Изотермический, изохорический, изобарный процессы.
Еще до создания МКТ идеального газа его свойства изучались:
изотермический закон (Бойля- Мариотта): Т=const Þ PV=const
изохорический закон (Шарля): V=const Þ P/Т=const
изобарический закон (Гей Люссака): P=const Þ V/Т=const
2.2.Элементы термодинамики.
Термодинамическая система.
Термодинамическая система- система, в которой тела могут обмениваться энергией между собой и с окружающей средой. Термодинамической может быть любая система, состоящая из большого числа составляющих. Она может быть физически (одинаковы состав и физические свойства) и химически (состоит из одного химического вещества) однородной.
Внутренняя энергия системы.
Это сумма кинетических энергий хаотического движения молекул и потенциальная энергия их взаимодействий. Ее можно изменить совершением работы (над телом или телом) или теплопередачей (теплопроводность, конвекция, излучение).
Теплопроводность- процесс передачи внутренней энергии от одних частей тела к другим.
Конвекция- теплообмен, который происходит при перемещении неравномерно нагретых жидкостей или газов под действием силы тяжести.
Излучение- теплопередача, определяемая только наличием температуры тела. EK=kTi/2; i- число степеней свободы. U=nRTi/2
Количество теплоты и работа как мера изменения внутренней энергии.
Количество теплоты- энергия, переданная в процессе теплопередачи. Количество теплоты- это мера изменения энергии и имеет смысл только при процессах обмена энергии. Q=DU- изменение внутренней энергии. Работа: A=FDh=PSDh=PDV.
Теплоемкость тела.
Q=cmDT, C=QM/mDT; С=DQ/Dt.
с (удельная теплоемкость вещества)- количество теплоты, которое получает или отдает 1 кг вещества при изменении его температуры на 1°С.
С (молярная теплоемкость)- количество теплоты, которое получает или отдает 1 моль вещества при изменении его температуры на 1°С.
Понятие об адиабатическом процессе.
Адиабатический процесс- процесс, в ходе которого система не получает и не отдает энергию в процессе теплообмена. Q=0 Þ -DU=A
Адиабатный процесс может проходить с совершением работы против внешних сил и без нее. Q=0; A=-DU=-cVmDT=-CVDT=-CV(T2-T1)=-CV(P2V2-P1V1)/R=-CV(P2V2-P1V1)/(CP-CV)=-CV(P2V2-P1V1)/CV(g-1)=-(P2V2-P1V1)/(g-1).
Уравнение Пуассона: PVg = const.
Первый закон термодинамики.
Первый закон термодинамики- закон сохранения энергии в тепловых процессах: теплота, переданная системе, идет на увеличение внутренней энергии и на совершение работы.
Применение первого закона термодинамики к изопроцессам.
Количество теплоты, сообщенное системе извне, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на работу, совершаемую системой против внешних сил.
Q=DU+Aвнешних сил
Следствия:
1)A=0 Þ Q=DU (Q=±cmDt, Q=±lm, Q=±Lm)
2)Q=0 Þ A=-DU
3)DU=0 Þ Q=A
Термодинамические процессы:
1)T=const Þ DU=0 Þ QT=A
2)V=const Þ DV=0, A=0 Þ QV=DU
3)P=const Þ QP=DU+A=DU+PDV=QV+PDV.
Расчет работы газа с помощью PV-диаграмм.
A=åPiDVi. Если объем увеличивается, то работа взята со знаком +, если уменьшается, то -. При изобарическом процессе A=P(V2-V1).
Теплоемкость одноатомного идеального газа при изохорном и изобарном процессах.
C=DQ/Dt=DU/Dt+DA/Dt; Dt=DT. V=const: CV=DU/DT=3mR/2m. P=const: CP=DU/DT+PDV/DT=3mR/2m+mR/m=5mR/2m.
Необратимость процессов в природе.
Первое начало термодинамики не налагает никаких ограничений на возможность перераспределения энергии внутри изолированной системы. То есть можно утверждать, что менее нагретое тело может отдавать свою энергию более нагретому. Направление процессов определяется вторым началом термодинамики. Существует функция, называемая энтропией (), которая обладает тем свойством, что при всех реально протекающих процессах она возрастает. DS=DQ/T, где DQ- тепло, получаемое или отдаваемое телом, T- температура тела.
Второй закон термодинамики.
Невозможно провести теплоту от холодного тела к горячему, не совершая работы.
Физические основы работы тепловых двигателей.
