분자 물리학

기본 개념
물질의 양은 몰(n)로 측정됩니다.
n은 몰수
1몰은 0.012kg의 탄소에 있는 원자의 수만큼 많은 입자를 포함하는 시스템의 물질량과 같습니다. 물질 1몰의 분자 수는 아보가드로 상수 N A와 수치적으로 같습니다.

NA \u003d 6.022 · 1023 1 / mol.

정상적인 조건에서 1몰의 기체는 부피를 차지합니다.
V=2.24 · 10-2 m3.
남 - 몰 질량 (몰의 질량) - 물질의 양에 대한 물질 m의 질량 비와 같은 값 n:

m o - 한 분자의 질량, m - 취한 물질량의 질량

주어진 부피의 분자 수입니다.

이상 기체. 분자 운동 이론의 기본 방정식.

기체의 분자 운동 이론의 기본 방정식은 다음 방정식입니다.

,

P - 가스 압력 켜짐 혈관 벽,
n은 분자의 농도이고,

제곱근은 분자의 제곱 속도를 의미합니다.

가스 압력 p는 다음 공식에 의해 결정될 수 있습니다.

,

분자의 병진 운동의 평균 운동 에너지,

T는 절대 온도,
K=1.38 10-23 J/K - 볼츠만 상수.

,

여기서 \u003d 8.31 J / mol × K, R은 범용 가스 상수입니다.
Т=373+t o С, t o С – 섭씨 온도.
예를 들어, t=27oC, T=273+27=300K입니다.
가스 혼합물
부피 V에 하나의 가스가 아니라 가스 혼합물이 있는 경우 가스 압력 p는 Dalton의 법칙에 의해 결정됩니다. 가스 혼합물은 각 가스 압력의 합과 동일한 압력을 벽에 가합니다. 별도로 촬영:

- 첫 번째 가스 p1, 두 번째 p2 등에 의해 벽에 가해지는 압력

N은 혼합물의 몰수이고,

Clapeyron-Mendeleev 방정식, isoprocesses.

이상 기체의 상태는 압력 p, 부피 V, 온도 T로 특징지어집니다.
[p]=파스칼(Pa), [V]=m3, [T]=켈빈(K).
이상 기체의 상태 방정식은 다음과 같습니다.

, 1몰의 기체에 대해 const=R은 보편적인 기체 상수입니다.

- Mendeleev-Clapeyron 방정식.

질량 m이 일정하면 기체에서 일어나는 다양한 과정은 Mendeleev-Clapeyron 방정식에서 발생하는 법칙으로 설명할 수 있습니다.

1. m=const이면 T=const는 등온 과정입니다.

공정 방정식:

프로세스 일정:

2. m=const이면 V=const는 isochoric 프로세스입니다.

공정 방정식: .

프로세스 일정:

3. m=const이면 p=const는 등압 프로세스입니다.

공정 방정식:

프로세스 일정:

4. 단열 과정 - 환경과의 열교환 없이 진행되는 과정. 이것은 기체를 팽창 또는 압축하는 매우 빠른 과정입니다.

포화 증기, 습도.

절대 습도는 주어진 온도에서 공기에 포함된 수증기의 압력 p입니다.
상대 습도는 주어진 온도에서 공기에 포함된 수증기의 압력 p와 동일한 온도에서 포화 수증기의 압력 p의 비율입니다.

p o - 표 값.
이슬점은 공기 중의 수증기가 포화되는 온도입니다.

열역학

열역학은 에너지 변환의 가장 일반적인 패턴을 연구하지만 물질의 분자 구조는 고려하지 않습니다.
서로 상호 작용할 때 임의의 열 운동을 수행하고 에너지를 교환하는 원자, 분자, 이온 및 전자와 같은 수많은 입자로 구성된 물리적 시스템을 열역학 시스템이라고합니다. 이러한 시스템은 기체, 액체 및 고체입니다.

내부 에너지.

