Закон термодинамики. Теплоёмкость вещества
 Скачать 25.04 Kb.
|
|
16. Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике. Первый закон термодинамики. Теплоёмкость вещества. Внутренняя энергия– энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия – однозначная функция термодинамического состояния системы, т.е. в каждом состоянии система обладает вполне определенной внутренней энергией (она не зависит от того как энергия пришла в данное состояние). Это означает, что при переходе системы из одного состояния в другое измерение внутренней энергии определяется только разностью значений внутренней энергии этих состояний и не зависит от пути перехода. Число степеней свободы – число независимых переменных (координат), полностью определяющих положение системы в пространстве. Двухатомный газ обладает 5 степенями свободы. Трехатомный газ имеет 6 степеней свободы (3 поступательных и 3 вращательных). Независимо от общего числа степеней свободы молекул три степени свободы всегда поступательные. Ни одна из поступательных степеней свободы не имеет преимущества перед другими, поэтому на каждую из них приходится в среднем одинаковая энергия, равная  В классической статистической физике выводится закон Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы молекул: для статистической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, на каждую поступательную и вращательную степени свободы приходится в среднем кинетическая энергия, равная  ,А на каждую колебательную степень свободы – в среднем энергия, равная  . Таким образом, средняя энергия молекулы  , где  - сумма числа поступательных, числа вращательных и удвоенного числа колебательных степеней свободы молекулы.В классической теории рассматривают молекулы с жесткой связью между атомами, для них совпадает с числом степеней свободы молекулы.Внутренняя энергия для произвольной массы m газа  где М – молярная масса, v – количество вещества. Количество теплоты - энергия, переданная системе внешними телами путем теплообмена(процесс обмена внутренними энергиями при контакте тел с разными температурами). Можно говорить о двух формах передачи энергии от одних тел к другим: работе и теплоте. Энергия механического движения может превращаться в энергию теплового движения и наоборот. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии, применительно к термодинамическим процессам этим законом и является первое начало термодинамики, установленное в результате обобщения многовековых опытных данных. Первое начало термодинамики : теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил. В дифференциальной форме уравнение будет иметь вид :  Или в более корректной форме:  ,где  – бесконечно малое изменение внутренней энергии системы, – элементарная работа, - бесконечно малое количество теплоты.В СИ количество теплоты измеряется в джоулях (Дж). Если система периодически возвращается в первоначальное состояние, то изменение её внутренней энергии  . Тогда, согласно первому началу термодинамики,  .Удельная теплоемкость вещества – величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания одного килограмма на один Кельвин:  ,Единица удельной теплоемкости: джоуль на кг-кельвин (Дж/(кг*К)). Молярная теплоемкость – величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 моль вещества на 1 К:  ,где  количество вещества.Единица молярной теплоемкости: джоуль на моль-кельвин (Дж/(моль*К)). Удельная теплоемкость с связана с молярной Сmотношением:  , гдеМ – молярная масса в-ва. Молярная теплоемкость газа при постоянном объеме равна изменению внутренней энергии 1 моль газа при повышении его температуры на 1 К. Тогда:  Уравнение Майера: оно показывает, что СP всегда больше СV на величину молярной газовой постоянной.  Использовав уравнение: ,Уравнение Майера можно записать в виде:  При рассмотрении термодинамических процессов важно знать характерное для каждого газа отношение CP к CV :  17.Второй закон термодинамики. Тепловые машины, их КПД. Цикл Карно. Второе начало термодинамики можно сформулировать как закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой необратимый процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает. Можно дать более краткую формулировку второго начала термодинамики: в процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает. Формулой Больцмана (  ) позволяет объяснить постулируемой вторым началом термодинамики возрастание энтропии в замкнутой системе при необратимых процессах: возрастание энтропии означает переход системы из менее вероятных в более вероятные состояния. Таким образом, формула Больцмана позволяет дать статистическое толкование второго начала термодинамики.Укажем еще 2 формулировки второго начала термодинамики:
Из формулировки второго начала термодинамики по Кельвину следует, что вечный двигатель второго рода – периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет охлаждения одного источника теплоты,- невозможен. Французский инженер и физик Карно показал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее 2х источников теплоты с различными температурами, иначе это противоречило бы второму началу термодинамики. Основываясь на втором начале термодинамики, Карно вывел теорему: из всех периодических действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей и холодильников, наибольшим КПД обладают обратимые машины, при этом КПД обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей и холодильников равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела (тела, совершающего круговой процесс и обменивающегося энергией с другими телами),а определяются только температурами нагревателя и холодильника. Карно теоретически проанализировал обратимый наиболее экономичный цикл, состоящий из 2х изотерм и 2х адиабат. Его называют циклом Карно. Прямой цикл Карно: в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем. Для цикла Карно КПД действительно определяется только температурами нагревателя и холодильника. Для его увеличения необходимо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника. Обратный цикл Карно положен в основу действия тепловых насосов. В отличие от холодильных машин, тепловые насосы должны как можно больше тепловой энергии отдавать горячему телу. Часть этой энергии отбирается от окружающей среды с более низкой температурой, а часть – получается за счет механической работы. Теорема Карно послужила основанием для установления термодинамической шкалы температур. Для сравнения температур необходимо осуществить обратимый цикл Карно, в котором одно тело используется в качестве нагревателя, другое – холодильника. 18.Строение и свойства жидкостей. Поверхностное натяжение. Давление Лапласа. Капиллярные явления. Жидкость является агрегатным состоянием в-ва, промежуточным между газообразным и твердым, поэтому она обладает свойствами как газообразных, так и твердых в-в. Жидкости, подобно твердым телам, обладают определенным объемом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся. В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами газа гораздо больше средней потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения между ними, поэтому молекулы газа разлетаются в разные стороны , и газ занимает предоставленный ему объем. В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами уже существенны и удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. В этом случае средняя энергия хаотического (теплового) движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и ее недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому твердые тела и жидкости имеют определенный объем. Характер расположения частиц жидкости промежуточен между твердым телом и газом. В газах молекулы движутся хаотично. Для твердых тел наблюдается дальний порядок в расположении частиц. В жидкостях имеет место так называемый ближний порядок. Молекулярное(внутреннее)давление- результирующие силы всех молекул поверхностного слоя, оказывающие давление на жидкость. Молекулярное давление не действует на тело, помещенное в жидкость, т.к. оно обусловлено силами, действующими только между молекулами самой жидкости. Поверхностное натяжение (  ) равно силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура, ограничивающего поверхность.Единица измерения поверхностного натяжения: Ньютон на метр (Н/м) или джоуль на квадратный метр (дж/м2). Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, т.к. увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости. Если поверхность жидкости не плоская, а искривленная, то она оказывает на жидкость избыточное(добавочное) давление. Это давление, обусловленное силами поверхностного натяжения, для выпуклой поверхности положительно, а для вогнутой поверхности – отрицательно. Формула Лапласа:  Частные случаи формулы Лапласа:   (при вогнутой поверхности жидкости)Если поместить одним концом узкую трубку (капилляр) одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд, то вследствие смачивания или несмачивания жидкостью стенок капилляра кривизна поверхности жидкости в капилляре становится значительной. Под вогнутой поверхностью жидкости появится отрицательное избыточное давление, определяющееся по формуле: . Наличие этого давления приводит к тому, чтожидкость в капилляре поднимается, т.к. под плоской поверхностью жидкости в широком сосуде избыточного давления нет. Если же жидкость не смачивает стенки капилляра, то положительное избыточное давление приведет к опусканию жидкости в капилляре. Явление изменения высоты уровня жидкости в капиллярах называется капиллярностью. , где - плотность жидкости,g- ускорение свободного падения. Если r – радиус капилляра,  -краевой угол   ,откуда 
|