Принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы

Принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы сформулирован Максвеллом: если система находится в состоянии равновесия при температуре T, то энергия распределяется по степеням свободы равномерно и на каждую степень свободы приходится энергия (1/2)kT, где k = 1,38·10^-23 Дж /К – постоянная Больцмана.

Работа

Работой называется макрофизический способ изменения внутренней энергии системы, сопровождающийся макроскопическим движением. Ср.: Теплообмен. Энергия, которую система получает (или отдает) при этом процессе, называется так же работой (A).

Равновесные распределения

Равновесные распределения – формулы, показывающие, как распределяются молекулы по энергиям и скоростям. См. Распределение Больцмана и Распределение Максвелла.

Равновесный процесс

Равновесным называется процесс, протекающий бесконечно медленно и представляющий собой последовательность равновесных состояний. Равновесный процесс протекает при наличии бесконечно малой разности потенциалов системы и среды. Равновесные процессы изучает раздел термодинамики – термостатика. Реальный процесс можно считать равновесным, если он протекает достаточно медленно.

Распределение Больцмана

Распределение Больцмана – равновесное распределение молекул в потенциальном поле: n = n₀exp(-ΔE/kT), где n₀ – концентрация молекул там, где потенциальная энергия принимается равной нулю; n – концентрация там, где потенциальная энергия равна ΔE; T – температура; k = 1,38·10^-23 Дж/K – постоянная Больцмана. При T → ∞ n = n₀ , т. е. концентрации рыравниваются с повышением температуры.

Распределение Максвелла

Распределение Максвелла – равновесное распределение молекул по скоростям: f(u) = (Δn/nΔu) = (4/√π)u²e^-u2 , где Δn – число молекул, скорости которых лежат в интервале от u до (u + Δu); n – общее число молекул; u = v/v_в – относительная скорость, т. е. отношение скорости молекулы v к наивероятнейшей скорости v_в. Отношение Δn/n можно интерпретировать как априорную вероятность того, что у наугад взятой молекулы скорость окажется в интервале от u до (u + Δu).

Свободный пробег

Свободный пробег есть расстояние, которое проходит молекула между двумя соударениями. В молекулярно-кинетической теории вводится понятие среднего свободного пробега.

Система и среда

Термодинамическая система – это часть Вселенной, выделенная для исследования. Средой может быть и газ в сосуде и скопление галактик. Среда – все остальное (то, что не вошло в систему).

Степени свободы

Степени свободы – независимые координаты, определяющие положение тела (молекулы) в пространстве.

Температура

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. С точки зрения термодинамики температура есть мера отклонения данного тела от состояния термодинамического равновесия с другим телом. Общее определение: температура есть производная от внутренней энергии системы по энтропии. Для идеального газа температура есть мера средней кинетической энергии молекулы.

Тепловая смерть Вселенной

Творцы второго начала термодинамики Томсон и Клаузиус распространили второе начало на всю Вселенную, рассматривая ее как замкнутую систему. Ход их рассуждений был таков. Все виды энергии могут без ограничений переходить во внутреннюю энергию (в энергию хаотического движения частиц, как часто говорят, в теплоту). Теплота самопроизвольно самопроизвольно передается от более нагретых к менее нагретым телам. Образно говоря, все виды энергии стекают в тепловой океан. В конце концов наступает равновесие при температуре, близкой к абсолютному нулю. Наступает тепловая смерть Вселенной. Критика этой теории основана на двух положениях. Во-первых, Вселенную нельзя считать замкнутой системой, так как понятие система предполагает наличие среды. Во-вторых, во Вселенной существуют процессы концентрации энергии, механизма которых мы не знаем. См. также Второе начало термодинамики.

Тепловое расширение твердых тел

Тепловое расширение твердых тел (увеличение размеров при нагревании) объясняется асимметрией потенциальной кривой зависимости потенциальной энергии от расстояния между атомами.

Тепловые машины

Тепловыми машинами называются устройства для преобразования внутренней энергии в механическую работу. Любая тепловая машина состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела. К тепловым машинам относятся паровые машины, паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели и т. д.

Теплоемкость

Теплоемкостью тела (системы) называется количество теплоты, необходимое для нагревания тела (системы) на один кельвин. Если расчет ведется на один килограмм, теплоемкость называется удельной, если на один (кило)моль – (кило)молярной.

Теплопроводность

Теплопроводностью называется процесс выравнивания температур при соприкосновении тел (твердых, жидких или газообразных), имеющих разную температуру. Теплопроводность объясняется переходом энергии от более нагретых к менее нагретым областям при отсутствии (если это газ или жидкость) перемешивания или конвекции. См. также Явления переноса.

Теплообмен

Теплообменом (или теплопередачей) называется микрофизический способ изменения внутренней энергии системы, не связанный с макроскопическим движением. См. также Количество теплоты.

Термодинамика

Термодинамика – наука о самых разнообразных процессах и сопровождающих их энергетических превращениях. Термодинамика относится к области макрофизики, она отвлекается от подразумеваемого молекулярного строения вещества и учитывает лишь поведение системы в целом. Делится на термостатику и собственно термодинамику.