열역학 시스템에는 내부 에너지가 있습니다. 유. 열역학 시스템이 한 상태에서 다른 상태로 이동할 때 내부 에너지가 변경됩니다.
이상 기체의 내부 에너지 변화는 입자의 열 운동의 운동 에너지 변화와 같습니다.
내부에너지의 변화 D 유한 상태에서 다른 상태로 시스템을 전환하는 동안 전환이 이루어진 프로세스에 의존하지 않습니다.
단원자 가스의 경우:

- 공정의 시작과 끝의 온도차.

시스템의 내부 에너지 변화는 두 가지 다른 프로세스로 인해 발생할 수 있습니다. 작업 A/는 시스템에서 수행되고 열 Q는 시스템으로 전달됩니다.

열역학에서 일하십시오.

작업은 시스템이 한 상태에서 다른 상태로 전환되는 프로세스에 따라 달라집니다. 등압 프로세스 사용(p=const, m=const): ,

프로세스가 끝날 때와 시작될 때 볼륨의 차이.

외력이 계에 한 일과 외력에 대해 계가 한 일은 크기가 같고 부호가 반대이다.

열역학 제1법칙.

열역학에서의 에너지 보존 법칙을 열역학 제1법칙이라고 합니다.
열역학 제1법칙:

A / - 외부 힘에 의해 시스템에서 수행되는 작업,
A는 시스템이 수행한 작업입니다.

최종 상태와 초기 상태의 내부 에너지 차이.

열역학 제1법칙.

열역학 제1법칙은 다음과 같이 공식화됩니다. 시스템에 전달되는 열(Q)의 양은 시스템의 내부 에너지를 증가시키고 시스템이 외부 물체에 일을 수행하는 데 사용됩니다.
열역학 제1법칙을 다양한 isoprocess에 적용해 봅시다.
a) 등온 과정(T=const, m=const).
그때부터 , 즉. 내부 에너지에는 변화가 없으므로 다음과 같습니다.

- 시스템에 전달되는 모든 열은 시스템이 외력에 대해 수행하는 작업에 소비됩니다.

B) 등색 프로세스(V=const, m=const).
부피는 변하지 않으므로 계의 일은 0(A=0)이고 - 시스템에 전달되는 모든 열은 내부 에너지를 변경하는 데 사용됩니다.
c) 등압 프로세스(p=const, m=const).

d) 단열 과정(m=const, Q=0).

내부 에너지를 줄임으로써 시스템에서 작업을 수행합니다.

열 엔진 효율.

열기관은 외부로부터 받은 열량으로 인해 작업을 수행하는 주기적으로 작동하는 엔진입니다. 열 엔진은 세 부분으로 구성되어야합니다. 1) 작동 유체 - 작업이 수행되는 팽창과 함께 가스 (또는 증기); 2) 히터 - 열 교환으로 인해 작동 유체가 열 Q1의 양을받는 본체; 3) 냉장고(환경), 가스에서 Q2의 열량을 제거합니다.
히터는 주기적으로 가스 온도를 T1로 높이고 냉장고는 가스 온도를 T2로 낮춥니다.
히터에서 받은 열량에 대한 기계가 수행한 유용한 작업 A의 비율을 기계 효율 h라고 합니다.

이상적인 열기관의 효율:

Т1 – 히터 온도,
T2는 냉장고의 온도입니다.

- 이상적인 열기관을 위해.

