- •Молекулярна фізика та термодинаміка
- •I. Основні положення молекулярної фізики і термодинаміки
- •1.1. Молекулярна фізика і термодинаміка, їх завдання та методи
- •1.2. Макроскопічні параметри системи та їх мікроскопічне тлумачення
- •1.3. Основні газові закони. Рівняння стану ідеального газу
- •1.4. Тиск газу з погляду молекулярно-кінетичної теорії
- •1.5. Молекулярно-кінетичне тлумачення температури
- •II. Перший закон термодинаміки
- •2.1. Вступ
- •2.2. Внутрішня енергія термодинамічної системи
- •2.3. Теплота і робота як форми передачі енергії
- •2.4. Теплоємність
- •2.5. Перший закон термодинаміки
- •2.6. Ізопроцеси в ідеальних газах
- •III. Другий закон термодинаміки
- •3.1. Можливості першого закону термодинаміки
- •3.2. Колові процеси
- •3.3. Цикл Карно
- •3.4. Нерівність Клаузіуса
- •3.5. Ентропія і її властивості
- •3.6. Другий закон термодинаміки
- •3.7. Статистичний характер другого закону термодинаміки
- •IV. Термодинамічні потенціали
- •4.1. Загальні відомості
- •4.2. Внутрішня енергія
- •4.3. Енергія Гельмгольца
- •4.4. Ентальпія
- •4.5. Енергія Гіббса
- •V. Третій закон термодинаміки
- •VI. Статистичні розподіли
- •6.1. Короткі відомості з теорії ймовірностей
- •6.2. Закон розподілу Больцмана
- •6.3. Закон розподілу Максвелла
- •6.4. Закон розподілу Максвелла–Больцмана
- •6.5. Закон рівномірного розподілу енергії за ступенями вільності
- •6.6. Внутрішня енергія й теплоємність ідеального газу
- •VII. Явища переносу в газах
- •7.1. Середня довжина вільного пробігу молекули
- •7.2. Дифузія в газах
- •7.3. Внутрішнє тертя з газах
- •7.4. Теплопровідність газів
- •VIII. Реальні гази
- •8.1. Відхилення реальних газів від ідеальності
- •8.2. Рівняння Ван-дер-Ваальса
- •8.3. Ізотерми реальних газів. Фазові переходи
- •8.4. Критична точка. Закон відповідних станів
- •8.5. Внутрішня енергія реального газу
- •8.6. Ефект Джоуля–Томсона
- •8.7. Зрідження газів та отримання низьких температур
- •IX. Рідини
- •9.1. Деякі властивості та будова рідини
- •9.2. Поверхневий натяг рідини
- •9.3. Поверхнево-активні речовини. Адсорбція
- •9.4. Змочування
- •9.5. Тиск викривленої поверхні. Капілярні явища
- •Х. Кристали
- •10.1. Особливості кристалічного стану
- •10.2. Класифікація кристалів
- •10.3. Фізичні типи кристалів
- •10.4. Дефекти в кристалах
2.6. Ізопроцеси в ідеальних газах
Щоразу, застосовуючи на практиці методи термодинаміки (розрахунки теплових двигунів, холодильних машин тощо) досить часто доводиться мати справи з ізопроцесами в газах, тобто з такими процесами, під час перебігу яких один з основних параметрів ( , чи ) і маса газу не змінюються. Розглянемо деякі з них.
І зохорний процес – процес, що відбувається за постійного об’єму газу. У координатах Р-V він має вигляд прямої, що називають ізохорою (рис. 2.3а). Оскільки , то , і для ізохорного процесу рівняння (2.14) набирає вигляду:
(2.16)
Тобто уся теплота, отримана системою в ізохорному процесі, витрачається на зміну її внутрішньої енергії.
П ри зміні температури газу від Т1 до Т2 зі збереженням об’єму зміна його внутрішньої енергії та кількість наданої йому теплоти може бути виражена рівнянням:
(2.17)
а теплоємність одного моля за постійного об’єму:
(2.18)
Ізобарний процес – процес, що відбувається за постійного тиску. У координатах він зображується прямою, названою ізобарою (рис. 2.3б). На основі рівняння Мендєлєєва-Клапейрона при знаходимо:
З урахуванням цього, а також рівнянь (2.10) та (2.16), рівняння (2.14) набуває вигляду:
( 2.19)
З цього рівняння знаходимо зв'язок між молярною теплоємністю газу за постійного тиску і його молярною теплоємністю при постійному об'ємі : (2.20)
Це співвідношення називають рівнянням Р. Майєра.
