Оглавление
Время чтения: 12 минут
375
Термодинамикой называют обширный раздел физики, посвященный многочисленным процессам, которые происходят в системах, а также их состояниям. Основой для данного научного направления являются обобщенные факты, полученные в ходе проведения опытов и экспериментов. Для описания явлений, происходящих в термодинамических процессах, используются макроскопические величины.
Объектом изучения термодинамики являются тепловые свойства тел, а также систем, которые находятся в состоянии теплового равновесия. Оно объясняется законом сохранения энергии, при этом не учитывается внутреннее строение тел, включенных в систему.
В термодинамике не рассматриваются такие микроскопические величины, как размеры молекул и атомов, их количество и масса. Этот раздел физики рассматривает процессы в большом масштабе
Благодаря созданию законов термодинамики удалось установить связь между несколькими наблюдаемыми физическими величинами, которые характеризуют состояние системы. К ним относится следующие параметры:
Указанные параметры не применимы к отдельным молекулам, поскольку используются для детального описания систем в общем виде. Решения, основанные на термодинамических законах, встречаются в различных сферах, в том числе теплотехнике и электроэнергетике. Это свидетельствует о важности понимания химических процессов и фазовых переносов. Принципы термодинамики тесно связаны с квантовой механикой. Эти независимые теории обращаются к физическим явлениям материи и света.
Понятие «Идеальный газ» в термодинамике используется для обозначения некой идеализации по аналогии с материальной точкой.
Молекулы элемента в этом случае являются материальными точками. При этом соударения частиц признаются абсолютно упругими и постоянными. Для решения многих задач в термодинамике реальные газы целесообразно принимать за идеальные.
Благодаря этому появляется возможность составлять формулы в упрощенном виде, поскольку не приходится вводить в уравнение большое количество новых величин.
Итак, все молекулы идеального газа находятся в движении. Для того чтобы определить с какой скоростью и массой они движутся, можно применить уравнение состояния идеального тела.
Формула Клайперона-Менделеева имеет следующий вид:
\[\boldsymbol{P} V=\frac{m}{M} R T\]
Где:
m – масса исследуемого газа;
R – универсальная постоянная, равная 8,3144598 Дж/(моль*кг)
M – начальная молекулярная масса.
Для вычисления точной массы идеального газа используется произведение его объема и плотности. Формула выглядит так:
\[\boldsymbol{m=pV}\]
Между давлением газа и средней кинетической энергией существует некая взаимосвязь. В термодинамике ее называют основным уравнением молекулярно-кинетической теории и представляют в следующем виде:
Где:
n – концентрация молекул, находящихся в движении, по отношению к объему газа;
E – коэффициент средней кинетической энергии.
Один из основных законов, который используется для конкретизации общефизического закона сохранения энергии для термодинамических систем, называют первым началом термодинамики. Он учитывает химические, массобменные и термические процессы, происходящие в этих системах. Часто его формулируют как невозможность появления вечного двигателя первого рода, поскольку при совершении работы исчерпывается энергия какого-либо источника.
Итак, первый закон термодинамики звучит следующим образом: количество внутренней теплоты, которое передается газу, расходуется только на совершение работы А и изменение общей энергии газа U.
Формула первого начала термодинамики имеет следующий вид:
\[Q=\Delta U+A\]
Поскольку газ при необходимости можно нагревать или сжимать, в системе с ним постоянно происходят какие-то изменения. Рассмотрим вариант, когда протекание процессов происходит при одном стабильном параметре, величина которого не меняется.
В изотермическом случае, когда постоянным остается температурный параметр, первое начало термодинамики задействует закон Бойля-Мариотта. Это экспериментальный газовый закон, использующийся для описания тенденции увеличения давления газа при уменьшении его объема.
При изотермическом процессе давление газа будет обратно пропорционально его начальному объему:
В случае с изохорным процессом, когда постоянным остается только объем, применяется закон Шарля. Он описывает соотношение давления и температуры для идеального газа.
Согласно закону, давление газа прямо пропорционально его общей температуре. Изохорный процесс отличается тем, что все количество тепла, подведенного к газу, расходуется на изменение внутренней энергии.
