเปลี่ยนไป สถานะของระบบจะเปลี่ยนไป เช่น พารามิเตอร์ระดับมหภาค (อุณหภูมิ ความดัน ปริมาตร) จะเปลี่ยนไป

อุณหพลศาสตร์ กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ เนื่องจากพลังงานภายใน U ถูกกำหนดโดยไม่ซ้ำกันโดยพารามิเตอร์มหภาคที่กำหนดลักษณะของระบบจึงเป็นไปตามที่กระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนและงานจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลง ΔU ของพลังงานภายในของระบบ

อุณหพลศาสตร์ กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์คือการทำให้กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงานสำหรับระบบเทอร์โมไดนามิกส์มีลักษณะทั่วไป มีสูตรดังนี้: การเปลี่ยนแปลง ∆U ของพลังงานภายในของระบบเทอร์โมไดนามิกส์ที่ไม่แยกเดี่ยวจะเท่ากับความแตกต่างระหว่างปริมาณความร้อน Q ที่ถ่ายโอนไปยังระบบและงาน A ที่ดำเนินการโดยระบบบนวัตถุภายนอก ΔU = Q – A ความสัมพันธ์ที่แสดงกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์มักเขียนในรูปแบบอื่น: Q = ΔU + A ปริมาณความร้อนที่ระบบได้รับไปเปลี่ยนพลังงานภายในและทำงานกับวัตถุภายนอก

อุณหพลศาสตร์ กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ ขอให้เราใช้กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์กับกระบวนการไอโซโพรเซสในก๊าซ ในกระบวนการไอโซคอริก (V = const) ก๊าซไม่ทำงาน A = 0 ดังนั้น Q = ΔU = U (T 2) – U (T 1) โดยที่ U (T 1) และ U (T 2) คือพลังงานภายในของก๊าซในสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้าย พลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น (กฎของจูล) ในระหว่างการทำความร้อนแบบไอโซคอริก ความร้อนจะถูกดูดซับโดยก๊าซ (Q > 0) และพลังงานภายในจะเพิ่มขึ้น ในระหว่างการทำความเย็นความร้อนจะถูกถ่ายโอนไปยังวัตถุภายนอก (Q 0 - ความร้อนถูกดูดซับโดยก๊าซและก๊าซจะทำงานในเชิงบวก ด้วยการบีบอัดไอโซบาริก Q

เครื่องยนต์ร้อน วัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ วัฏจักรคาร์โนต์ เครื่องยนต์ความร้อนเป็นอุปกรณ์ที่สามารถแปลงปริมาณความร้อนที่ได้รับให้เป็นงานกลได้ งานเครื่องกลในเครื่องยนต์ความร้อนดำเนินการในกระบวนการขยายตัวของสารที่เรียกว่าของไหลทำงาน สารก๊าซ (ไอน้ำมันเบนซิน อากาศ ไอน้ำ) มักจะใช้เป็นสารทำงาน สารทำงานจะได้รับ (หรือปล่อย) พลังงานความร้อนในกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนกับวัตถุที่มีพลังงานภายในจำนวนมาก วัตถุเหล่านี้เรียกว่าแหล่งกักเก็บความร้อน เครื่องยนต์ความร้อนในชีวิตจริง (เครื่องยนต์ไอน้ำ เครื่องยนต์สันดาปภายใน ฯลฯ) ทำงานเป็นวงจร กระบวนการถ่ายเทความร้อนและการแปลงปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นเป็นงานจะทำซ้ำเป็นระยะ ในการทำเช่นนี้ สารทำงานจะต้องผ่านกระบวนการแบบวงกลมหรือวงจรทางอุณหพลศาสตร์ ซึ่งสถานะดั้งเดิมจะได้รับการฟื้นฟูเป็นระยะ

