Основы термодинамики. Тема № 4

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ
Молекулярная физика – раздел физики, который изучает физические свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного строения.
Молекулярная физика основана на молекулярно-кинетической теории, согласно которой строение и свойства тел объясняются хаотичным движением и взаимодействием молекул, атомов и ионов (т.е. частиц).
Основными положениями молекулярно-кинетической теории являются:
Любое вещество состоит из частиц - молекул и атомов, а те из более маленьких частиц;
Молекулы, атомы и другие частицы находятся в непрерывном хаотичном движении;
Между частицами имеется сила притяжения и сила отталкивания.
Молекулярной физикой рассматриваются: строение газов, твёрдых тел и жидкостей, их изменение под внешним воздействием (давления, температуры, магнитного и электрического полей), явления переноса (внутреннее трение, теплопроводность, диффузия), процессы фазовых переходов (испарение и конденсация, кристаллизация и плавление и т.п.), фазовое равновесие, критическое состояние веществ.
Физические свойства веществ:
1) агрегатное состояние (твердое тело, газ, жидкость);
2) запах;
3) цвет;
4) плотность;
5) растворимость;
6) электро- и теплопроводность;
7) температура плавления и кипения.

Состав веществ
Любые вещества состоят из атомов, молекул и ионов.
Атом представляет собой мельчайшую частицу вещества, состоящую из заряженного положительно ядра и заряженной отрицательно электронной оболочки.
Положительный заряд несет протон.
Также в состав ядра входят нейтральные элементарные частицы – нейтроны.
Единица отрицательного заряда – электрон.
Относительная атомная масса вещества – это отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода.
Количество вещества – это число молекул (атомов) в теле. 1 моль = количеству вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько содержится в углероде массой 0,012 кг. Это постоянная величина, называемая постоянной Авогадро (NA=6*1023 моль-1).
Беспорядочное (хаотическое) движение микрочастиц, из которых состоят все тела, носит название теплового движения.
Тепловое равновесие – это такое состояние системы тел, находящихся в тепловом контакте, при котором не происходит теплопередачи от одного тела к другому, и все макроскопические параметры тел остаются неизменными.
Температура – это физический величина, характеризующая тепловое состояние тел. Она одинаковая для всех тел, находящихся в тепловом равновесии.

ШКАЛЫ ТЕМПЕРАТУР
Шкала Кельвина
В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273. Расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д. Т=t0C+273; t=T-273
Шкала Цельсия
В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C.
Шкала Фаренгейта
В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия. tтела человека=960
Шкала Реомюра
Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр . 1 °R = 1,25 °C.
В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

«РАЗВИТИЕ И ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ МКТ»
Подтверждением основных положений молекулярно-кинетической теории являются: диффузия, броуновское движение и изменение агрегатных состояний веществ.
1.В процессе движения молекулы и атомы одного вещества проникают между молекулами и атомами другого вещества, соприкасающегося с ним. Точно так же ведут себя молекулы и атомы второго вещества по отношению к первому. И через некоторое время молекулы обоих веществ равномерно распределяются по всему объёму.
2. Процесс проникновения молекул одного вещества между молекул другого называется диффузией. С явлением диффузии мы сталкиваемся дома каждый день, когда опускаем пакетик чая в стакан с кипятком. Мы наблюдаем, как бесцветный кипяток меняет свой цвет. Бросив в пробирку с водой несколько кристалликов марганца, можно увидеть, что вода окрасится в розовый цвет. Это также диффузия.
3. Число частиц в единице объёма называют концентрацией вещества. При диффузии молекулы перемещаются из тех частей вещества, где концентрация выше, в те части, где она меньше. Перемещение молекул называют диффузионным потоком. В результате диффузии концентрации в различных частях веществ выравниваются.

