основи термодинаміки

Молекулярна фізика і термодинаміка займаються явищами, зумовленими сукупним дією величезного числа безперервно рухаються часток. Незважаючи на те, що кожна частинка рухається за законами механіки, їх сукупний рух не є механічним, а являє собою якісно новий, більш складний вид руху - тепловий рух. Для його дослідження застосовують два методи:

- статистичний (молекулярно-кінетичний), коли властивості макроскопічної системи визначають властивостями частинок системи, особливостями їх руху і усередненими характеристиками цього руху;

- термодинамічний метод, коли властивості макроскопічних систем, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, і процеси переходу між ними описують за допомогою термодинамічних параметрів, що характеризують систему в цілому - тиск (p), обсяг (V), температура (T) - не розглядаючи мікропроцеси, призводять до зміни цих станів.

При вивченні молекулярних явищ статистичний і термодинамічний методи взаємно доповнюють один одного.

З трьох станів, в яких може перебувати речовина, найбільш простим для вивчення є газоподібне, тому починають вивчення властивостей речовин зі властивостей газів. Щоб полегшити вивчення властивостей газів, реальні гази замінюють їх спрощеною моделлю, яка називається ідеальним газом. Вважають, що в ідеальному газі:

а) відсутні сили міжмолекулярної взаємодії, т. е. молекули не притягають і не відштовхуються одна від одної;

б) взаємодія молекул відбувається тільки при їх зіткненні і є пружним;

в) молекули газу не мають обсягу, т. е. є матеріальні точки.

Найближче ця модель газу відповідає властивостям одноатомних газів, що знаходяться при тисках, близьких до атмосферного, і температурах не нижче -200 0 С.

Коли газ знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, параметри, що характеризують його пов'язані так званим рівнянням стану ідеального газу - рівнянням Клапейрона-Менделєєва

де R = 8,31 Дж / (моль · К) - універсальна газова постійна,

υ - кількість речовини, яке вимірюється в моль. 1 моль є кількість речовини, в якому міститься число часток, що дорівнює постійної Авогадро NA = 6,022 ∙ 10 23 моль -1,

μ - молярна маса - маса одного моля. Вона дорівнює добутку маси однієї молекули на число Авогадро.

Знаючи число Авогадро, можна знайти масу молекули іншим способом:

де - кількість речовини;

N - число часток в масі m речовини.

Введемо кілька фізичних понять, що описують термодинамічну систему (газ).

Температура (Т) - скалярна фізична величина, що характеризує інтенсивність теплового руху молекул ізольованої системи в умовах термодинамічної рівноваги, пропорційна середньої кінетичної енергії поступального руху молекул.

Середня кінетична енергія поступального руху молекули ідеального газу прямо пропорційна його абсолютній температурі (і не залежить від її маси). У вираженні i - число ступенів свободи матеріального об'єкта (молекули), яка дорівнює кількості незалежних координат, які необхідно задати, щоб однозначно визначити положення цього об'єкта в просторі щодо даної системи відліку. Наприклад, положення матеріальної точки в просторі визначається трьома координатами x, y, z отже, матеріальна точка має трьома ступенями свободи.

Абсолютно тверде тіло має 6 ступенів свободи: координати x, y, z визначають положення центра мас, кути θ, φ, ψ - орієнтацію двох взаємно перпендикулярних, жорстко пов'язаних з тілом осей ГО і О'О '(рис.1)

x, y, z - поступальні ступені свободи;

θ, φ, ψ - обертальні ступені свободи абсолютно твердого тіла.

Система з N матеріальних точок, між якими немає жорстких зв'язків, має 3N ступенів свободи.

Молекули газів, що складаються з одного атома (Ar, Xe, He) володіють трьома ступенями свободи i = 3; молекули газів, що складаються з двох атомів (О2, Н2, N2) мають п'ятьма ступенями свободи i = 5; молекули газів, що складаються з трьох і більше атомів (CO2, CH4) мають шістьма ступенями свободи i = 6.

Відповідно до закону Максвелла-Больцмана, якщо система молекул знаходиться в тепловій рівновазі при температурі T. то середня кінетична енергія рівномірно розподілена між усіма ступенями свободи і для кожного ступеня свободи дорівнює kT / 2. Тоді середня енергія хаотичного теплового руху однієї молекули

Молекули ідеального газу не взаємодіють один з одним на відстані, зміни стану ідеального газу супроводжується зміною тільки енергії хаотичного руху його молекул. Внаслідок цього під внутрішньою енергією ідеального газу розуміють енергію хаотичного поступального і обертального руху його молекул.

Внутрішня енергія ідеального газу дорівнює середній енергії всіх N молекул газу:

Істотно відзначити, що внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури. Вона визначається тільки станом газу і не залежить від того, яким способом газ призвели до цього стану. Такі величини називаються функціями стану.

Змінити внутрішню енергію термодинамічної системи можна або вчинивши роботу, або передавши їй деяку кількість теплоти.

Необхідною умовою здійснення роботи є переміщення взаємодіють з системою тел або їх макроскопічних частин, а значить зміна обсягу системи.

Робота в термодинаміці визначається співвідношенням

Приріст обсягу системи може бути як позитивно, так і негативно. Якщо dV> 0, то робота позитивна, тобто система здійснює роботу. якщо dV