เครื่องยนต์ร้อน วัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ วัฏจักรคาร์โนต์ คุณสมบัติทั่วไปของกระบวนการแบบวงกลมทั้งหมดคือไม่สามารถดำเนินการได้โดยการนำของไหลทำงานไปสัมผัสกับความร้อนกับแหล่งกักเก็บความร้อนเพียงแห่งเดียว คุณต้องการอย่างน้อยสองคน แหล่งเก็บความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่าเรียกว่าเครื่องทำความร้อน และแหล่งเก็บความร้อนที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าเรียกว่าตู้เย็น เมื่อดำเนินการเป็นวงกลม สารทำงานจะได้รับความร้อนจำนวนหนึ่ง Q 1 > 0 จากเครื่องทำความร้อน และถ่ายเทความร้อนจำนวน Q 2 ไปยังตู้เย็น

เครื่องยนต์ร้อน วัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ วงจรคาร์โนต์ งาน A ที่ดำเนินการโดยของไหลทำงานต่อรอบเท่ากับปริมาณความร้อน Q ที่ได้รับต่อรอบ อัตราส่วนของงาน A ต่อปริมาณความร้อน Q 1 ที่ได้รับจากของไหลทำงานต่อรอบจากเครื่องทำความร้อนเรียกว่าประสิทธิภาพ η ของเครื่องยนต์ความร้อน:

เครื่องยนต์ร้อน วัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ วงจรคาร์โนต์ ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพบ่งชี้ว่าพลังงานความร้อนที่ได้รับจากของไหลทำงานจากอ่างเก็บน้ำความร้อน "ร้อน" เท่าใดจึงถูกแปลงเป็นงานที่มีประโยชน์ ส่วนที่เหลือ (1 – η) ถูกย้ายไปยังตู้เย็นอย่าง "ไร้ประโยชน์" (1 – η) ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนจะน้อยกว่าเอกภาพเสมอ (η 0, A > 0, Q 2 T 2

เครื่องยนต์ร้อน วัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ วัฏจักรการ์โนต์ ในปี ค.ศ. 1824 เอส. การ์โนต์ วิศวกรชาวฝรั่งเศส พิจารณากระบวนการแบบวงกลมที่ประกอบด้วยไอโซเทอร์มสองตัวและอะเดียบัตสองตัว ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาหลักคำสอนของกระบวนการทางความร้อน เรียกว่าวัฏจักรการ์โนต์ (รูปที่ 3.11.4)

เครื่องยนต์ร้อน วัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ วัฏจักรคาร์โนต์ วัฏจักรการ์โนต์ดำเนินการโดยก๊าซที่อยู่ในกระบอกสูบใต้ลูกสูบ ในส่วนอุณหภูมิคงที่ (1–2) ก๊าซจะถูกนำไปสัมผัสกับความร้อนกับแหล่งกักเก็บความร้อนร้อน (เครื่องทำความร้อน) ที่มีอุณหภูมิ T 1 ก๊าซจะขยายตัวโดยอุณหภูมิคงที่ โดยทำงาน A 12 ในขณะที่ความร้อนจำนวนหนึ่ง Q 1 = A 12 ถูกจ่ายให้กับแก๊ส ต่อไปในส่วนอะเดียแบติก (2–3) ก๊าซจะถูกวางไว้ในเปลือกอะเดียแบติกและยังคงขยายตัวต่อไปหากไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน ในส่วนนี้ ก๊าซทำงาน A 23 > 0 อุณหภูมิของก๊าซในระหว่างการขยายตัวแบบอะเดียแบติกจะลดลงเหลือค่า T 2 ในส่วนถัดไปของอุณหภูมิคงที่ (3–4) ก๊าซจะถูกนำไปสัมผัสกับความร้อนกับความร้อนเย็น อ่างเก็บน้ำ (ตู้เย็น) ที่อุณหภูมิ T 2

การกลับไม่ได้ของกระบวนการทางความร้อน กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ - กฎการอนุรักษ์พลังงานสำหรับกระบวนการทางความร้อน - สร้างความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณความร้อน Q ที่ระบบได้รับ การเปลี่ยนแปลง ΔU ของพลังงานภายในและงาน A ที่ทำกับวัตถุภายนอก: Q = ΔU + ตอบ ตามกฎหมายนี้ ไม่สามารถสร้างหรือทำลายพลังงานได้ มันถูกส่งจากระบบหนึ่งไปอีกระบบหนึ่งและเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปอีกรูปแบบหนึ่ง ไม่เคยมีการปฏิบัติตามกระบวนการที่ฝ่าฝืนกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ ในรูป แสดงให้เห็นถึงอุปกรณ์ที่ห้ามโดยกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ เครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานตามวัฏจักรซึ่งห้ามโดยกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์: 1 – เครื่องจักรเคลื่อนที่ตลอดประเภทที่ 1 ทำงานโดยไม่ใช้พลังงานภายนอก 2 – เครื่องยนต์ความร้อนที่มีประสิทธิภาพ η > 1

