Справочный материал к тестированию по теме

Методические рекомендации

По разделу «молекулярная физика»

Курса физики

Для студентов инженерных специальностей физико-математического факультета,

Для подготовки

К промежуточному и итоговому тестированию

Тирасполь, 2012

УДК

ББК

Составители: Брусенская Е.И., Хамидуллин Р.А.

Рецензенты:

Константинов Н.А., доцент кафедры ОФ и МПФ

Соковнич С.М., доцент кафедры теоретической физики

Методические рекомендации по разделу «молекулярная физика» курса физики для студентов инженерных специальностей физико – математического факультета для подготовки к промежуточному и итоговому тестированию. Брусенская Е.И., Хамидуллин Р.А., г. Тирасполь,

ПГУ им. Т.Г. Шевченко, 2012г.- 55с. (электронный вариант)

В пособии изложены основные положения, законы и выводы, а также приведены основные соотношения по каждой изучаемой теме раздела «молекулярная физика». Кроме того, после приведенного справочного материала по соответствующей теме даны варианты тестов промежуточного контроля и примеры практических заданий к нему. В конце пособия приведены тесты итогового контроля по соответствующему разделу физики и примеры контрольных работ с ответами. Данное пособие должно помочь студентам в подготовке к соответствующим формам контроля и является тем минимумом в рамках раздела «молекулярная физика», который необходим для сдачи экзамена по физике.

Данное пособие рекомендуется студентам инженерных специальностей физико–математического факультета.

УДК

ББК

Утверждено Научно-методическим советом ПГУ им. Т.Г. Шевченко

© Составители

Брусенская Е.И., Хамидуллин Р.А., 2012

Содержание

Введение……………………………………………………………………………… 3

Общие сведения и законы молекулярной физики…………………………….. 8

Статистическая физика……………………………………………………………17

Термодинамика и ее начала…………….…………………………………………25

Фазовые превращения……………………………………………………………. 34

Явления переноса в молекулярной физике……………………………………..42

Варианты тестов итогового контроля по разделу:

молекулярная физика……………………………………………………………..50

Примеры контрольных работ с ответами по разделу:

молекулярная физика……………………………………………………………...51

Приложение 1……………………………………………………………………….53

Приложение 2……………………………………………………………………….54

Литература………………………………………………………………………….55

Введение

Учение о теплоте зародилось в 18 веке. До этого времени понятие температуры и теплоты практически не различались. Работами ученых 18 века было начато количественное исследование тепловых явлений. В разработку шкал для измерения температуры основной вклад внесли немецко-голландский физик Габриэль Даниэль Фаренгейт (1686-1736), французский ученый Рене Антуан Фершо де Реомюр (1683-1757) и шведский ученый Андерс Цельсий (1701-1744). Голландский физик Питер ван Мушенбрек (1692-1761) провел первые исследования теплового расширения твердых тел и использовал расширение железного бруска для измерения температуры плавления ряда металлов.

Количественные исследования смешивания воды разных температур, проведенные российским физиком Георгом Вильгельмом Рихманом (1711-1753), изучение шотландским ученым Джозефом Блэком (1728-1799) процессов плавления и испарения и другие работы в области тепловых явлений привели к разделению понятий теплоты и температуры. Были введены единицы измерения количества тепла (калория), понятия теплоемкости, теплоте плавления и парообразования. Для объяснения природы теплоты использовались две теории: по одной теплота связывалась с движением частиц, а по другой рассматривалась специальная материя - теплород. Следует отметить работы в этом направлении Ломоносова, который был ярым противником теории теплорода.

Ломоносов Михаил Васильевич (1711-1765) экспериментально доказал (1756) закон сохранения вещества, который был окончательно подтвержден А.Лавуазье в 1774. Он представлял природу как единое целое, где все взаимосвязано и не исчезает бесследно (закон сохранения материи и движения Ломоносова). Был основоположником внедрения физических методов в химию, разработал конструкции различных приборов (около 100). Ломоносов является одним из основоположников молекулярно-кинетической теории теплоты. Нагревание связывал с возрастанием поступательного и вращательного движения, что изложил в работе “Размышления о причине теплоты и холода” (1747-48). Велик вклад Ломоносова в развитие науки, культуры и образования, он заложил основы естествознания в России. В 1755 по его инициативе и проекту был открыт Московский университет, носящий теперь его имя. АН СССР учредила Золотую медаль им. М.В.Ломоносова.