формула закона Шарля:
\[Q=\Delta A\]
Процесс, происходящий при постоянном давлении, называется изобарным. К нему применяется закон Гей-Люсакка, который гласит, что начальный объем идеального газа прямо пропорционален конечной температуре при условии, что давление остается неизменным. Этот закон применим ко всем газам, а также парам летучих жидкостей, когда их температура выше точки кипения.
При изобарном процессе все тепло расходуется на совершение газом работы, а также изменение внутреннего энергетического потенциала. Формула для этого изопроцесса записывается в следующем виде:
Этот закон является подтверждением того, что одинаковые объемы газов при постоянном давлении и температуре содержат одинаковое количество молекул.
Второй закон термодинамики гласит, что прохождение процесса будет невозможным, если единственным его результатом будет передача энергии с помощью теплообмена к телу с более высокой температурой от тела с низкой. Этот закон позволяет объяснить некоторые явления, которые не противоречат первому началу. Формула второго закона термодинамики используется для определения возрастания энтропии в изолированных системах.
В отличие от первого закона термодинамики, третий позволяет определить, как будет вести себя термодинамическая система около абсолютного нуля температур. Третье начало термодинамики называют теоремой Нернста — Планка.
Нет времени решать самому?
Наши эксперты помогут!
Контрольная
| от 300 ₽ |
Реферат
| от 500 ₽ |
Курсовая
| от 1 000 ₽ |
Удельной теплоемкостью в термодинамике называют теплоемкость образца вещества, поделенную на общую массу образца. Иногда этот термин используется для обозначения массовой теплоемкости.
В термодинамической системе удельная теплоемкость всегда равна количеству, выделенному при нагревании на один градус Цельсия одного килограмма вещества.
Уравнение теплоемкости в термодинамике зависит от теплоты и определяется по формуле:
\[c=Q m \Delta t\]
Когда в системе остаются неизменными давление и объем, используется показатель – молярная теплоемкость. Ее действие отражается следующей формулой:
Где:
i – число степеней свободы молекул газа.
В самом простейшем варианте тепловая машина состоит из таких элементов, как нагреватель, холодильник и материальное тело.
Тепло передается от нагревателя физическому веществу, за счет чего совершается определенная работа. Затем оно охлаждается с помощью холодильника и процесс повторяется заново.
Наиболее наглядный пример тепловой машины – это двигатель внутреннего сгорания.
В термодинамике для определения КПД этого устройства, используется формула:
\[\mathbf{n}=\mathbf{Q h}-\mathbf{Q} \times \mathbf{Q h}\]
Изучая основы и уравнения термодинамики, очень важно понять, к настоящему моменту разработано два метода, позволяющих описать физические процессы, которые происходят в макроскопических телах. Это статистический и термодинамический методы.
Представленные в виде формул термодинамики, они позволяют раскрыть смысл экспериментальных закономерностей в виде уравнения идеального газа (закон Менделеева-Клайперона).
Важным отличием термодинамических концепций от систем молекулярной физики является то, что они не предусматривают изучение конкретных взаимодействий, которые происходят с отдельными атомами или молекулами. В термодинамике рассматриваются только постоянные взаимопревращения, а также связь различных видов теплоты, работы и энергии.
Функции состояния применяются в термодинамике для исследования макросостояний. В них используются показатели, отражающие определенные состояния термодинамического равновесия. Они не зависят от предыстории концепции метода, а также не связаны с переходом в абсолютное состояние.
К основным функциям состояния, которые применяются для газов в термодинамике, относятся:
Следует отметить, что все перечисленные функции состояния не являются абсолютно независимыми. В случае с однородными системами любой термодинамический принцип можно записать в виде выражения с двумя самостоятельными переменными. Таким образом уравнениями общего состояния называют функциональные взаимосвязи термодинамических систем.
В настоящее время используется несколько видов таких уравнений:
Знание принципов термодинамики позволяет применять уравнения состояния на практике при возникновении такой необходимости. Для различных термодинамических концепций выражения могут определяться из опыта или с применением способов статистической механики. В пределах термодинамики выражение будет считаться заданным, если система определена изначально.
