- •Молекулярная физика.
- •Термодинамический подход к описанию молекулярных явлений.
- •Первое начало термодинамики. Циклические процессы
- •Второе начало термодинамики.
- •Энтропия термодинамической системы. Термодинамические потенциалы.
- •Взаимодействие молекул. Идеальный газ. Основные газовые законы.
- •1. Дискретный спектр энергий :
- •2. Распределение Гиббса.
- •3. Большое каноническое распределение (для ):
- •Теория флуктуаций. Броуновское движение.
- •Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса.
- •Твердые тела. Кристаллы. Симметрия кристаллов.
- •Фазовые переходы первого и второго рода. Условия устойчивости и равновесия.
- •Явления переноса.
- •Кинетическое Уравнение Больцмана. Понятие об н-теореме Больцмана.
- •Плазменное состояние вещества. Уравнение Власова. Понятие о самосогласованном поле.
-
Первое начало термодинамики. Циклические процессы
-
Три начала ТД: 1-ое – закон сохранения энергии, 2-е – направление развития процессов, 3 – ограничение.
а) Циклические процессы. б) Преобразование теплоты в работу. в) Нагреватель, рабочее тело, холодильник. г) КПД. д) Тепловой двигатель и холодильная машина. е) Цикл Карно. КПД цикла Карно.
а) Циклический процесс – процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние. Цикл на диаграмме процессов изображается замкнутой кривой.
– первое начало термодинамики
, – тепло, переданное системе, – тепло, отданное системой.
б) Вся работа, совершённая за цикл, получается за счёт теплоты, которое поступило в систему.
в) Нагреватель – тело, температура которого выше температуры рабочего тела. Рабочее тело – газ либо другое тело. Холодильник – тело, температура которого ниже, чем температура рабочего тела.
Работа: сила определяется как , следовательно, работа равна . Работа внешних сил меньше нуля, работа газа при увеличении объёма больше нуля. . В Общем смысле: , где – обобщённая сила, – параметры.
Теплота – энергия в форме молекулярного движения. положительна, если она сообщается системе, и отрицательна, если забирается от неё.
Внутренняя энергия. Энергия, которая связана со всевозможными движениями частиц системы и их взаимодействием между собой, включая энергию, обусловленную взаимодействием и движением частиц, составляющих сложные частицы, называется внутренней энергией.
, если внутренняя энергия увеличивается.
1начало термодинамики: .
Теорема: КПД необратимой машины, работающей по циклу Карно, не может быть больше КПД обратимой машины с теми же теплообменником и теплоотдатчиком.
Обратимый цикл, отличный от цикла Карно, удовлетворяющий условию теоремы, изобразится на диаграмме замкнутой кривой внутри прямоугольника.
|
-
Второе начало термодинамики.
Различные формулировки:
Томсон: «Невозможен такой круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт уменьшения внутренней энергии теплового резервуара».
Планк: «Невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом которой было бы поднятие груза за счёт охлаждения теплового резервуара».
Клаузиус: «Теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому», т.е. невозможно каким бы то ни было способом забрать теплоту от тела менее нагретого, целиком передать его телу более нагретому и притом так, чтобы в природе больше не произошло никаких изменений» (процесс Клаузиуса).
Докажем их эквивалентность: Из невозможности процесса Томсона следует невозможность процесса Клаузиуса.
Для доказательства предположим обратное, т.е. что процесс Клаузиуса возможен. Взяв простейшую тепловую машину, произведём круговой процесс, в результате которого машина отнимет от нагревателя теплоту, передаст холодильнику теплоту и совершит положительную работу . Затем с помощью процесса Клаузиуса теплоту вернём от холодильника нагревателю. Тогда получится круговой процесс, единственным результатом которого является производство работы за счёт эквивалентного её кол-ва теплоты , отнятого от нагревателя. Никаких других изменений в природе не произойдёт. Но это есть процесс Томсона, а он по предположению невозможен, следовательно, утверждение доказано.
Обратно, из невозможности процесса Клаузиуса вытекает невозможность процесса Томсона. Предположим обратное, т.е. что процесс Томсона возможен. Тогда, пользуясь процессом, отнимем от менее нагретого тела теплоту и за счёт этой теплоты произведём механическую работу, например, подняв груз. Затем используем энергию поднятого груза для нагревания, например, путём трения, более нагретого тела. В результате перейдёт от менее нагретого тела к более нагретому, и никаких изменений не произойдёт. Но это есть процесс Клаузиуса, а он невозможен.
Вторая теорема Карно: Коэффициент полезного действия любой тепловой машины, работающей по необратимому циклу, меньше коэффициента полезного действия машины с обратимым циклом Карно, при условии равенства температур их нагревателей и холодильников: . |
– неравенство Клаузиуса.
Пусть замкнутая система переходит из1 в 2. Возвратим систему в состояние1(нарушив изолированность):
При , при 21:
,
или – выражение для 2-го начала ТД