В 19 веке развивалось учение о теплоте, и были сформулированы основные положения термодинамики и молекулярно-кинетической теории. В конце 18 - начале 19 века проводилось много исследований теплового расширения тел. Особое внимание обращалось на его равномерность и был установлен ряд аномалий для твердых и жидких тел: анизотропия расширения кристаллов, максимум плотности воды при 40С, сжатие йодистого серебра при нагреве от -10 до 700С и др. Для теплового расширения воздуха Вольтой в 1793 г. была установлена равномерность расширения, а в 1802 г. французский физик и химик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850) сформулировал на основе собственных экспериментов и исследований своего соотечественника Жака Шарля (1746-1823) закон о том, что все газы расширяются равномерно и одинаково, и рассчитал коэффициент расширения. В том же 1802 г. Дальтон сформулировал свой закон о парциальных давлениях.

Дальтон Джон (1766–1844) проводил физические исследования в области молекулярной физики: адиабатическое сжатие и расширение, насыщенный и перегретый пар, зависимость растворения газов от их парциального давления. Он является одним из основоположников атомистических представлений в химии, открыл закон кратных отношений, ввел понятие атомного веса и составил первую таблицу атомных весов элементов. Многочисленные работы привели к заключению о различии теплоемкостей воздуха при постоянном объеме и постоянном давлении. На это различие обратил внимание Лаплас и в 1816 г. он объяснил несоответствие экспериментального значения скорости звука в воздухе получаемому из теории Ньютона изменением температуры при чередующихся сжатиях и разрежениях воздуха.

Физические исследования Лапласа Пьера Симона(1749-1827) относятся к молекулярной физике, теплоте, акустике, электричеству, оптике. В 1821 установил закон изменения плотности воздуха с высотой (барометрическая формула). В 1806-07 разработал теорию капиллярности, вывел формулу для скорости звука в газах с поправкой на адиабатичность. Вместе с А.Лаувазье впервые применил для измерения линейного расширения тел зрительную трубу, при помощи сконструированного им ледяного калориметра определил удельные теплоемкости многих веществ (1783).Лаплас ввел в формулу Ньютона поправку, соответствующую отношению теплоемкостей при постоянном давлении и объеме, что устранило несоответствие и послужило основой для экспериментального метода определения этого отношения для всех газов.

Одновременно в основном усилиями химиков развивалась атомистика. Один из создателей ее основ Дальтон в 1803 г. сформулировал закон кратных отношений и в 1808 г. он опубликовал труд "Новая система химической философии", в котором изложил атомистическую теорию. По этой теории соединения состоят из атомов (по Демокриту) элементов, которые различаются по атомному весу. Шведский химик Иенс Якоб Берцелиус (1779-1848) внес большой вклад в атомистическую теорию и в 1826 г. опубликовал таблицу атомных весов, которые в основном совпадают с принятыми в настоящее время. Он также предложил химические символы элементов по первым буквам их латинского названия.

На основе атомных весов с учетом химических свойств элементов Менделеев Дмитрий Иванович (1834 — 1907) сделал самое гениальное открытие в химии 19 века - периодический закон и составил периодическую таблицу химических элементов. Он открыл в 1869 один из фундаментальных законов природы – периодический закон химических элементов и на его основе создал периодическую таблицу. Исправил значения атомных весов многих элементов, предсказал существование и свойства новых, еще не открытых элементов (галлий, германий, скандий) и вычислил приблизительно их атомные веса. Последующие открытия блестяще подтвердили эти предсказания и периодический закон. Предсказал существование критической температуры (1860), обобщив уравнение Клайперона, вывел в 1874 общее уравнение состояния идеального газа (уравнение Клайперона-Менделеева). В 1887 осуществил беспилотный полет воздушного шара для наблюдения солнечного затмения и изучения верхних слоев атмосферы. Разработал физическую теорию весов, конструкцию коромысла и арретира, точные приемы взвешивания. В 1888 выдвинул идею подземной газификации угля.