การกลับไม่ได้ของกระบวนการทางความร้อน กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ไม่ได้กำหนดทิศทางของกระบวนการทางความร้อน อย่างไรก็ตาม ตามที่ประสบการณ์แสดงให้เห็น กระบวนการทางความร้อนหลายอย่างสามารถเกิดขึ้นในทิศทางเดียวเท่านั้น กระบวนการดังกล่าวเรียกว่าไม่สามารถย้อนกลับได้ ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการสัมผัสความร้อนของวัตถุสองชิ้นที่มีอุณหภูมิต่างกัน การไหลของความร้อนจะถูกส่งจากวัตถุที่อุ่นกว่าไปยังวัตถุที่เย็นกว่าเสมอ ไม่มีกระบวนการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นเองจากร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงกว่า ดังนั้น กระบวนการถ่ายเทความร้อนที่อุณหภูมิแตกต่างจำกัดจึงไม่สามารถย้อนกลับได้ กระบวนการผันกลับได้คือกระบวนการเปลี่ยนผ่านของระบบจากสถานะสมดุลหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง ซึ่งสามารถดำเนินการในทิศทางตรงกันข้ามผ่านลำดับเดียวกันของสถานะสมดุลระดับกลาง ในกรณีนี้ ตัวระบบและวัตถุโดยรอบจะกลับสู่สถานะดั้งเดิม กระบวนการที่ระบบยังคงอยู่ในสภาวะสมดุลตลอดเวลาเรียกว่าเสมือนคงที่ กระบวนการกึ่งคงที่ทั้งหมดสามารถย้อนกลับได้ กระบวนการที่พลิกกลับได้ทั้งหมดเป็นแบบกึ่งคงที่

การกลับไม่ได้ของกระบวนการทางความร้อน กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ กระบวนการแปลงงานเครื่องกลเป็นพลังงานภายในของร่างกายไม่สามารถย้อนกลับได้เนื่องจากมีแรงเสียดทาน กระบวนการแพร่กระจายในก๊าซและของเหลว กระบวนการผสมก๊าซเมื่อมีความแตกต่างของแรงดันเริ่มต้น เป็นต้น กระบวนการจริงทั้งหมดไม่สามารถย้อนกลับได้ แต่ พวกเขาสามารถเข้าใกล้กระบวนการปิดแบบย้อนกลับได้โดยพลการ กระบวนการที่พลิกกลับได้เป็นกระบวนการในอุดมคติของกระบวนการจริง กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ไม่สามารถแยกแยะกระบวนการที่ผันกลับได้จากกระบวนการที่ย้อนกลับไม่ได้ เพียงแต่ต้องการความสมดุลของพลังงานจากกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ และไม่ได้บอกว่ากระบวนการดังกล่าวเป็นไปได้หรือไม่

การกลับไม่ได้ของกระบวนการทางความร้อน กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ทิศทางของกระบวนการที่เกิดขึ้นเองนั้นถูกกำหนดโดยกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ สามารถกำหนดสูตรในอุณหพลศาสตร์ในรูปแบบของการห้ามกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์บางประเภท นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ W. Kelvin ให้สูตรกฎข้อที่สองในปี พ.ศ. 2394 ดังต่อไปนี้: กฎข้อที่สองในเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานแบบวัฏจักรกระบวนการเป็นไปไม่ได้ ผลลัพธ์เดียวที่จะเปลี่ยนเป็นงานกลของปริมาณความร้อนทั้งหมดที่ได้รับ จากแหล่งเก็บความร้อนอันเดียว