테스트

답변 및 솔루션

1. 모든 물질의 몰에는 아보가드로 수와 같은 동일한 수의 분자가 포함됩니다.
2. p=const 및 m=const인 두 상태에 대한 Mendeleev-Clapeyron 방정식을 작성해 보겠습니다. 한 상태에서 다른 상태로 전환하는 과정은 등압입니다. (1) (2) (1)을 (2)로 나누면 다음과 같이 됩니다. - isobatic 과정의 방정식.
3. 
4. 온도를 결정하기 위해 Mendeleev-Clapeyron 방정식을 적용합니다. 그래프에서: 상태 A에 대해 - , 상태 B의 경우 - . , 첫 번째 방정식 -에서 - .
5. 혼합 압력 . 등온 과정의 방정식을 작성합니다., - 팽창 후 가스 압력.
6. 문제를 해결하기 위해 열역학 제1법칙을 적습니다. 등압 프로세스의 경우:. isochoric 과정을 위해:. 왜냐하면 Cp는 일정한 압력에서의 비열, CV는 일정한 부피에서의 열용량입니다. 왜냐하면 , , 즉.
7. - 열역학 제1법칙. 조건 Q=A에 의해, 즉 델타 유\u003d 0, 이는 프로세스가 일정한 온도에서 진행됨을 의미합니다(프로세스는 등온입니다).
8. A 1 - 그림 A 1 B의 면적과 수치 적으로 동일합니다. 왜냐하면 다른 영역보다 적으면 작업 A 1이 최소화됩니다.

온라인 과정을 인증할 수 있습니다.

이 과정은 과정의 일부로 열역학 및 분자 물리학의 주요 개념과 방법을 다룹니다. 일반 물리학모스크바 학생들에게 읽어주기 물리기술연구소. 먼저 기본 열역학 수량, 개념 및 가정을 소개합니다. 주요 열역학적 관계가 고려됩니다. 별도의 강의는 상전이 이론, 반 데르 발스 기체 모델 및 표면 현상에 전념합니다. 통계 물리학의 기본 개념이 제공됩니다: 시스템의 미시 및 거시 상태, 분할 함수, 분포 함수 등. Maxwell, Boltzmann, Gibss의 분포가 논의됩니다. 가스의 열용량 이론의 요소가 제시됩니다. 주요 열역학적 양의 변동에 대한 표현이 도출됩니다. 가스의 분자 과정에 대한 설명은 전달, 확산 및 열전도 과정입니다.

과정에 대해

온라인 과정에는 기본 물리학 문제에 대한 토론, 문제 분석, 물리적 실험 시연이 포함되어 있으며 일반 물리학에 대한 깊은 이해가 불가능합니다. 온라인 과정을 성공적으로 마스터하려면 학생이 일반 물리학 과정 인 "역학"을 알고 수학적 분석의 기본을 마스터하고 선형 대수 및 확률 이론의 기본을 아는 것이 바람직합니다.

체재

온라인 과정에는 다음이 포함됩니다. 이론적 자료, 현상의 정확한 이해를 위해 필요한 주요 열역학 실험 실증, 전형적인 문제에 대한 솔루션 분석, 독립 솔루션을 위한 실습 및 과제

일곱 번째, 열세 번째 및 열여덟 번째 주에는 다음이 포함됩니다. 제어 작업확인을 위해.

코스 프로그램

1주차
분자 물리학 및 열역학의 기본 개념: 연구 주제, 그것의 형질. 분자 물리학의 문제. 상태 방정식. 분자 운동 에너지의 함수로서 이상 기체의 압력. 이상 기체의 온도와 분자의 운동 에너지 사이의 관계. 이상 기체의 법칙. 이상 기체에 대한 상태 방정식. 준정적, 가역적, 비가역적 열역학적 과정. 열역학의 제로 시작. 일, 열, 내부 에너지. 열역학 제1법칙. 열용량. 일정한 부피와 일정한 압력에서 이상 기체의 열용량, 메이어 방정식. 단열 및 폴리트로픽 공정. 이상 기체에 대한 폴리트로픽 방정식. 단열 및 폴리트로픽 공정. 부피로부터 이상 기체의 내부 에너지의 독립성.

2주차
열역학 제2법칙. 두 번째 시작의 제형. 열 기계. 열 엔진의 효율 결정. 카르노 사이클. 카르노의 정리. 클라우지우스 부등식. 다른 열역학 사이클과 비교한 카르노 사이클의 최대 효율. 냉동 기계. 냉각기 효율. 열 펌프. Carnot 사이클에서 작동하는 열 펌프의 효율. 히트펌프와 칠러의 효율계수 관계.