В 1811 г. итальянский химик Амедео Авагадро (1776-1856) сформулировал свой закон о том, что при одинаковых внешних условиях (температура и давление) в равных объемах газов содержится равное число частиц. При этом допускалось, что молекула газа может состоять из нескольких атомов.

Успехи учения об атомно-молекулярном строении вещества, в особенности, газов, безусловно, оказало влияние на становление термодинамики и молекулярной физики и способствовало развитию механической теории теплоты. Этому в немалой степени способствовали начатые еще в 1765 г. Джеймсом Уаттом (1736 –1819) методические экспериментальные изучения паровой машины, которые затем были продолжены широким кругом исследователей. В 1784 г. он создал универсальный паровой двигатель с непрерывным вращением с высокой эффективностью, получивший широкое распространение и сыгравший большую роль в промышленной революции 19 века.

В итоге работ по решению практической проблемы увеличения эффективности паровой машины Карно Никола Леонард Сади (1796 – 1832) сформулировал основные положения термодинамики об эквивалентности работы и теплоты (первое начало термодинамики) и о необходимости холодильника в тепловой машине. Он является одним из создателей термодинамики. В 1824 в сочинении “Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу”, исходя из невозможности создания вечного двигателя, впервые показал, что полезную работу можно получить только при переходе тепла от нагретого тела к более холодному (второе начало термодинамики). Только разность температур нагревателя и холодильника обусловливает отдачу тепловой машины, а природа рабочего тела не играет никакой роли (теорема Карно). Ввел понятия кругового и обратимого процессов, показал преимущества применения в паровых машинах пара высокого давления и его многократного расширения, сформулировал принцип работы газовых тепловых машин.

В 1834 г. французский физик и инженер Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (1799-1864) обратил внимание на эти работы, заменил первоначальный цикл Карно циклом из двух изотерм и двух адиабат и ввел уравнение состояния газа, объединившее законы Бойля и Гей-Люссака.

Окончательно идею об эквивалентности работы и теплоты в 1842-43 г.г. сформулировали немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814-1878) и Джоуль, которые также численно определили механический эквивалент теплоты.

Джоуль Джеймс Прескотт (1818 – 1889) работал в области электромагнетизма, теплоты, кинетической теории газов. Установил в 1841 зависимость выделяемого тепла от величины проходящего тока и сопротивления проводника (закон Джоуля-Ленца). Исследовал тепловые явления при сжатии и расширении газов, показал, что внутренняя энергия идеального газа не зависит от его объема. Совместно с У.Томсоном в 1853-54 открыл явление охлаждения газа при его адиабатическом протекании через пористую перегородку (эффект Джоуля-Томсона). Построил термодинамическую температурную шкалу, теоретически определил теплоемкость ряда газов. Вычислил скорость движения молекул газа и установил ее зависимость от температуры, давление считал результатом ударов частиц газа о стенки сосуда.

Основателем механической теории теплоты был Клаузиус, начавший в 1850г. исследования принципа эквивалентности теплоты и работы и закона сохранения энергии. Клаузиус Рудольф Юлиус Эммануэль (1822 – 1888) проводил исследования в области молекулярной физики, термодинамики, теоретической механики. Математической физики. В 1850 независимо от У.Ранкина получил общее соотношение между теплотой и работой в точной математической форме (первое начало термодинамики), введя понятие внутренняя энергия, и разработал идеальный термодинамический цикл паровой машины (цикл Ранкина-Клаузиуса). Дал математическое выражение второго начала как в случае обратимых круговых процессов, так и необратимых, переформулировав его: невозможен самопроизвольный переход тепла от более холодного к более нагретому телу. В 1865 г. он ввел новую величину - энтропию, сыгравшую фундаментальную роль в термодинамике. Эта величина постоянна в идеальных обратимых процессах и возрастает для реальных процессов. Он показал, что изменение энтропии определяет направление протекания процесса. Ввел в кинетическую теорию газов статистические представления, понятие о сфере действия молекул, первый теоретически вычислил давление газа на стенки сосуда. Обосновал связь температуры плавления вещества с давлением (уравнение Клайперона-Клаузиуса).