การกลับไม่ได้ของกระบวนการทางความร้อน กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน อาร์. เคลาเซียสให้กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์อีกข้อหนึ่ง: กระบวนการที่เป็นไปไม่ได้ ซึ่งผลลัพธ์เดียวก็คือการถ่ายโอนพลังงานโดยการแลกเปลี่ยนความร้อนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่า ในรูป กระบวนการต่างๆ เป็นภาพที่ต้องห้ามตามกฎข้อที่สอง แต่ไม่ต้องห้ามตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ กระบวนการเหล่านี้สอดคล้องกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์สองสูตร 1 – เครื่องจักรเคลื่อนที่ตลอดประเภทที่สอง 2 – การถ่ายโอนความร้อนที่เกิดขึ้นเองจากตัวเย็นไปยังตัวที่อุ่นกว่า (เครื่องทำความเย็นในอุดมคติ)

ปรากฏการณ์เกิดขึ้นในธรรมชาติซึ่งเห็นได้ชัดว่าเกี่ยวข้องทางอ้อมกับการเคลื่อนไหวทางกลมาก สังเกตได้เมื่ออุณหภูมิของร่างกายเปลี่ยนแปลงหรือเมื่อสารเปลี่ยนจากสถานะหนึ่ง (เช่น ของเหลว) ไปเป็นอีกสถานะหนึ่ง (ของแข็งหรือก๊าซ) ปรากฏการณ์ดังกล่าวเรียกว่า ความร้อน.

ปรากฏการณ์ทางความร้อนมีบทบาทอย่างมากต่อชีวิตของผู้คน สัตว์ และพืช ความเป็นไปได้ของสิ่งมีชีวิตบนโลกขึ้นอยู่กับอุณหภูมิโดยรอบ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามฤดูกาลเป็นตัวกำหนดจังหวะของธรรมชาติที่มีชีวิต - ในฤดูหนาวชีวิตพืชจะหยุดนิ่ง สัตว์หลายชนิดจำศีล ในฤดูใบไม้ผลิ ธรรมชาติจะตื่นขึ้น ทุ่งหญ้าเปลี่ยนเป็นสีเขียว ต้นไม้จะบานสะพรั่ง

การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิส่งผลต่อคุณสมบัติของร่างกาย เมื่อได้รับความร้อนและความเย็น ปริมาตรของของเหลวและก๊าซและขนาดของของแข็งจะเปลี่ยนไป

ปรากฏการณ์ทางความร้อนอยู่ภายใต้กฎหมายบางประการ ซึ่งความรู้ดังกล่าวทำให้สามารถใช้ปรากฏการณ์เหล่านี้ในเทคโนโลยีและในชีวิตประจำวันได้ เครื่องยนต์ความร้อน หน่วยทำความเย็น ท่อส่งก๊าซ และอุปกรณ์อื่นๆ สมัยใหม่ทำงานตามกฎหมายเหล่านี้

ฟิสิกส์โมเลกุลและอุณหพลศาสตร์

ฟิสิกส์โมเลกุลและอุณหพลศาสตร์ศึกษาพฤติกรรมของระบบที่ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก

คำนิยาม

ฟิสิกส์โมเลกุล- สาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพของร่างกายในสถานะการรวมกลุ่มต่างๆ โดยพิจารณาจากโครงสร้างโมเลกุลของวัตถุเหล่านั้น

ฟิสิกส์โมเลกุลจะตรวจสอบโครงสร้างและคุณสมบัติของก๊าซ ของเหลว ของแข็ง การเปลี่ยนแปลงซึ่งกันและกัน รวมถึงการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในโครงสร้างภายในและพฤติกรรมเมื่อสภาวะภายนอกเปลี่ยนแปลง

คำนิยาม

อุณหพลศาสตร์- สาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาคุณสมบัติของระบบของร่างกายที่มีปฏิสัมพันธ์โดยการวิเคราะห์เงื่อนไขและความสัมพันธ์เชิงคุณภาพของการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เกิดขึ้นในระบบ

ความแตกต่างระหว่างฟิสิกส์ระดับโมเลกุล (หรือเชิงสถิติ) และอุณหพลศาสตร์ก็คือ ฟิสิกส์ทั้งสองสาขานี้พิจารณาปรากฏการณ์ทางความร้อนจากมุมมองที่ต่างกันและใช้วิธีการที่แตกต่างกัน

