Главная страница
Навигация по странице:

  • Состояние макроскопической системы и его параметры. Понятие о тепловом равновесии.

  • Контакт макросистем и условия равновесия. Температура.

  • Уравнение состояния системы. Уравнение состояния идеального газа.

  • Равновесные и неравновесные процессы. Время релаксации.

  • Состояние макроскопической системы и его параметры. Микро и макропараметры системы


    Скачать 282.58 Kb.
    НазваниеСостояние макроскопической системы и его параметры. Микро и макропараметры системы
    АнкорTermodinamika_i_molekulyarnaya_fizika_188740.docx
    Дата24.04.2017
    Размер282.58 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаTermodinamika_i_molekulyarnaya_fizika_188740.docx
    ТипДокументы
    #2040
    страница1 из 4
      1   2   3   4


    Термодинамика и молекулярная физика

    1. Состояние макроскопической системы и его параметры. Микро- и макропараметры системы.

    Система, состоящая из большого числа молекул, называется макросистемой. Макросистема, отделенная от внешних тел стенками с постоянными свойствами, после длительного промежутка времени приходит в равновесное состояние. Это состояние можно описать рядом параметров, называемых Параметрами состояния. Различают Микропараметры и Макропараметры состояния.

    К микропараметрам состояния можно отнести следующие физические величины: массу M0 молекул, их скорость, среднюю квадратичную скорость молекул, среднюю кинетическую энергию молекул, среднее время между соударениями молекул, длину их свободного пробега и др. Это такие параметры, которые можно отнести и к одной молекуле макросистемы.

    Макропараметры состояния характеризуют только равновесную систему в целом. К ним относятся объем V, давление P, температура T, плотность ρ, концентрация N, внутренняя энергия U, электрические, магнитные и оптические параметры. Значения этих параметров могут быть установлены с помощью измерительных приборов.
    Микропараметры состояния

    Параметр

    Обозначение

    Единицы в СИ

    Масса молекулы

    M0

    Кг

    Скорость молекулы

    описание: image022

    М/c

    Cредняя квадратичная скорость движения молекул

    описание: image026

    М/c

    Средняя кинетическая энергия поступательного движения

    описание: image024

    Дж


    Макропараметры состояния

    Параметр

    Обозначение

    Единицы в СИ

    Способ измерения (косвенный способ)

    Масса

    M

    Кг

    Весы

    Объем

    V

    М3

    Мерный цилиндр с водой; измерение размеров и расчет по формулам геометрии

    Давление

    P

    Па

    Манометр

    Температура

    T

    К

    Термометр

    Плотность

    ρ

    Кг/м3

    Измерение массы, объема и расчет

    Концентрация

    N

    1/м3 = м-3

    Измерение плотности и расчет с учетом молярной массы

    Состав (молярная масса и соотношение количеств)

    М1, М2

    Кг/моль

    Приготовление газа смешением заданных масс или объемов



    1. Состояние макроскопической системы и его параметры. Понятие о тепловом равновесии.


    Система, состоящая из большого числа молекул, называется макросистемой. Макросистема, отделенная от внешних тел стенками с постоянными свойствами, после длительного промежутка времени приходит в равновесное состояние. Это состояние можно описать рядом параметров, называемых Параметрами состояния. Различают Микропараметры и Макропараметры состояния.

    К микропараметрам состояния можно отнести следующие физические величины: массу M0 молекул, их скорость, среднюю квадратичную скорость молекул, среднюю кинетическую энергию молекул, среднее время между соударениями молекул, длину их свободного пробега и др. Это такие параметры, которые можно отнести и к одной молекуле макросистемы.

    Макропараметры состояния характеризуют только равновесную систему в целом. К ним относятся объем V, давление P, температура T, плотность ρ, концентрация N, внутренняя энергия U, электрические, магнитные и оптические параметры. Значения этих параметров могут быть установлены с помощью измерительных приборов.

    Тепловое равновесие - состояние термодинамической систем, в которое она самопроизвольно переходит через достаточно большой промежуток времени в условиях изоляции от окружающей среды.

    В состоянии термодинамического равновесия:

    - в системе прекращаются все необратимые процессы, связанные с изменением энергии: теплопроводность, диффузия, химические реакции и др.;

    - макроскопические параметры системы не меняются со временем.

    Следует различать состояния устойчивого, неустойчивого и относительно устойчивого равновесия.

    Состояние устойчивого равновесия (стабильное состояние) характерно тем, что если каким-либо внешним воздействием вывести из него рассматриваемую систему, а затем снять это внешнее воздействие, то система сама возвратится в исходное состояние равновесия.