Реализация связи между механическими процессами и тепловыми явлениями была осуществлена в кинетической теории газов. Гельмгольц в 1847 г. первым выдвинул гипотезу о том, что внутренняя причина взаимопревращения механической работы и теплоты лежит в сведении тепловых явлений к явлениям механического движения. Этот путь был найден в 1856 г. немецким физиком Августом Карлом Кренингом (1822-1879), а годом позже Клаузиусом, которые построили кинетическую теорию. Было получено уравнение состояния с учетом средней кинетической энергии молекул и введена связь ее с температурой. Кинетической теории удалось объяснить многие явления: диффузию, растворение, теплопроводность и др. Учет взаимодействия между молекулами и конечности их размеров позволил голландскому физику Иоганнесу Дидерику Ван дер Ваальсу (1837-1923) в 1873 г. ввести поправки в уравнение идеального газа и описать поведение реальных газов.

Формулировка второго начала термодинамики не соответствовала традиционным механическим представлениям, где все процессы обратимы. Кинетическая теория делает это несоответствие противоречием. Эти трудности были преодолены Максвеллом и Больцманом, которые ввели понятие вероятности физических явлений и поставили на место динамических законов в механике статистические законы в термодинамике.

Максвелл Джеймс Клерк (1831 – 1879) проводил исследования в области электродинамики, молекулярной и статистической физики, оптики, механики, теории упругости. Установил статистический закон распределения молекул газа по скоростям (распределение Максвелла), развил теорию переноса, применив ее к процессам диффузии, теплопроводности и внутреннего трения. Создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла), введя понятие тока смещения и само определение электромагнитного поля. Развил идею электромагнитной природы света и раскрыл связь между оптическими и электромагнитными явлениями. Установил соотношения между основными теплофизическими параметрами, развивал теорию цветного зрения. Сконструировал ряд приборов.

Больцман Людвиг (1844 – 1906) работал в области кинетической теории газов, термодинамики и теории излучения. Вывел закон распределения молекул газа по координатам (статистика Больцмана). Применив статистические методы, вывел кинетическое уравнение газов, являющееся основой физической кинетики. Связал энтропию системы с вероятностью ее состояния и доказал статистический характер второго начала термодинамики. Статистическая интерпретация второго начала вместе с Н-теоремой Больцмана легли в основу теории необратимых процессов.

Больцман впервые применил принципы термодинамики к излучению и теоретически получил закон теплового излучения, который был экспериментально установлен Й. Стефаном. Из термодинамических соображений подтвердил существование по гипотезе Д.Максвелла давления света.

Второе начало термодинамики уже рассматривается не как достоверный закон природы, а как вероятный. Здесь впервые классическая физика сталкивается с дуализмом явлений природы.

Следует сказать, что термодинамика только в самых своих истоках опиралась на представления механической теории теплоты. По мере развития она превратилась в самостоятельный раздел физики, методология и мощный аппарат которого стал применяться в различных областях физики и химии. Этому в немалой степени способствовали достаточно общие представления о термодинамических потенциалах, основной вклад в развитие которых внес американский физик Джозайя Уиллард Гиббс (1839-1903). В частности, введением понятий свободная энергия и химический потенциал он по существу положил начало новой дисциплины - физической химии и одного из основных ее направлений - термодинамики химических реакций.

Общие сведения

Справочный материал к тестированию по теме

Молекулярная физика – это раздел физики, в котором изучение макроскопических объектов и систем, а также их физических свойств и поведения может вестись как с учетом их микроскопической структуры (особенности движения и взаимодействия групп молекул, составляющих вещество), так и с точки зрения изменения их энергетических характеристик.