ฟิสิกส์โมเลกุลกำหนดกฎตามกระบวนการต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในร่างกายโดยอาศัยการศึกษาโครงสร้างโมเลกุลและกลไกการทำงานร่วมกันของโมเลกุลแต่ละโมเลกุลซึ่งกันและกัน อุณหพลศาสตร์ศึกษาคุณสมบัติของวัตถุโดยไม่คำนึงถึงปรากฏการณ์ระดับโมเลกุลที่เกิดขึ้นในตัวมัน

ฟิสิกส์โมเลกุลใช้ วิธีการทางสถิติซึ่งคำนึงถึงการเคลื่อนไหวและปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลโดยรวมมากกว่าแต่ละโมเลกุลแยกกัน

การใช้อุณหพลศาสตร์ วิธีทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งพิจารณากระบวนการทั้งหมดจากมุมมองของการแปลงพลังงาน ต่างจากวิธีการทางสถิติ วิธีทางอุณหพลศาสตร์ไม่เกี่ยวข้องกับแนวคิดเฉพาะใดๆ เกี่ยวกับโครงสร้างภายในของร่างกายและธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่ก่อตัวเป็นวัตถุเหล่านี้ กฎของอุณหพลศาสตร์ได้รับการกำหนดขึ้นเชิงประจักษ์ในการศึกษาการใช้ความร้อนให้เกิดประโยชน์สูงสุดในการทำงาน

ฟิสิกส์โมเลกุล อุณหพลศาสตร์

1. วิธีการทางสถิติและอุณหพลศาสตร์

2. ทฤษฎีโมเลกุล-จลนศาสตร์ของก๊าซในอุดมคติ

2.1.คำจำกัดความพื้นฐาน

2.2. กฎการทดลองของก๊าซในอุดมคติ

2.3.สมการสถานะของก๊าซในอุดมคติ (สมการคลาเปรอง-เมนเดเลเยฟ

2.4 สมการพื้นฐานของทฤษฎีจลน์ศาสตร์โมเลกุลของก๊าซในอุดมคติ

2.5.การกระจายแมกซ์เวลล์

2.6 การกระจายของ Boltzmann

3.อุณหพลศาสตร์

3.1.พลังงานภายใน กฎการกระจายพลังงานสม่ำเสมอตลอดระดับความเป็นอิสระ

3.2.กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

3.3 การทำงานของแก๊สเมื่อปริมาตรเปลี่ยนแปลง

3.4.ความจุความร้อน

3.5.กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์และไอโซโพรเซส

3.5.1.กระบวนการไอโซคอริก (V = const)

3.5.2.กระบวนการไอโซบาริก (p = const)

3.5.3.กระบวนการไอโซเทอร์มอล (T = const)

3.5.4. กระบวนการอะเดียแบติก (dQ = 0)

3.5.5. กระบวนการโพลีทรอปิก

3.6.กระบวนการแบบวงกลม (วงจร) กระบวนการที่ย้อนกลับได้และไม่สามารถย้อนกลับได้ วงจรการ์โนต์

3.7.กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

3.8. ก๊าซจริง

3.8.1.แรงอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุล

3.8.2.สมการแวนเดอร์วาลส์

3.8.3. พลังงานภายในของก๊าซจริง

3.8.4.เอฟเฟ็กต์จูล-ทอมสัน การทำให้เป็นของเหลวของก๊าซ

1. วิธีการทางสถิติและอุณหพลศาสตร์

ฟิสิกส์โมเลกุลและอุณหพลศาสตร์ - สาขาฟิสิกส์ที่พวกเขาเรียนกระบวนการมหภาค เกี่ยวข้องกับอะตอมและโมเลกุลจำนวนมากที่มีอยู่ในร่างกาย เพื่อศึกษากระบวนการเหล่านี้ มีการใช้วิธีการสองวิธีที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน (แต่เสริมซึ่งกันและกัน): ทางสถิติ (จลน์ศาสตร์โมเลกุล) และอุณหพลศาสตร์

