большого числа молекул, атомов или ионов, находящихся в тепловом движении и
взаимодействующих между собой. Такими системами являются твёрдые тела,
жидкости, газы. Состояние термодинамической системы характеризуется
совокупностью небольшого числа физических величин, называемых параметрами
состояния. Например, для газа в качестве таких параметров обычно используют
давление, объём и температуру Простейшей термодинамической системой
является идеальный газ.
2. Газ называют идеальным, если выполняются следующие условия:
а) Размеры молекул исчезающе малы
б) Силы притяжения между молекулами отсутствуют.
в) Столкновения молекул между собой и со стенками сосуда упругие, те. в
результате этих соударений кинетическая энергия и импульс всех молекул,
находящихся в сосуде, не изменяется.
Хотя идеальных газов в природе не существует, реальные газы при обычных
условиях (при малых давлениях и не слишком низких температурах) в
достаточно хорошем приближении можно рассматривать как идеальные.
З. Основным уравнением молекулярно-кинетической теории идеального газа
принято называть соотношение, связывающее давление газа и кинетическую
энергию поступательного движения молекул, содержащихся в единице объёма
Запишем уравнение без вывода.
[pic]
т.е. давление газа равно двум третям кинетической энергии поступательного
движения молекул, находящихся в единице объёма
2.Температура — одно из основных понятий физики. Она характеризует степень
нагретости тела. Первоначально это понятие возникло из наших ощущений
холодное, теплое, горячее. Однако такой критерий крайне субъективен,
поскольку ощущения зависят от состояния человека. Например, если одну руку
подержать в холодной воде, а другую - в горячей, а затем опустить их в воду
комнатной температуры, то ощущения для них будут различными. Поэтому
необходимо ввести объективный критерий для измерения температуры. Так, в
термодинамике температуру связывают с теплообменом, т.е. передачей энергии
от одного тела к другому без совершения работы. Известно, что перенос
энергии осуществляется от тела с более высокой температурой к телу с более
низкой. Если теплообмен не происходит, то температуры этих тел одинаковы.
Такое состояние называется тепловым равновесием.
Физический смысл температуры раскрывается в молекулярной физике. При
тепловом движении молекулы газа непрерывно сталкиваются между собой. Это
приводит к тому, что скорости молекул, а следовательно, и их кинетические
энергии при любой температуре различим. Поэтому можно говорить о средней
кинетической энергии поступательного движения молекул. Из молекулярно-
кинетической теории идеального газа известно, что средняя кинетическая
энергия [pic] поступательного движения молекул связана с абсолютной
температурой Т соотношением [pic]
где k — постоянная Больцмана. Это соотношение свидетельствует о том, то
средняя кинетическая энергия молекул смеси будет одинаковой, несмотря на
различие масс молекул. Выражение), полученное для идеального газа,
справедливо и для любых термодинамических систем. Из этого выражения
вытекает важнейшее положение молекулярно-кинетической теории: абсолютная
температура является мерой средней кинетической энергии поступательного
движения молекул.
Из формулы видно также, что абсолютная температура является сугубо
положительной величиной, поскольку средняя кинетическая энергия
отрицательной быть не может. Нулевой уровень температуры по абсолютной
шкале называют абсолютным нулём. Это предельно низкая температура, которая
в принципе не достижима.
В физике рассматриваются две температурные шкала — это шкала Кельвина
(абсолютная шкала) и шкала Цельсия. Реперной (опорной) точкой на шкале
Кельвина является тройная точка воды, т.е. такое состояние, при котором
вода одновременно находится в трёх агрегатных состояниях -твёрдом, жидком и
газообразном. Этому состоянию приписывается абсолютная температура 273,16
К. Поэтому 1/273,16 часть этой температуры равна 1К. у шкалы Цельсия две
реперные точки — температура таяния льда принимается за 0 °С, а
кипения воды - за 100 °С при нормальном атмосферном давлении. Одна сотая
часть этого интервала температур равна 1 °С. Данные температурные шкалы
связаны соотношением ТК = t°C + 273,15, из которого следует, что один
градус Цельсия равен одному Кельвину.
Билет № 8
1. Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа
выводятся газовые законы, открытые опытным путем.
Согласно соотношению [pic]запишем [pic]
где Р — давление газа, [pic]— кинетическая энергия поступательного движения
молекул, находящихся в единице объёма. Кинетическую энергию молекул можно
выразить через среднюю кинетическую энергию [pic] одной молекулы: [pic] где
n - число молекул в единице объёма. Но [pic]
Здесь k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура газа.
Подставляя это выражение в находим
[pic]
Учитывая, что n = N/V. где N— число молекул газа в объёме V. получаем
[pic]
Это соотношение называется уравнением состояния идеального газа.