    Если систему, находящуюся в состоянии неустойчивого равновесия (лабильное состояние), из него вывести, то она уже не возвратитсяв исходное состояние, а перейдет в состояние устойчивого равновесия.Даже очень малые внешние воздействия выводят систему из лабильногосостояния.

    Наконец, состояние относительно неустойчивого равновесия (метастабильное состояние) — это состояние, в котором система может находиться в течение длительного времени, причем слабые внешние воздействия(возмущения), вызывающие небольшие отклонения системы от метастабильного состояния, не приводят к переходу в другое состояние; после того кактакое внешнее воздействие снято, система возвратится в исходное метастабильное состояние. Вместе с тем достаточно сильное воздействие выведет системуиз метастабильного состояния, и она перейдет в новое состояние устойчивогоравновесия. Таким образом, метастабильное состояние занимает промежуточное место по отношению к стабильному и лабильному состояниям.


    1. Контакт макросистем и условия равновесия. Температура.


    Про взаимодействующие макроскопические системы говорят, что они находятся в термодинамическом контакте. Обычно различают тепловой, материальный (или диффузионный) и механические контакты.

    При тепловом контакте системы могут обмениваться энергией без совершения работы; по достижении теплового равновесия макроскопические потоки энергии между системами прекращаются.

    При материальном (диффузионном) контакте системы могут обмениваться частицами.

    При механических контактах системы могут совершать работу друг над другом. В простейшем варианте механического контакта системы разгорожены подвижной стенкой, и равновесие (механическое) достигается при выравнивании давлений с обеих сторон стенки. К механическим контактам особого рода относятся взаимодействия термодинамических систем с внешними полями (внешними источниками работы). Последние представляют собой заданные функции координат (и времени в случае переменных полей), не зависящие от наличия макросистемы, и их можно рассматривать как классические механические системы с одной или несколькими степенями свободы и, соответственно, с нулевой энтропией. Во многих задачах статистической физики приходится иметь дело с комбинированными контактами: тепловой и механический контакты (например, подвижная теплопроводящая стенка между подсистемами), тепловой и материальный (пористая перегородка).

    В состоянии термодинамического равновесия:

    - в системе прекращаются все необратимые процессы, связанные с изменением энергии: теплопроводность, диффузия, химические реакции и др.;

    - макроскопические параметры системы не меняются со временем.

    Выполнение условий постоянства значений трех типов термодинамических величин в каждой точке системы, т.е. отсутствие их градиентов и связанных с ними потоками массы и энергии, может служить практическим доказательством, что состояние термодинамического равновесия достигнуто. Приведем эти условия.

    1) Постоянство давления Р во всех точках системы, означающее установление механического равновесия - является первым явно измеряемым на практике условием термодинамического равновесия. Это условие означает отсутствие макроскопического взаимного движения отдельных частей системы и, следовательно, отсутствие переноса энергии и массы на макроуровне.

    2) Постоянство температуры Т во всех точках системы, означающее установление теплового равновесия - является вторым явным условием термодинамического равновесия. Иногда это условие называется нулевым законом термодинамики, когда-то установленным экспериментально. Это условие означает отсутствие тепловых, т.е. энергетических, потоков в системе на молекулярном уровне.

    3) Третье условие термодинамического равновесия должно отражать отсутствие потоков массы на молекулярном уровне, и по физическому смыслу может быть сформулировано как равенство нулю средних скоростей (не тепловых) движения молекул или как отсутствия явления молекулярной диффузии. Здесь отметим только, что в простейших случаях в отсутствие силовых полей, фазовых переходов и химических реакций третьим условием равновесия будет постоянство концентраций веществ во всей системе.

    Температура тела – это физический параметр, одинаковый во всех частях системы тел, которая находится в состоянии термодинамического равновесия.

    Понятие «температура» было введено в физику в качестве физической величины, характеризующей степень нагретости тела не по субъективным ощущениям экспериментатора, а на основании объективных показаний физических приборов.

    Термометр – прибор для измерения температуры, действие которого основано на взаимно-однозначной связи наблюдаемого параметра системы (давления, объема, электропроводности, яркости свечения и т. д.) с температурой.

    В СИ температура выражается в кельвинах (К). По этой шкале 0 °С = 273,15 К и 100 °С = 373,15 К. В обиходе используются и другие температурные шкалы.

    В некоторых странах (например, в США) до сих пор активно используется другая шкала – шкала Фаренгейта. На шкале Фаренгейта точка таяния льда равна +32 °F, а точка кипения воды равна +212 °F. При этом один градус Фаренгейта равен 1/180 разности этих температур. Перевести градусы из Цельсия в Фаренгейт можно так: tF = tC * (9/5) + 32

    1. Уравнение состояния системы. Уравнение состояния идеального газа.

