Термодинамический подход к изучению физических процессов

В молекулярной физике широко пользуются двумя метода­ми: молекулярно-кинетическим и термодинамическим. Молекулярно-кинетическая теория качественно объясняет основные свойства тел.

Термодинамика изучает общие свойства тел и различные процессы в них, сопровождающиеся превращениями энергии, на основе законов превращения и сохранения энергии (начал термо­динамики). В термодинамике изучаются тепловые процессы — процес­сы, связанные с изменением температуры тела, а также с изме­нением его агрегатного состояния.

Преимущество термодинамического метода заключается в том, что основан на положениях, выведенных из многолетней человеческой практики. Существенный недостаток термодинами­ческого метода заключается в том, что он, не вскрывая внутрен­него механизма явлений, описывает только, как протекает дан­ный процесс, не выясняя, почему он так протекает.Термодинамический и молекулярно-кинетический методы, применяемые к одним и тем же объектам, дополняют друг друга.

Термодинамические параметры состояния тела

В термодинамике имеют дело с термодинамическими систе­мами. Под термодинамической системой подразумевается любое конечных размеров макротело или совокупность макротел. Под макротелом имеется в виду тело, размеры которого велики по сравнению с атомными размерами и которое состоит из огром­ного числа микрочастиц.

Состояние термодинамической системы определяется набором значений термодинамических параметров, т.е. физических вели­чин, характеризующих свойства системы в целом. Некоторые из этих величин, как например, P и T, не приме­нимы к микрочастицам, из которых состоит термодинамическая система. Термодинамические параметры являются макровеличи­нами,либо выражены через другие, непо­средственно измеряемые на опыте величины. Число параметров, определяющих состояние системы, зависит от рода системы и внешних воздействий. Состояние простейших термодинамических систем (однородных газов и жидкостей, не подверженных дейст­вию каких-либо полей) определяется P, V и T.

Внутренняя энергия тел

В состав внутренне энергии входят: 1)W_KEN поступательная, вращательная и калебательного движения молекул и атомов; 2)потенциальная W взаимодействия атомов и малекул; 3)W электронных оболочек атомов; 4)внутри-ядерная W.

Внутренняя энерг. в Т/д представляют собой сумму W_KEN всех малекул+W_{потенц.} их взаимодействия. U=W_KEN+W_пот. –Внутр. энерг.

В идеальном газе малекулы не взаимод. между собой,поэтому W_пот.=0 и внутрен. энерг. U=W_KEN

Внутрен. энерг. представляет собой W_KEN всех молекул зависит только от T и числа малекул. Изминение внутрен. энерг. определ. только изменением T и не зависит от характера процесса. ΔU=U₂-U₁; ΔT=T₂-T₁; U=NW_KEN=3/2Nа kT; N= Nа; W_KEN=3/2kT;

Измерение внутренней энергии

Изминение внутрен. энерг. определ. только изменением T.ΔU=U2-U1; ΔT=T2-T1; U=NW_KEN=3/2Nа kT; N= Nа; W_KEN=3/2kT.

Способы изменения U:1) При выполнении мех. работы.2)При изменении темп.

Теплообмен-передача внутренней энергии от одного тела к др. без совершения работы.3-и вида теплообмена: теплопроводность, конвекция,излучение. Теплопроводность- процесс теплообмена между телами при их непросредственном контакте,обусловленной хоотическим движ. частиц тела. Конвекция – передача нагретыми патоками жидкости или газа из одних участков занимаемого ими V в другие. Излучение – теплообмен по средствам электромагнитных волн.

Количестао теплоты

Мерой изменения Wмех является А работа сил, приложенных к системе.ΔWмех=А. При теплообмене происходит изменения внутренней энергии тела.Мера изменения внутр. энергии –является

количеством теплоты.Количества теплоты- мера изменения внутр. энерг. которое тело получает в процессе теплообмена Q=ΔU.[Q]=1Дж

Количество теплоты необходимое для нагревания тела массой m от темп. Т1 до Т2,рассчитывается по форм.:Q=cm(T2-T1)=cmΔT. C-удел. теплоемкость вещества. с=Q/m(T2-T1). [c]=1дж/кг*К.

Удельная теплоемкость-равна колич.теплоты которое неоходимо сообщить телу m 1кг, чтобы нагреть его на 1Кл.Теплоемкость тела-

С_т=Q/(T2-T1)=cm.[C]=Дж/Кл.Для превращения жидкость в пар при T=const необходимо затр. Q=rm.r-уделю теплота парообразования.

При конденсации пара выдел. тоже кол. теплоты Q=-rm.

Для расплавления тела массой m при Т плав.неоходимо сообщ.телу Q

λ-удел. теплота плав. Q, которое выделяется при полном сгорании топлива =: Q=qm. q-удельная теплота сгорания.

Работа в термодинамике

F Газ с темп. Т1 нагрев. до Т2.Газ изобарически

2 расширяется и поршень переместится из

полож. 1 в 2.Газ совершает А против

F внешней F.Так как Р=const, то F=pS тоже

1 соnst. А рассчитывается: A=FΔL=pSΔL=pΔV=

L₁ L₂ ; =p(V₂-V₁).Газ выполняет А в процессе

изменения V причем газ расшир. и А>0,

ΔV>0.При зжатии газ V<0,A<0.

Уравн. Миндилеева-Клаперона:pV/T=m/M*R; pV1= m/M*R*T1;

pV2= m/M*R*T2; pV2-pV1= m/M*R*T2- m/M*R*T1; pΔV= m/M*R*ΔT.

A=pΔV;A= m/M*R*ΔT.Если m=M=1, ΔT=1К,то A=R.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики — это закон со­хранения и превращения энергии в применении к тепловым про­цессам.

Если механическая энергия системы не изменяется, а сис­тема не замкнута и между ней и окружающей средой происходит теплообмен, то изменяется внутренняя энергия.

Первый закон термодинамики формулируется так:

изменение внутренней энергии при переходе системы из одного состояния в другое равно работе внешних сил плюс коли­чество теплоты, переданное системе в процессе теплообмена.

Если вместо работы внешних сил Авнввести работу А сис­темы над внешними телами А = -Авн, то запи­шется:

Тогда I закон термодинамики можно сформулировать так: количество теплоты, сообщенное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил.

Из первого закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя первого рода, т.е. такого двигателя, который совершал бы работу без затраты энергии извне.

Действительно, если к системе не подводится энергия Q = 0, то А =-ΔU и работа может быть совершена за счет убыли внут­ренней энергии системы. После того, как запас энергии окажется исчерпанным, двигатель перестанет работать.

Если система замкнута (Авн=0) и адиабатически изолиро­вана (Q = 0) то первый закон термодинамики будет иметь вид:ΔU=0

Если в такой системе имеются тела с различной температу­рой, то между ними будет происходить теплообмен: тела, у кото­рых температура выше, будут отдавать энергию и охлаждаться, а тела с меньшей температурой будут получать энергию и нагре­ваться. Это будет происходить до тех пор, пока температуры у всех тел не станут одинаковыми. При этом ΔU1+ΔU2+…ΔUn=0 или Q1+Q2+…+Qn=0

Первый закон термодинамики для незамкнутой и адиабатически изолированной системы называют уравнением те­плового баланса.