Диффузия
Диффузию можно наблюдать в газах, жидкостях и твёрдых телах. В газах она происходит с большей скоростью, чем в жидкостях. Быстрее распространяются запахи в воздухе.
Скорость диффузии зависит от площади поперечного сечения потока, разности концентраций веществ, разности их температур или зарядов. Через стержень диаметром в 2 см тепло распространяется в 4 раза быстрее, чем через стержень диаметром в 1 см. Чем выше разность температур веществ, тем выше скорость диффузии. При тепловой диффузии её скорость зависит от теплопроводности материала, а в случае потока электрических зарядов – от электропроводности.
«ПЕРВОЕ УРАВНЕНИЕ ФИКА»
В 1855 г. немецкий физиолог Адольф Евгений Фик сделал первое количественное описание процессов диффузии:
«-»-показыват что диффузия происходит из области с большей концентрацией в область меньших концентраций (т.е против градиента концентраций).
Где J - плотность диффузионного потока вещества (моль/м2с),
D - коэффициент диффузии(м2/с),
C - концентрация вещества, x-толщина мембраны.
Диффузия, в результате которой концентрации веществ выравниваются, называется нестационарной диффузией. При такой диффузии градиент концентрации изменяется со временем. А в случае стационарной диффузии этот градиент остаётся постоянным.

«БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ»
Открыл это явление шотландский ботаник Роберт Броун в 1827 г. Изучая под микроскопом взвешенные в воде цитоплазматические зёрна, выделенные из клеток пыльцы североамериканского растения Clarkia pulchella, он обратил внимание на мельчайшие твёрдые крупинки.
Броуновским движением называется беспорядочное движение частиц, вызванное тепловым движением молекул или атомов. Броуновская частица непрерывно подвергается ударам со стороны молекул и атомов, из которых состоят жидкости и газы. И это движение не прекращается.
В броуновском движении могут участвовать частицы размером до 5 мкм (микрометров). Если их размер больше, они неподвижны. Чем меньше размер броуновской частицы, тем быстрее она движется. Частицы менее 3 мкм двигаются поступательно по всем сложным траекториям или вращаются.
Сам Броун не смог объяснить открытое им явление. И лишь в XIX веке учёные нашли ответ на этот вопрос: движение броуновских частиц вызвано воздействием на них теплового движения молекул и атомов.

ТРИ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА
Три состояния: твёрдое, жидкое или газообразное. Они называются агрегатными.
В газах расстояние между молекулами велико. Поэтому силы притяжения между ними настолько слабы, что они совершают хаотическое и практически свободное движение в пространстве. Направление своего движения они меняют, ударяясь друг о друга или о стенки сосудов.
В жидкостях молекулы расположены ближе одна к другой, чем в газе. Силы притяжения между ними больше. Молекулы в них движутся уже не свободно, а хаотично колеблются возле положения равновесия. Но они способны перескакивать в направлении действия внешней силы, меняясь местами друг с другом. Результатом этого является течение жидкости.
В твёрдых телах силы взаимодействия между молекулами очень велики из-за близкого расстояния между ними. Притяжение соседних молекул они преодолеть не могут, поэтому способны совершать только колебательные движения около фиксированных центров (положений равновесия). Эти центры могут быть расположены в пространстве нерегулярным образом (аморфные тела) или образовывать упорядоченные объемные структуры (кристаллические тела).
Твёрдые тела сохраняют объём и форму. Жидкость формы не имеет, она всегда принимает форму сосуда, в котором находится в данный момент. Но её объём при этом сохраняется. По-другому ведут себя газообразные тела. Они легко меняют и форму, и объём, принимая форму того сосуда, в который их поместили, и занимая весь предоставленный им объём.
Однако существуют и такие тела, которые имеют структуру жидкости, обладают небольшой текучестью, но при этом способны сохранять форму. Такие тела называют аморфными.
Современная физика выделяет и четвёртое агрегатное состояние вещества – плазму (частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов)).
Вещество может находиться в различных физических состояниях или фазах.
Фаза – физически однородная часть вещества, отделенная от остальных частей системы границей раздела (лед, вода, пар).
Вещество может находиться в трех агрегатных состояниях – жидком, твердом газообразном. Но понятия фазы вещества и его агрегатного состояния не являются тождественными. В пределах одного и того же агрегатного состояния вещество может находиться в различных фазах. Например: алмаз и графит.
В окружающей нас среде мы часто наблюдаем фазовый переход вещества, например воды, из жидкого состояния в газообразное, т.е. в пар.
Фазовый переход – переход из одной фазы в другую, из одного агрегатного состояния в другое.