В связи с этим выделяют два метода описания объектов и процессов в них протекающих: термодинамический и статистический

Термодинамический метод основывается на анализе изменения или сохранения параметров и функций, характеризующих систему в целом. При этом совершенно не учитывается поведение каждой молекулы в отдельности и групп молекул этого вещества.

Статистический метод изучает состояние вещества и процессы, в нем протекающие на основе представлений о внутренней структуре вещества и связывает его состояние с поведением отдельных молекул или их групп.

Объектом изучения этих разделов является термодинамическая система(ТДС). Структурными единицами любой термодинамической системы являются атомы и молекулы, из которых состоят макроскопические объекты этой системы. Всякая термодинамическая система характеризуется определенной температурой, давлением и занимаемым в физическом пространстве объемом( ). Эти параметры называются термодинамическими и полностью определяют состояние системы.

С понятиями объем и давление встречаются в классической механике. Однако под давлением газа в молекулярной физике, рассматривают давление, возникающее за счет соударений его молекул со стенками, ограничивающими заданный объем (для идеального газа), и плюс давление, учитывающее непосредственное столкновение самих молекул друг с другом (для реального газа). Давление смеси газов определяется по закону Дальтона и равно алгебраической сумме парциальных давлений всех газов составляющих смесь. Давление газа зависит от высоты его слоев над уровнем Земли. Из-за того, что верхние слои газа давят на нижние, атмосферное давление (давление газа) с высотой уменьшается по экспоненциальному закону и описывается барометрической формулой. Согласно этой формуле, давление убывает с высотой тем быстрее, чем тяжелее газ (больше его молярная масса ) и чем ниже температура ( ).

Понятие же температуры является новым в этом разделе физики, и в тоже время базовым для него. Под температурой понимают меру нагретости тел. Для измерения температуры необходим непосредственный контакт между телом и температурным датчиком. Причем этот контакт должен быть достаточно длительным во времени, чтобы между датчиком и телом установилось термодинамическое (тепловое) равновесие.Для измерения температуры применяются термометры с различными температурными шкалами. Универсальной температурной шкалой, независящей от свойств рабочего тела, используемого для измерения температуры, является абсолютная (термодинамическая) шкала температур, в которой один температурный градус соответствует одному кельвину. Эта шкала установлена на основе второго начала термодинамики. Абсолютный ноль этой шкалы недостижим.

Если параметры в системе распределены равномерно по всему объему, то такая ТДС является равновесной. В случае неравномерного распределения параметров, система является неравновесной. Например, если смешать воду при двух различных температурах, то температура смеси в начальный момент будет разной в нижних и верхних слоях в сосуде (неравновесное распределения температуры). Однако с течением времени температура во всех частях станет одинаковой, если на систему не действовать извне, т. е. система прейдет в равновесие. Переход системы из неравновесного в равновесное состояние в отсутствие внешнего воздействия на нее называется релаксацией.

Состояние системы в термодинамике изображается в пространстве ( ). Линия в этом пространстве характеризует процесс, протекающий в системе. Если система в пространстве ( ) перешла из состояния 1 в состояние 2, а потом вернулась обратно по той же линии, не вызвав при этом энергетических изменений в окружающей среде, то процесс такого перехода называетсяобратимым. Если же система вернулась из состояния 2 в 1 по другой линии или вызвала энергетические изменения в окружающей среде, то процесс называется необратимым. Процесс, в результате которого система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние, называют круговым.

Часто бывает так, что при определенных ТД процессах, сохраняется один из термодинамических параметров. Эти процессы получили название изотропных по этому параметру процессов (изопроцессов) Изменение остальных параметров в этих процессах происходит в соответствии с газовыми законами. Эти законы были получены экспериментально.

Закон Бойля – Мариотта соответствует изотермическому процессу, который протекает при неизменной температуре ( ). Между объемом и давлением существует обратная зависимость, то есть при сжатии газа постоянной массы его давление увеличивается и наоборот.