ฟิสิกส์โมเลกุล - สาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาโครงสร้างและคุณสมบัติของสสารตามแนวคิดเกี่ยวกับจลน์ศาสตร์ของโมเลกุล โดยอาศัยข้อเท็จจริงที่ว่าวัตถุทั้งหมดประกอบด้วยโมเลกุลที่เคลื่อนที่อย่างไม่เป็นระเบียบอย่างต่อเนื่อง กระบวนการที่ศึกษาโดยฟิสิกส์โมเลกุลเป็นผลมาจากการทำงานร่วมกันของโมเลกุลจำนวนมาก. มีการศึกษากฎพฤติกรรมของโมเลกุลจำนวนมากโดยใช้วิธีการทางสถิติ ซึ่งก็ขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าคุณสมบัตินั้นระบบมหภาค ถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของอนุภาคของระบบคุณสมบัติของการเคลื่อนที่และค่าเฉลี่ยของลักษณะไดนามิกของอนุภาคเหล่านี้ (ความเร็วพลังงาน ฯลฯ )ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิของร่างกายถูกกำหนดโดยความเร็วเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ที่วุ่นวายของโมเลกุลของมัน และเราไม่สามารถพูดถึงอุณหภูมิของโมเลกุลหนึ่งได้

อุณหพลศาสตร์ - สาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาคุณสมบัติทั่วไปของระบบมหภาคที่อยู่ในสถานะของสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ และกระบวนการเปลี่ยนผ่านระหว่างรัฐเหล่านี้อุณหพลศาสตร์ไม่พิจารณา ไมโครโพรเซส ซึ่งรองรับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้และอยู่บนพื้นฐานของ หลักการสองประการของอุณหพลศาสตร์ - กฎพื้นฐานที่จัดตั้งขึ้นจากการทดลอง

วิธีการทางสถิติของฟิสิกส์ไม่สามารถใช้ได้ในหลายสาขาวิชาของฟิสิกส์และเคมี ในขณะที่วิธีทางอุณหพลศาสตร์นั้นเป็นสากล อย่างไรก็ตาม วิธีการทางสถิติทำให้สามารถสร้างโครงสร้างระดับจุลภาคของสารได้ ในขณะที่วิธีทางอุณหพลศาสตร์จะสร้างการเชื่อมต่อระหว่างคุณสมบัติระดับมหภาคเท่านั้น ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุลและอุณหพลศาสตร์ประกอบกันเป็นหนึ่งเดียว แต่วิธีการวิจัยต่างกัน

2.ทฤษฎีโมเลกุล-จลนศาสตร์ของก๊าซในอุดมคติ

2.1.คำจำกัดความพื้นฐาน

วัตถุประสงค์ของการศึกษาในทฤษฎีจลน์ศาสตร์โมเลกุลคือก๊าซ มีความเชื่อกันว่า โมเลกุลของก๊าซซึ่งมีการเคลื่อนไหวแบบสุ่มไม่ถูกผูกมัดด้วยแรงปฏิสัมพันธ์ดังนั้นพวกมันจึงเคลื่อนที่อย่างอิสระซึ่งเป็นผลมาจากการชนกันเพื่อกระจายไปในทุกทิศทางโดยเติมปริมาตรทั้งหมดที่ให้ไว้ดังนั้นก๊าซจึงใช้ปริมาตรของภาชนะที่ก๊าซนั้นครอบครอง

ก๊าซในอุดมคติ เป็นก๊าซซึ่ง: ปริมาตรที่แท้จริงของโมเลกุลนั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาตรของภาชนะบรรจุ ไม่มีแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลของก๊าซ การชนกันของโมเลกุลก๊าซและผนังภาชนะจะยืดหยุ่นได้อย่างแน่นอนสำหรับก๊าซจริงหลายชนิด แบบจำลองก๊าซในอุดมคติจะอธิบายคุณสมบัติระดับมหภาคได้ดี

ระบบอุณหพลศาสตร์ - ชุดของวัตถุขนาดมหึมาที่มีปฏิกิริยาและแลกเปลี่ยนพลังงานทั้งระหว่างกันและกับวัตถุอื่น ๆ (สภาพแวดล้อมภายนอก)

สถานะของระบบ- ชุดของปริมาณทางกายภาพ (พารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ พารามิเตอร์สถานะ) ซึ่งแสดงลักษณะคุณสมบัติของระบบเทอร์โมไดนามิกส์:อุณหภูมิ ความดัน ปริมาตรจำเพาะ