Тепловой двигатель- устройство, преобразующее теплоту в механическую энергию. Физические принципы, лежащие в основе устройства тепловых машин, являются следствием второго закона термодинамики. Рабочее топливо (газ) может расширяться только до тех пор, пока его давление больше атмосферного. Его расширение заканчивается, когда давление уравновешивается (рано или поздно это произойдет). Чтобы заставить газ снова работать, надо вернуть его в первоначальное состояние. Это можно сделать, совершив работу над газом, Þ работа любого теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся циклов расширения и сжатия.
КПД теплового двигателя и его максимальное значение.
Если работа сжатия равна работе расширения, то за цикл полезной работы нет. Чтобы иметь выгоду, надо, чтобы работа сжатия была меньше, чем работа расширения. Для этого нужно, чтобы каждому значению объема соответствовало меньшее давление, чем этому же объему при расширении. Для того чтобы газ остыл, надо привести его в контакт с телом, имеющим более низкую температуру. Это тело получило название холодильник. Но прямой контакт недопустим (т. к. холодильник отберет очень много внутренней энергии). Þ Нужно провести адиабатный процесс расширения газа. h=A/Q, A- совершенная работа, Q- затраченное тепло. Максимальное значение: h=(Т1-Т2)/Т1.
2.3.Изменение агрегатного состояния вещества.
Парообразование.
Парообразование- процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Существует два типа: спокойное парообразование, происходящее при любых температурах с открытой поверхности жидкости, и бурное парообразование, происходящее одновременно как с открытой поверхности, так и внутри жидкости. Процесс парообразование первого типа называют испарением, процесс парообразования второго типа- кипением.
Испарение, кипение.
Испарение- парообразование, происходящее с поверхности жидкости. Скорость испарения зависит от рода жидкости. Испарение происходит при любой температуре и возрастает с ее повышением. Испарение происходит с поверхности жидкости и увеличивается при увеличении этой поверхности. При ветре испарение происходит быстрее. Испарение увеличивается при уменьшении давления. Твердые тела тоже могут испаряться. Внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Если нет притока энергии извне, то испаряющаяся жидкость охлаждается. Кипение- это интенсивный переход жидкости в пар вследствие образования и роста пузырьков пара, которые при определенной температуре для каждой жидкости всплывают на ее поверхность и лопаются. Температура кипения- это температура, при которой жидкость кипит. Во время кипения температура жидкости не меняется.
Удельная теплота парообразования.
Удельная теплота парообразования (L)- количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы одной жидкости в пар той же температуры, при которой находится жидкость. Q=Lm. [Q]=[Дж/кг].
Насыщенный пар.
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. При этом сколько молекул покидает жидкость в единицу времени, столько же и конденсируется. Все другие пары называются ненасыщенными. Давление насыщенного пара не зависят от объема, занимаемого паром, а определяются только его температурой. При повышении температуры давление увеличивается. Точка росы- температура, при которой пары, находящиеся в воздухе, становятся насыщенными.
Зависимость давления и плотности насыщенного пара от температуры.
Зависимость давления от температуры, найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у идеального газа. С увеличением температуры давление насыщенного пара растет более резко, увеличивается масса пара. Давление насыщенного пара увеличивается как за счет концентрации молекул, так и за счет увеличения их кинетической энергии.
Зависимость температуры кипения от давления.
При уменьшении внешнего давления температура кипения жидкости понижается, а при повышении- повышается. Это был установлено опытным путем.
Критическая температура.
Критическая температура- температура, при которой все физические различия между жидкостью и газом исчезают. Выше критической температуры вещество существует только в газообразном состоянии.
Влажность.
Влажность- физическая величина, измеряемая массой водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха. Измеряется внесистемной единицей г/м3, так как она по численному значению мало отличается от парциального давления паров воды при тех же условиях, измеренного в мм рт. ст. Парциальное давление- давление пара, занимающего (один) весь предоставленный ему объем.
Относительная влажность.
Относительная влажность- процентное отношение парциального давления паров воды, находящихся в воздухе, к давлению насыщенного пара воды при данной температуре.
Кристаллическое и аморфное состояние вещества.
Кристалл- тело, атомы которого располагаются в пространстве строго упорядоченным образом. В основном, кристаллы- совершенно однородные вещества. Различают монокристаллы (во всем теле одинаковые свойства) и поликристаллы (различное свойства в разных частях тела). Аморфное тело- тело, атомы которого не образуют упорядоченную структуру. Тепловые, электрические и оптические свойства аморфных тел совершенно одинаковы во всех точках. Аморфное состояние- неустойчивое состояние, которое преобразуется в кристаллическое с течением времени.
Удельная теплота плавления.