Закон Шарля связан с изохорным процессом, при котором не изменяется объем системы ( ). В этом случае между существует линейная зависимость.

Закон Гей-Люссака. Он описывает изобарный процесс, при котором давление газа не изменяется ( ). При этом при нагревании газа постоянной массы объем увеличивается.

Все вышеперечисленные газовые законы применимы только для идеальных газов. Идеальным называют газ, размерами и взаимодействием молекул которого можно пренебречь. Такой газ должен быть достаточно разряженным, то есть давление в нем должно быть минимально возможным.

Если в ТД системе изменяются сразу три параметра, то состояние идеального газа описывается уравнением Менделеева - Клапейрона (уравнением состояния идеального газа). Это уравнение можно вывести, рассматривая два последовательных изопроцесса: газ вначале изотермически расширяют ( ), а потом изохорическиохлаждают ( ).

Всякому объекту в физике можно сопоставить функцию, характеризующую его состояние. Как известно из курса механики функцией состояния любого физического объекта является энергия. Для газа такой величиной является его полная внутренняя энергия. Она есть функция его температуры, числа молекул и атомов в них, а также от связи между ними. Число атомов в молекуле определяет число ее степеней свободы. Число степеней свободы – это число независимых переменных определяющих положение тела (молекулы) в пространстве. У всякого физического тела сложной формы имеется три поступательныеи три вращательные степени свободы. У одноатомной молекулы, как у простого объекта, имеется только трипоступательные степени свободы. У двухатомной пять степеней свободы (две вращательные степени и три поступательные). У многоатомной шесть степеней свободы (три вращательные степени и три поступательные). Кроме перечисленных степеней свободы, молекулы характеризуются также и колебательными степенями. В общем случае для многоатомной молекулы их число может быть велико. Оно зависит от типа связей между молекулами: упругой или жесткой. При наличии абсолютно жестких связей колебательных степеней свободы нет.

Так как в идеальном газе взаимодействие молекул можно пренебречь, то вклад в полную энергию будет давать их кинетическая энергия. Поэтому полная энергия будет равна сумме всех кинетических энергий молекул идеального газа. По теореме равнораспределения Больцмана на каждую степень свободы молекулы газа приходится одна вторая тепловой энергии ( ).

Полная внутренняя энергия идеального газа, в котором содержится молекул, равна произведению числа степеней свободы молекул на их число и больцмановскую (тепловую) энергию .

Для любой системы свойственно переходить из одного состояния в другое под действием внешних факторов. Так газ при нагревании может расширяться или охлаждаться в зависимости от типа процесса.

Энергетические функции, которые характеризуют переход системы из одного состояния в другое, называют функциями процесса. В ТД к ним относятся термодинамическая работа и количество теплоты.

Термодинамическая работа характеризует способность газа расширятся в окружающем пространстве, если оно не ограничено, поэтому она непосредственно связана с изменением его объема и является ее функцией. При отсутствии изменения объема (например, при изохорном процессе) эта работа равна нулю. Формула для термодинамической работы может быть получена из соотношения для механической работы.

Количество теплоты, также как и работа, является функцией процесса и зависит, в общем случае, от пути его протекания. Она характеризует передачу тепла от одного объекта к другому. Количество теплоты связано с изменением температуры, но не является ее функцией. Путь протекания процесса полностью определяется его видом, который заложен в теплоемкости процесса – коэффициенте, связывающем количество теплоты и изменение температуры.

Очень важной характеристикой газа является его теплоемкость. Она показывает, какое количество теплоты надо затратить, чтобы нагреть тело на 1K. Различают молярную и удельную теплоемкости. Молярная теплоемкость – это теплоемкость, отнесенная к одному молю вещества. Удельная теплоемкость – это теплоемкость, отнесенная к одному килограмму вещества. Теплоемкость - это величина, значение которой существенно зависит от способа нагревания. Два наиболее простых способа – изобарный и изохорный. Молярные теплоемкости, отвечающие этим процессам, связаны уравнением Майера, которое показывает, что изобарная теплоемкость больше изохорной на величину универсальной газовой постоянной. Универсальная газовая постоянная - это работа, совершаемая одним молем газа при изобарном нагревании. Поэтому для того, чтобы нагреть газ изобарным способом требуется большее количество тепла, чем для изохорного нагревания для одинакового изменения внутренней энергии газа. Это связано с тем, что при изобарном нагревании помимо изменения внутренней энергии совершается работа.