3주차
엔트로피의 열역학적 정의. 엔트로피 증가 법칙. 이상 기체의 엔트로피. 가역적 엔트로피 및 돌이킬 수 없는 프로세스. 진공 상태에서 이상 기체의 단열 팽창. 열역학 제1법칙과 제2법칙의 결합방정식. 열역학 제3법칙. 온도가 절대 영도에 가까워짐에 따라 엔트로피와 열용량의 변화.

4주차
열역학적 기능. 열역학 함수의 속성. 최대 및 최소 작업. 열역학 함수의 변환. 맥스웰의 관계. 체적에 대한 내부 에너지의 의존성. 부피에 대한 열용량의 의존성. CP와 CV의 비율. 따뜻한 물리적 특성고체. 고체 변형의 열역학. 탄성 막대의 단열 신축 중 온도 변화. 격자 진동의 불일치로 인한 열팽창. 로드의 선형 팽창 계수.

5주차
열역학적 평형 조건. 위상 변환. 첫 번째와 두 번째 종류의 상전이. 화학적 잠재력. 상평형 상태. 위상 평형 곡선. Clausius-Clapeyron 방정식. 2상 시스템 "액체-증기"의 상태 다이어그램. 온도에 대한 상전이 열의 의존성. 임계점. 트리플 포인트. 상태 다이어그램 "얼음-물-증기". 표면 현상. 표면 열역학. 자유 에너지표면. 가장자리 각도. 습윤 및 비습윤. 라플라스 공식. 액체 표면 곡률에 대한 증기압의 의존성. 비등. 새로운 단계의 형성에서 핵의 역할.

6주차
반 데르 발스 기체는 실제 기체의 모델입니다. 반 데르 발스 기체 등온선. 준안정 상태. 과열된 액체와 과냉각된 증기. 맥스웰의 법칙과 지렛대 법칙. 중요한 매개변수감소된 반 데르 발스 기체 상태 방정식. 반 데르 발스 가스의 내부 에너지. Van der Waals 가스 단열 방정식. 반데르발스 기체의 엔트로피. 기체에서 소리의 속도. 오리피스에서 가스가 흘러 나오는 속도. 줄-톰슨 효과. 단열 팽창, 스로틀링. 낮은 온도를 얻습니다.

7주차
확인 중

8주차
동적 및 통계적 규칙성. 거시적 및 미시적 상태. 위상 공간. 확률 이론의 요소. 정규화 조건. 평균값과 분산. 이항 분포 법칙. 푸아송 분포. 가우스 분포.

9주차
맥스웰 분포. 속도 성분에 대한 입자 분포 및 절대값속도. 가장 가능성이 높은 평균 및 rms 속도. 맥스웰의 에너지 분포. 단일 영역에서 단위 시간당 충돌하는 분자의 평균 충돌 횟수입니다. 용기의 작은 구멍을 통해 진공 상태로 빠져나가는 분자의 평균 에너지.

10주차
균일한 역장에서의 볼츠만 분포. 기압 공식. 마이크로 및 매크로 상태. 거대 국가의 통계적 가중치. 엔트로피의 통계적 정의. 혼합 기체의 엔트로피. 깁스 역설. Gibbs 분포의 표현. 파티션 기능과 내부 에너지를 찾는 용도. 통계적 온도.

11주차
변동. 입자 에너지의 에너지 및 분산(제곱 평균 변동)의 평균값. 열역학적 양의 변동. 고정 부피의 온도 변동. 등온 및 단열 프로세스의 부피 변동. 추가 물리량의 변동. 시스템을 구성하는 입자 수에 대한 변동의 의존성.

12주차
열용량. 고전 이론열용량. 자유도에 대한 열 운동 에너지의 균일 분포 법칙. 결정의 열용량(Dulong–Petit law). 열 용량의 양자 이론의 요소. 특성 온도. 온도에 대한 열용량의 의존성.

13주차
충돌. 효과적인 가스 역학 단면. 자유 경로 길이. 자유 경로 길이에 걸친 분자 분포. 분자 사이의 충돌 횟수. 전달 현상: 점도, 열전도도 및 확산. Fick 및 푸리에 법칙. 가스의 점도, 열전도율 및 확산 계수.