    Уравнение состояния — уравнение, связывающее между собой термодинамические параметры системы, такие, как температура, давление, объём, химический потенциал и др. Уравнение состояния можно написать всегда, когда можно применять термодинамическое описание явлений. При этом реальные уравнения состояний реальных веществ могут быть крайне сложными.

    Уравнение состояния системы не содержится в постулатах термодинамики и не может быть выведено из неё. Оно должно быть взято со стороны (из опыта или из модели, созданной в рамках статистической физики).

    Заметим, что соотношения, задаваемые уравнением состояния, справедливы только для состояний термодинамического равновесия.

    Виды уравнений состояния

    Термическое уравнение состояния. Термическое уравнение состояния связывает макроскопические параметры системы. Для системы с постоянным числом частиц его общий вид можно записать так: f(P,V,T)=0.

    То есть, задать термическое уравнение состояния — значит конкретизировать вид функции f.

    Калорическое уравнение состояния. Калорическое уравнение состояния показывает, как внутренняя энергия выражается через давление, объем и температуру. Для системы с постоянным числом частиц оно выглядит так: U=U(P,V,T) или, учитывая, что давление можно выразить из термического уравнения: U=U(V,T).

    Каноническое уравнение состояния. Каноническое уравнение представляет собой выражение для одного из термодинамических потенциалов (внутренней энергии, энтальпии, свободной энергии или потенциала Гиббса) через независимые переменные, относительно которых записывается его полный дифференциал:

    U=U(S,V) (для внутренней энергии),

    H=H(S, P) (для энтальпии),

    F=F(T,V) (для свободной энергии),

    G=G(T,P) (для потенциала Гиббса).

    Каноническое уравнение, независимо от того, в каком из этих четырех видов оно представлено, содержит полную информацию о термических и калорических свойствах термодинамической системы.

    Уравнение состояния идеального газа (иногда уравнение Клапейрона или уравнение Менделеева — Клапейрона) — формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. Уравнение имеет вид:

    pVM= RT,

    где p — давление, VM — молярный объём, R — универсальная газовая постоянная,

    T — абсолютная температура, К.

    Так как VM=V, где υ — количество вещества, а υ=m/M, где m масса, M — молярная масса, уравнение состояния можно записать:

    pV= (m/M)•RT,

    p = nkT,  где n = N/V  - концентрация атомов, k = R/NA - постоянная Больцмана.

    Эта форма записи носит имя уравнения (закона) Менделеева — Клапейрона.

    Уравнение, выведенное Клапейроном, содержало некую неуниверсальную газовую постоянную r, значение которой необходимо было измерять для каждого газа:

    pV = rT

    Менделеев же обнаружил, что r прямо пропорциональна υ, коэффициент пропорциональности R он назвал универсальной газовой постоянной.



    1. Равновесные и неравновесные процессы. Время релаксации.


    Совокупность всех физических и химических свойств системы характеризует её термодинамическое состояние. Все величины, характеризующие какое-либо макроскопическое свойство рассматриваемой системы – это параметры состояния (температура, объем, давление, концентрация и т.д.). Всякое изменение термодинамического состояния системы (изменения хотя бы одного параметра состояния) есть термодинамический процесс.

    Изменение состояния системы может происходить при различных условиях, поэтому различают:

    Равновесные процессы – это процессы, проходящие через непрерывный ряд равновесных состояний.

    Неравновесные процессы – это процессы, после протекания которых систему нельзя вернуть в исходное состояние без того, чтобы в ней не осталось каких-либо изменений.

    Процесс установления в термодинамической системе равновесного состояния называется релаксацией, а соответствующее время – временем релаксации.

    Время релаксации – период времени, за который амплитудное значение возмущения в выведенной из равновесия физической системе уменьшается в e раз (e — основание натурального логарифма), в основном обозначается греческой буквой τ.

    Согласно принципу Ле Шателье - Брауна, при отклонении физической системы от состояния устойчивого равновесия возникают силы, которые пытаются вернуть систему к равновесному состоянию. Если в состоянии равновесия некоторая физическая величина f имеет значение  f_0 , причём отклонение от равновесия  |f-f_0| \ll f_0 , то в первом приближении можно считать, что эти силы пропорциональны отклонению. Кинетическое уравнение для величины f запишется в виде

     \frac{df}{dt} = - \lambda (f - f_0) ,

    где λ — некоторый параметр, а знак минус указывает на то, что реакция системы на возмущение приводит к возвращению к равновесному состоянию.

    Время релаксации

     \tau = \frac{1}{\lambda}

    В таком случае величина f будет изменяться по закону:

     f(t) = f_0 + \delta f_0 e^{-t/\tau}\, ,

    где  \delta f_0 = f(0) - f_0  - начальное возмущение.


    1.   1   2   3   4
    написать администратору сайта