อุณหภูมิ- ปริมาณทางกายภาพที่แสดงลักษณะของสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ของระบบมหภาคระบบ SI ช่วยให้สามารถใช้งานได้ อุณหพลศาสตร์ และ ระดับอุณหภูมิที่ใช้งานได้จริง .ในระดับอุณหพลศาสตร์ จุดสามจุดของน้ำ (อุณหภูมิที่น้ำแข็ง น้ำ และไอน้ำที่ความดัน 609 Pa อยู่ในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์) ถือว่ามีค่าเท่ากับที = 273.16 องศาเคลวิน[เค]. ในทางปฏิบัติอุณหภูมิเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ำที่ความดัน 1,01300 Pa ถือว่าเท่ากันตามลำดับ t = 0 และ t = 100 องศาเซลเซียส [ค].อุณหภูมิเหล่านี้มีความสัมพันธ์กันโดยความสัมพันธ์

อุณหภูมิ T = 0 K เรียกว่าศูนย์เคลวิน ตามแนวคิดสมัยใหม่ อุณหภูมินี้ไม่สามารถบรรลุได้แม้ว่าจะเข้าใกล้อุณหภูมินั้นมากที่สุดก็ตาม

ความดัน - ปริมาณทางกายภาพที่กำหนดโดยแรงตั้งฉากเอฟ โดยออกฤทธิ์จากด้านก๊าซ (ของเหลว) บนพื้นที่เดียวที่วางอยู่ภายในก๊าซ (ของเหลว) p = F/S โดยที่ S คือขนาดของไซต์ หน่วยของความดันคือปาสคาล [Pa]: 1 Pa เท่ากับความดันที่สร้างขึ้นโดยแรง 1 N ซึ่งกระจายอย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิวปกติโดยมีพื้นที่ 1 m 2 (1 Pa = 1 N/m 2).

ปริมาณเฉพาะคือปริมาตรต่อหน่วยมวล v = V/m = 1/r โดยที่ V คือปริมาตรของมวล m r คือความหนาแน่นของวัตถุที่เป็นเนื้อเดียวกัน เนื่องจากสำหรับร่างกายที่เป็นเนื้อเดียวกัน v ~ V คุณสมบัติมหภาคของร่างกายที่เป็นเนื้อเดียวกันสามารถกำหนดลักษณะได้ทั้ง v และ V

กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ - การเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในระบบเทอร์โมไดนามิกส์ที่นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ทางเทอร์โมไดนามิกส์อย่างน้อยหนึ่งค่าสมดุลทางอุณหพลศาสตร์- สถานะของระบบมหภาคเมื่อพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไปกระบวนการสมดุล - กระบวนการที่เกิดขึ้นในลักษณะที่การเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ในช่วงเวลาจำกัดนั้นมีน้อยมาก

ไอโซโพรเซส - กระบวนการเหล่านี้เป็นกระบวนการสมดุลซึ่งพารามิเตอร์สถานะหลักตัวใดตัวหนึ่งยังคงไม่เปลี่ยนแปลงกระบวนการไอโซบาริก - กระบวนการที่เกิดขึ้นที่ความดันคงที่ (ในพิกัดวี,ที เขาแสดงให้เห็นไอโซบาร์ ). กระบวนการไอโซคอริก- กระบวนการที่เกิดขึ้นที่ปริมาตรคงที่ (ในพิกัดพี, ที เขาแสดงให้เห็นไอโซชอร์ ). กระบวนการไอโซเทอร์มอล - กระบวนการที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่ (ในพิกัดพี,วี เขาแสดงให้เห็นไอโซเทอม ). กระบวนการอะเดียแบติกเป็นกระบวนการที่ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างระบบและสิ่งแวดล้อม (ในพิกัดพี,วี เขาแสดงให้เห็นอะเดียแบติก ).

ค่าคงที่ของ Avogadro (จำนวน) - จำนวนโมเลกุลในหนึ่งโมลยังไม่มีข้อความ =6.022. 10 23 .

สภาวะปกติ: p = 101300 Pa, T = 273.16 เค