14주차
브라운 운동. 유동성. 아인슈타인-스몰루초우스키 법칙. 입자 이동성과 확산 계수 간의 관계. 희박 가스의 수송 현상. 크누센 효과. 유출. 직선 파이프를 통한 희박 가스의 흐름.

15주차
확인 중

학습 결과

"열역학" 분야를 공부한 결과 학생은 다음을 수행해야 합니다.

• 알다:
  • 분자 물리학, 열역학에서 사용되는 기본 개념;
  • 분자 물리학, 열역학에서 사용되는 물리량의 의미;
  • 이상 기체 및 반 데르 발스 기체에 대한 상태 방정식;
  • 볼츠만과 맥스웰의 분포, 자유도에 대한 균일한 에너지 분포 법칙;
  • 열역학의 0, 1, 2, 3법칙, Clausius의 부등식, 엔트로피 증가 법칙;
  • 안정적인 열역학적 평형 조건;
  • Clausius-Clapeyron 방정식;
  • 라플라스 공식;
  • 전달 과정을 설명하는 방정식(확산, 점도, 열전도도);
• 가능하다:
  • 문제를 해결하기 위해 가스의 분자 운동 이론의 기본 조항을 사용하십시오.
  • 열 과정 및 전달 과정의 평형 상태를 설명하는 데 분자 물리학 및 열역학의 법칙을 사용합니다.
• 소유하다:
  • 물질 상태의 매개 변수를 계산하는 방법;
  • 작업 계산 방법, 열량 및 내부 에너지;

형성된 역량

• 현장에서 얻은 기본 지식을 실제로 사용하기 위해 과학적 문제 및 물리적 프로세스를 분석하는 능력 자연 과학(확인-1)
• 새로운 이슈, 용어, 방법론을 숙달하고 과학적 지식과 기술을 습득하는 능력 독학(확인-2)
• 신청할 수 있는 능력 전문적인 활동물리 및 수학 분야에서 얻은 지식(PC-1)
• 전문적인 활동 과정에서 설정된 작업의 본질을 이해하고 이를 설명하고 해결하기 위해 적절한 물리적 및 수학적 장치를 사용하는 능력(PC-3)
• 교육 프로필(PC-4)에 따라 분야의 추가 개발을 위해 물리 및 수학 분야의 지식을 사용하는 능력
• 질적 및 양적 모델을 구축하기 위해 수학, 물리학 및 컴퓨터 과학의 이론과 방법을 적용하는 능력(PC-8)

분자 물리학과 열역학은 본질적으로 접근 방식이 다르지만 물리적 시스템의 거시적 특성에 대한 연구이지만 완전히 다른 방법으로 동일한 것을 다루는 밀접하게 관련된 과학입니다.

분자물리학 분자물리학 또는 분자 운동 이론은 물질의 구조에 대한 특정 아이디어를 기반으로 합니다. – 수많은 입자로 구성된 거시적 시스템의 행동 법칙을 확립하기 위해 이상 기체 모델과 같은 분자 물리학에서 다양한 물질 모델이 사용됩니다. 분자물리학은 통계이론, 물리학, 즉 엄청난 수의 입자(원자, 분자)로 구성된 계의 거동을 확률론적 모형에 기초해 고려하는 이론이다. 통계적 접근을 기반으로 실험적으로 측정된 거시적 양(압력, 부피, 온도 등)과 시스템(질량, 운동량, 에너지 등) .

열역학 분자 운동 이론과 달리 열역학은 거시적 시스템의 열역학적 특성을 연구할 때 물질의 분자 구조에 대한 아이디어에 의존하지 않습니다. 열역학은 현상학적 과학입니다. - 에너지 보존법칙 등 경험에 의해 정립된 법칙을 바탕으로 물질의 성질에 대한 결론을 도출한다. 열역학은 물리적 실험을 기반으로 도입된 거시적 양(압력, 온도, 부피 등)으로만 작동합니다.