Зі співвідношення знаходимо:
. (2.21)
З рівняння (2.21) випливає, що універсальна газова стала R чисельно дорівнює роботі, виконаній одним молем ідеального газу під час його ізобарного нагрівання на один градус. Робота, виконана в ізобарному процесі 1–2:
(2.22)
Ізотермічний процес – процес, що відбувається за постійної температури. У координатах Р-V він зображується рівнобічною гіперболою (рис. 2.3в), яку називають ізотермою. Оскільки при , і то рівняння першого закону термодинаміки для цього процесу набуває вигляду:
(2.23)
Н а основі рівняння Мендєлєєва-Клапейрона знаходимо:
(2.24)
У ся теплота , яка була надана газу в ізотермічному процесі, витрачається на здійснення газом роботи проти зовнішніх сил:
(
В
В
Т
Г
Адіабатний процес – процес, що відбувається без теплообміну між системою та зовнішнім середовищем. Його широко застосовують у циклах двигунів внутрішнього згоряння, холодильних установках тощо. Для такого процесу , і рівняння першого закону термодинаміки має вигляд:
(2.26)
Робота в адіабатному процесі виконується за рахунок внутрішньої енергії системи (газу). На основі рівняння Мендєлєєва–Клапейрона знаходимо:
Підставивши це значення в рівняння (2.26), отримаємо:
Оскільки , то
Р озділимо це рівняння на , позначивши , отримаємо:
(2.27)
Приймаючи , що в не дуже великому інтервалі звичайних температур практично вірно, проінтегруємо останнє рівняння й отримаємо:
з відки:
(2.28)
Це рівняння називають рівнянням Пуассона, а лінію, що зображує адіабатний процес, називають адіабатою. У координатах вона представлена на рис. 2.3 г.
Р озділивши рівняння на і спотенціювавши результат ділення, отримаємо:
(2.29)
Я кщо за рівнянням Мендєлєєва–Клапейрона виразити тиск і об'єм і підставити їх послідовно в рівняння (2.28) і (2.29), то після незначних математичних перетворень можна одержати рівняння адіабати, виражені через параметри і :
(2.30)
Р оботу , яка виконується газом в адіабатному процесі 1-2, знайдемо на основі рівняння (2.26):
(2.31)
На основі рівнянь (2.20) і (2.27) знаходимо:
(2.32)
П ідставимо це значення у рівняння (2.31) і знайдемо:
(2.33)
Р озділивши й помноживши праву частину цього рівняння на і з огляду на рівняння Мендєлєєва–Клапейрона, отримаємо:
(2.34)
На основі рівнянь адіабат і знаходимо:
Підставивши ці значення в рівняння (2.33), отримаємо:
(2.35)
Політропні процеси – це процеси, при протіканні яких теплоємність тіла залишається постійною. Одержимо рівняння політропи на основі першого закону термодинаміки. Якщо з рівняння Клапейрона-Мендєлєєва виразити і підставити в рівняння , то з урахуванням рівняння , після деяких перетворень, можна отримати:
І нтегруючи це рівняння, отримаємо:
(2.36)
де
(2.37)
У
(2.38)
І з рівняння (2.37) знаходимо:(2.38)
С користавшись співвідношеннями (2.20), (2.32) і (2.38), одержимо
(2.39)
де – показник політропи, – показник адіабати.
На основі рівнянь (2.36) – (2.39) легко показати, що рівняння політропи охоплює усі раніше описані ізопроцеси. Так, при . За цих умов рівність (2.36) виконується при , що відповідає ізохорному процесу. Якщо , то і ,що відповідає ізобарному процесу. Рівняння (2.36) переходить у рівняння ізотерми при . При цьому відповідно до рівняння (2.38), , що відповідає ізотермічному процесу. Нарешті, при заміні на теплоємність і політропа (2.36) переходить в адіабату (2.28).
Робота, виконана ідеальним газом у процесі .
Оскільки , то , а , де і – тиск й об'єм газу на початку процесу.
Тоді:
(2.40)