Уравнение состояния идеального газа неудобно тем, что в него входит число
молекул N, которое нельзя непосредственно измерить. Поэтому придадим ему
такую форму, чтобы величины, входящие в него, можно было измерить.
Обозначим через [pic]массу одной молекулы. Тогда, очевидно, [pic], где m -
масса газа. Умножим и разделим правую часть этого равенства на [pic]
[pic]
так как [pic] - масса одного моля или молярная масса. (Напомним, что число
Авогадро показывает, сколько молекул находятся в одном моле вещества, а
один моль - это количество вещества, выраженное в граммах, равное
относительной молекулярной массе). Подставляя выражение
находим [pic]. Введём новую постоянную [pic] Ее называют универсальной
газовой постоянной. Тогда
[pic]
Соотношение (25.5) называется уравнением Менделеева - Клапейрона.
Оно связывает между собой параметры состояния идеального газа и позволяет
предсказывать состояние газа.
2. Переход термодинамической системы из одного состояния в другое называют
термодинамическим процессом (или процессом). При этом изменяются параметры
состояния системы. Однако возможны процессы, называемые изопроцессами, при
которых один их параметров состояния остаётся неизменным. Существует три
изопроцесса: изотермический, изобарический (изобарный) и изохорический
(изохорный). Изотермическим называют процесс, происходящий при неизменной
температуре (Т= соnst); изобарическим процессом - при постоянном давлении
(P = const), изохорическим - при неизменном объёме (V= const).
Из уравнения Менделеева - Клапейрона как частные случаи можно получить
все газовые законы, открытые опытным путём. Выведем закон Бойля - Мариотта.
Если масса и температура газа постоянны (m=const, T=const), то правая часть
[pic] равенства будет постоянной. Поэтому [pic]
т.е. для данной массы газа при неизменной температуре произведение
давления газа на его объём - величина постоянная. График: изотерма
Для изобарического процесса справедлив закон Гей-Люссака. Из уравнения
Менделеева - Клапейрона следует [pic]. Если масса и давление газа
постоянны, то [pic] и
[pic]
Соотношение называется законом Гей-Люссака: для данной массы газа при
постоянном давлении объём газа пропорционален его температуре. На рис. 26.2
показан график зависимости объёма от температуры.
В случае изохорического процесса справедлив закон Шарля. Из уравнения
Менделеева - Клапейрона следует, что[pic]. Если масса и объём газа
постоянны, то [pic] и
[pic]
Уравнение называют законом Шарля: для данной массы газа при постоянном
объёме давление газа пропорционально его температуре.
График: изохора.
Билет № 9
1. Испарение и конденсация. Процесс перехода вещества из жидкого
состояния в газообразное состояние называется парообразованием, обратный
процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называют
конденсацией. Существуют два вида парообразования - испарение и кипение.
Рассмотрим сначала испарение жидкости. Испарением называют процесс
парообразования, происходящий с открытой поверхности жидкости при любой
температуре. С точки зрения молекулярно-кинетической теории эти процессы
объясняются следующим образом. Молекулы жидкости, участвуя в тепловом
движении, непрерывно сталкиваются между собой. Это приводит к тому, что
некоторые из них приобретают кинетическую энергию, достаточную для
преодоления молекулярного притяжения. Такие молекулы, находясь у
поверхности жидкости, вылетают из неё, образуя над жидкостью пар (газ).
Молекулы пар~ двигаясь хаотически, ударяются о поверхность жидкости. При
этом часть из них может перейти в жидкость. Эти два процесса вылета молекул
жидкости и ах обратное возвращение в жидкость происходят одновременно. Если
число вылетающих молекул больше числа возвращающихся, то происходит
уменьшение массы жидкости, т.е. жидкость испаряется, если же наоборот, то
количество жидкости увеличивается, т.е. наблюдается конденсация пара.
Возможен случай, когда массы жидкости и пара, находящегося над ней, не
меняются. Это возможно, когда число молекул, покидающих жидкость, равно
числу молекул, возвращающихся в неё. Такое состояние называется
динамическим равновесием, а пар, находящийся в динамическом равновесии со
своей жидкостью, называют насыщенным. Если же между паром и жидкостью нет
динамического равновесия, то он называется ненасыщенным. Очевидно, что
насыщенный пар при данной температуре имеет определённую плотность,
называемую равновесной.
Это обусловливает неизменность равновесной плотности, а следовательно, и
давления насыщенного пара от его объёма при неизменной температуре,
поскольку уменьшение или увеличение объёма этого пара приводит к
конденсации пара или к испарению жидкости соответственно. Изотерма
насыщенного пара при некоторой температуре в координатной плоскости Р, V
представляет собой прямую, параллельную оси V С повышением температуры
термодинамической системы жидкость - насыщенный пар число молекул,
покидающих жидкость за некоторое время, превышает количество молекул,
возвращающихся из пара в жидкость. Это продолжается до тех пор, пока
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