열역학 및 통계학의 두 접근 방식은 모순되지 않지만 서로를 보완합니다. 열역학과 분자 운동 이론을 결합해야만 많은 수의 입자로 구성된 시스템의 특성을 가장 완벽하게 파악할 수 있습니다.

분자물리학 분자운동론은 원자와 분자가 화학물질의 가장 작은 입자로 존재한다는 개념을 바탕으로 물질의 구조와 성질을 연구하는 학문이다.

분자 운동 이론 MKT의 주요 조항 1. 모든 물질(액체, 고체 및 기체)은 가장 작은 입자, 즉 원자로 구성되는 분자("기본 분자")로 구성됩니다. 분자 화학적인단순하거나 복잡할 수 있습니다. 즉, 하나 이상의 원자로 구성됩니다. 분자와 원자는 전기적으로 중성인 입자입니다. 특정 조건에서 분자와 원자는 추가 전하를 획득하여 양이온 또는 음이온으로 변할 수 있습니다. 2. 원자와 분자는 열 운동이라고 하는 연속적인 혼돈 운동에 있습니다. 3. 입자는 본질적으로 전기적인 힘에 의해 서로 상호 작용합니다. 입자 사이의 중력 상호 작용은 무시할 수 있습니다.

분자 운동 이론 원자와 분자의 무작위 운동에 대한 분자 운동 이론의 아이디어에 대한 가장 놀라운 실험적 확인은 브라운 운동입니다. 브라운 운동은 액체 또는 기체에 떠 있는 가장 작은 미세 입자의 열 운동입니다. 그것은 1827년 영국 식물학자 R. 브라운에 의해 발견되었습니다. 브라운 입자는 분자의 무작위 충돌의 영향을 받아 움직입니다. 분자의 무질서한 열 운동으로 인해 이러한 충격은 서로 상쇄되지 않습니다. 결과적으로 브라운 입자의 속도는 크기와 방향이 무작위로 변하고 그 궤적은 복잡한 지그재그 곡선을 이룹니다(그림). 브라운 운동 이론은 1905년 A. Einstein에 의해 만들어졌습니다. Einstein의 이론은 1908-1911년에 수행된 프랑스 물리학자 J. Perrin의 실험에서 실험적으로 확인되었습니다.

분자 운동 이론 물질 분자의 끊임없는 혼돈 운동은 또한 쉽게 관찰할 수 있는 또 다른 현상인 확산으로 나타납니다. 확산은 친구의 두 개 이상의 인접한 물질이 침투하는 현상입니다. - 구성이 불균일한 기체인 경우 기체에서 공정이 가장 빠르게 진행됩니다. 확산은 구성 요소의 밀도에 관계없이 균일한 혼합물을 형성합니다. 따라서 칸막이로 분리 된 용기의 두 부분에 산소 O 2와 수소 H 2가 있으면 칸막이가 제거 된 후 다른 가스의 상호 침투 과정이 시작되어 폭발성 혼합물이 형성됩니다. - 폭발성 가스. 이 과정은 가벼운 가스(수소)가 용기의 위쪽 절반에 있고 더 무거운 가스(산소)가 아래쪽 절반에 있을 때도 발생합니다.

분자 운동 이론 - 액체에서 유사한 과정은 훨씬 더 느리게 진행됩니다. 서로 다른 두 액체의 상호 침투, 액체에 고체가 용해되는 것(예: 물에 설탕) 및 균질 용액의 형성은 액체에서 확산 과정의 예입니다. 실제 조건에서 액체 및 가스의 확산은 예를 들어 대류 발생으로 인해 더 빠른 혼합 프로세스에 의해 가려집니다.

분자 운동 이론 - 가장 느린 확산 과정은 고체오. 그러나 실험에 따르면 고체가 두 금속의 잘 닦인 표면과 접촉하면 오랜 시간이 지난 후 각 금속에서 다른 금속의 원자가 발견됩니다. 확산 및 브라운 운동 - 확산 및 브라운 운동은 관련된 현상입니다. 친구의 접촉 물질의 상호 침투와 액체 또는 기체에 부유하는 가장 작은 입자의 무작위 운동은 분자의 혼란스러운 열 운동으로 인해 발생합니다.

