Лекция №4 Термодинамический и статистический методы анализа систем и процессов Вступление

На прошлой лекции изучался закон сохранения механической энергии. Он гласит:

• Кинетическая энергия W_кин – характеризует количество двигательной активности, присутствующей в системе

• Потенциальная энергия W_пот – характеризует способность системы приобретать двигательную активность

• Их сумма W_кин+W_пот=W_мех – полная механическая энергия системы

• Если в системе нет неконсервативных сил, её полная механическая энергия сохраняется.

Другими словами, если в замкнутой системе присутствуют неконсервативные силы, её энергия не сохраняется. Куда же она девается? Мы знаем, что при трении поверхностей друг о друга (действие неконсервативной силы трения) поверхности нагреваются. Значит, пропадающая из системы механическая энергия переходит в другую форму – в тепловую энергию. Закономерности взаимного превращения механической и тепловой энергии и являются темой сегодняшней лекции.

1. Макроскопические системы

Мы уже выяснили, что все материальные объекты состоят из атомов и молекул. Тепловая энергия – не что иное как кинетическая энергия их механического движения.

Макроскопические системы – состоят из большого числа частиц.

Объект исследования:

Идеальный газ – взаимодействием между его молекулами можно пренебречь.

Закон Авогадро: равные объёмы любых газов в одинаковых условиях содержат одинаковое число молекул.

1 Моль – такое количество молекул, что его масса в граммах равна массе его молекулы в у.е. Это число – число Авогадро: N_a=6,022∙10²³ моль^-1

Молярная масса μ – масса одного моля: μ(H₂)=2 г; μ(O₂)=32 г; μ(N₂)=28 г; μ(воздух)=29 г.

Количество вещества ν – число молей. .

Концентрация – число молекул в единице объёма: .

Закон Авогадро: при нормальных условиях (t=0°С; p=1 атм=1∙10⁵Па) один моль любого газа занимает одинаковый объём V_m = 22,4 л.

Вычислим концентрацию молекул в воздухе:

Вычислим среднее расстояние между молекулами газа:

Из-за огромного количества частиц поведение макросистем нельзя описывать методами механики, поэтому используют другие методы:

2. Уравнение состояния. Нулевое начало термодинамики

Способы описания макроскопических систем

• Статистическая физика – использует микропараметры: масса молекул, их средняя скорость и т.п.

• Термодинамика – использует макропараметры, характеризующие систему в целом:

1. Объём V;

2. Давление p: p=F/S; [p]=1 Н/м²=1 Па;

3. Температура T. Объяснить необходимость введения абсолютной температуры (см. рисунок справа)

T(K)=T(°C)+273.

Связь абсолютной температуры и энергии движения молекул

Физический смысл: абсолютная температура – мера интенсивности хаотического движения молекул газа.

Средняя кинетическая энергия молекул газа: , гдеi – число степеней свободы молекулы. Для одноатомного газа: i=3; для двухатомного: i=5. Объяснить в связи с этим смысл абсолютного нуля (кинетическая энергия не может быть отрицательной) и процесса теплопередачи.

Нулевое начало термодинамики

В состоянии термодинамического равновесия температура всех частей системы одинакова

Уравнение состояния – связь между давлением, объёмом и абсолютной температурой. Уравнение состояния идеального газа – уравнение Менделеева-Клапейрона: , где.

, где – постоянная Больцмана. Показывает увеличение энергии одной степени свободы при увеличении температуры на 1 К.

Демонстрация «Закон Менделеева-Клапейрона» (Молекулярная физика №3)

Демонстрация «Атмосферное давление» (Молекулярная физика №1)

Теперь, когда мы описали все используемые в термодинамике величины, можно переходить к описанию превращений энергии.