Кроме вышеперечисленных характеристик состояния идеального газа в термодинамике используется еще одна, связанная с его теплоемкостями. Это коэффициент Пуассона. Он равен отношению изобарной теплоемкости к изохорной для одного и того же количества вещества и численно всегда больше единицы.

Помимо рассмотренных ранее изопроцессов существует еще один немаловажный процесс – адиабатический. Адиабатический процесс – процесс, который происходит в отсутствии теплообмена с окружающей средой. В природе нет как абсолютных теплопередающих, так и абсолютных теплоизолированных систем, поэтому квазиадиабатическими можно считать процессы быстрого сжатия малых объемов газа (накачивание резиновой камеры велосипеда) или медленного сжатия больших объемов газа (конвекция воздушных масс). Антиподом адиабатического процесса является идеальный изотермический процесс.

Характерным для адиабатического процесса свойством, является то, что вся совершаемая над системой работа идет только на изменение внутренней энергии этой системы. В этом процессе газ расширяясь, охлаждается, а, сжимаясь, нагревается.

Политропный процесс – это термодинамический процесс, протекающий с постоянной теплоемкостью. Все рассмотренные ранее термодинамические процессы относятся к политропным процессам. Основной характеристикой политропности процесса является его показатель политропы . При - процесс является адиабатическим, при - изотермическим, при - изобарным, при - изохорным.

Основные соотношения:

Уравнение изотермического процесса (1)

Уравнение изохорного процесса (2)

Уравнение изобарного процесса (3)

Уравнение состояния идеального газа (4)

где - количество молей вещества ; - молярная масса вещества, - масса газа, - число Авогадро, - универсальная газовая постоянная.

Тепловая энергия, приходящаяся

на одну степень свободы молекулы (5)

Полная внутренняя энергия идеального газа (определение) (6)

Полная внутренняя энергиякак функция температуры (7)

(8)

Термодинамическая работа как функция объема (9)

(10)

Работа при изобарном процессе (11)

Работа при изотермическом процессе (12)

Работа при адиабатическом процессе (13)

Количество теплоты (определение) (14)

Первое начало ТД в дифференциальной форме (15)

где - количество теплоты преданное системе

Молярная теплоемкость (16)

Удельная теплоемкость (17)

Уравнение Майера (18)

Связь молярных теплоемкостей с числом степеней свободы:

при изохорном процессе (19)

при изобарном процессе (20)

Коэффициент Пуассона (21)

Уравнение адиабатического процесса (Пуассона)

на плоскости (22)

на плоскости (23)

Уравнение политропы (24)

Закон Дальтона (25)

где индекс - определяет число чистых газов, образующих смесь.

Барометрическая формула (26)

где - атмосферное давление на высоте относительно поверхности Земли.

Варианты тестов промежуточного контроля по теме

ТЕСТ №1

1. Какой подход в молекулярной физике основывается на анализе изменения или сохранения параметров и функций, характеризующих систему в целом?

2. Какие величины называют термодинамическими параметрами системы?

3. Если параметры в системе распределены равномерно по всему объему, то такая ТДС является ________.

4. Как называется самопроизвольный процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное?

5. Чему равна работа при изохорном процессе?

6. Уравнение изобарного процесса имеет вид _______.

7. Приведите соотношение для молярной теплоемкости.

8. Коэффициент Пуассона определяется по формуле ______.

9. Какой процесс происходит в отсутствии теплообмена с окружающей средой?

10. Уравнение политропы имеет вид _______.

ТЕСТ№2

1. В чем суть статистического метода в молекулярной физике?

2. Какое состояние называют неравновесным?

3. Какой термодинамический параметр определяет меру нагретости тел?