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ
Газовое состояние – одно из тех состояний вещества, описание которого на основе методов молекулярно-кинетической теории уже с самого начала ее развития дало наиболее полные и ощутимые результаты.
Идеальный газ – математическая модель газа, в которой предполагается, что потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению сих кинетической энергией.
Изопроцессы идеального газа – процессы, при которых один из параметров остаётся неизменным.
1. Изохорический процесс. Закон Шарля. V = const.
Изохорическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном объёме V. Поведение газа при этом изохорическом процессе подчиняется закону Шарля: При постоянном объёме и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение давления газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: P/Т = const.
График изохорического процесса на диаграмме называется изохорой.
2. Изобарический процесс. Закон Гей-Люссака. Р = const.
Изобарическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном давлении Р. Поведение газа при изобарическом процессе подчиняется закону Гей-Люссака: При постоянном давлении и неизменных значениях массы и газа и его молярной массы, отношение объёма газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: V/T = const.
График изобарического процесса на диаграмме называется изобарой.
3. Изотермический процесс. Закон Бойля – Мариотта. T = const.
Изотермическим процессом называется процесс, протекающий при постоянной температуре Т. Поведение идеального газа при изотермическом процессе подчиняется закону Бойля – Мариотта: При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.
График изотермического процесса на диаграмме называется изотермой.
4. Уравнение Менделеева-Клапейрона.
Газы нередко бывают реагентами и продуктами в химических реакциях. Не всегда удается заставить их реагировать между собой при нормальных условиях. Поэтому нужно научиться определять число молей газов в условиях, отличных от нормальных.
Для этого используют уравнение состояния идеального газа (его также называют уравнением Клапейрона-Менделеева):
PV = nRT
где n – число молей газа;
P – давление газа (например, в атм);
V – объем газа (в литрах);
T – температура газа (в кельвинах);
R – газовая постоянная (0,0821 л·атм/моль·K).

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Термодинамика – раздел физики, рассматривающий явления, связанные с взаимопревращением механической и внутренней энергий и передачей внутренней энергии от одного тела к другому.
Термодинамической системой называется совокупность тел, выделенная для рассмотрения вопросов термодинамики.
Изменение внутренней энергии AU может быть осуществлено двумя способами:
путем совершения над телом работы: сжатие, растяжение тела; работа механизмов: пилы, дрели;
путем сообщения телу теплоты, то есть через теплопередачу: нагревание в закрытом сосуде, нагревание жидкости.
Теплопередачей называется процесс перехода внутренней энергии от одного тела к другому без совершения над телом работы.
Виды теплопередачи:
конвекция;
теплопроводность;
лучеиспускание
Конвекция – процесс передачи количества теплоты путем перемешивания холодных и теплых слоев жидкости или газа (центральное водяное отопление, ветры, морские течения, тяга в трубах, нагревание жидкости снизу сосуда).
Теплопроводность – процесс передачи количества теплоты от более нагретой части тела к менее нагретой без перемещения частиц (металлы - хорошие проводники тепла; дерево, стекло, кожа - плохие; газы менее теплопроводны, чем жидкость => плохая теплопроводность.
Лучеиспускание – теплопередача через излучение с помощью электромагнитных волн (энергия, получаемая Землей от Солнца).
Работа. В термодинамике определяется так же, как и в механике, но равна изменению не кинетической энергии, а его внутренней энергии.
Количество теплоты AQ - количество энергии, переданной от тела телу в результате теплопередачи (без совершения работы).

ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ.
Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.
Q= ΔU+ A

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
Существует два классических определения второго закона термодинамики:
Кельвина и Планка
Не существует циклического процесса, который извлекает количество теплоты из резервуара при определенной температуре и полностью превращает эту теплоту в работу. (Невозможно построить периодически действующую машину, которая не производит ничего другого, кроме поднятия груза и охлаждения резервуара теплоты)
Клаузиуса
Не существует процесса, единственным результатом которого является передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. (Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара)
Оба определения второго закона термодинамики опираются на первый закон термодинамики, утверждающий, что энергия убывает.

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
Энтропия — функция, состояния термодинамической системы, определяющая меру необратимого рассеивания энергии.
Для того, чтобы энергию можно было использовать, в системе должны быть области с высоким и низким уровнями энергии. Полезная работа производится в результате передачи энергии от области с высоким уровнем энергии к области с низким уровнем энергии.
При этом важно понимать, что:
100% энергии не может быть преобразовано в работу
Энтропия может вырабатываться, но не может быть уничтожена
Если теплота – беспорядочное колебательное движение молекул, то при охлаждении энтропия системы должна уменьшаться. Когда же тепловое движение полностью прекратится, система будет при абсолютном нуле температуры. Естественно предположить, что при такой температуре энтропия равна нулю.
Энтальпия — это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенном постоянном давлении.