분자 운동 이론 두 분자 사이에 작용하는 힘 두 분자 사이에 작용하는 힘은 분자 사이의 거리에 따라 달라집니다. 분자는 양전하와 음전하를 모두 포함하는 복잡한 공간 구조입니다. 분자 사이의 거리가 충분히 크면 분자간 인력이 우세합니다. 짧은 거리에서는 반발력이 우세합니다.

분자 운동 이론 특정 거리 r = r 0에서 상호작용력은 사라집니다. 이 거리는 조건부로 분자의 직경으로 간주될 수 있습니다. r = r 0에서 상호 작용의 잠재적 에너지는 최소입니다. 서로 거리 r 0에 있는 두 분자를 제거하려면 추가 에너지 E 0을 제공해야 합니다. E 0의 값을 포텐셜 우물의 깊이 또는 결합 에너지라고 합니다. 분자는 극히 작습니다. 단순한 단원자 분자는 크기가 약 10–10m이고 복잡한 다원자 분자는 수백 또는 수천 배 더 클 수 있습니다.

분자 운동 이론 열 운동의 운동 에너지는 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 낮은 온도에서 분자의 평균 운동 에너지는 전위 우물의 깊이 E 0보다 작을 수 있습니다. 이 경우 분자는 액체 또는 고체로 응축됩니다. ; 이 경우 분자 사이의 평균 거리는 r 0과 거의 같습니다. 온도가 상승하면 분자의 평균 운동 에너지가 E 0보다 커지고 분자가 날아가고 기체 물질이 형성됩니다.

분자운동론 집계 상태물질 고체에서 분자는 고체의 고정된 중심(평형 위치) 주위에서 무작위 진동을 만듭니다. 이러한 중심은 불규칙한 방식으로 공간에 위치하거나(무정형체) 정렬된 벌크 구조를 형성할 수 있습니다(결정체). 따라서 고체는 모양과 부피를 모두 유지합니다.

분자 운동 이론 물질의 응집 상태 액체에서 분자는 열 운동에 대해 훨씬 더 큰 자유를 가집니다. 그들은 특정 센터에 묶이지 않고 볼륨 전체에서 이동할 수 있습니다. 이것은 액체의 유동성을 설명합니다. 촘촘한 간격의 액체 분자는 여러 분자를 포함하는 정렬된 구조를 형성할 수도 있습니다. 이 현상을 단거리 질서라고 하며, 결정체의 장거리 질서 특성과 대조됩니다. 따라서 액체는 모양이 유지되지 않고 부피가 유지됩니다.

분자 운동 이론 물질의 집합 상태 기체에서 분자 사이의 거리는 일반적으로 크기보다 훨씬 큽니다. 이러한 먼 거리에서 분자 사이의 상호 작용력은 작으며 각 분자는 다음에 다른 분자 또는 혈관 벽과 충돌할 때까지 직선을 따라 이동합니다. - 정상적인 조건에서 공기 분자 사이의 평균 거리는 약 10-8m, 즉 분자 크기의 10배입니다. 분자 사이의 약한 상호 작용은 가스가 팽창하여 용기의 전체 부피를 채우는 능력을 설명합니다. 극한에서 상호 작용이 0이 되는 경향이 있을 때 이상 기체의 개념에 도달합니다. 따라서 기체는 모양이나 부피를 유지하지 않습니다.

분자 운동 이론 물질의 양 분자 운동 이론에서 물질의 양은 물질 입자의 수에 비례하는 것으로 간주됩니다. 물질의 양의 단위를 몰(몰)이라고 합니다. 1몰은 탄소 12C의 원자 0.012kg과 같은 수의 입자(분자)를 포함하는 물질의 양입니다. (탄소 분자는 하나의 원자로 구성됨) 분자 ). 이 숫자를 아보가드로 상수 NA라고 합니다: NA = 6.02 1023 mol–1 아보가드로 상수는 분자 운동 이론에서 가장 중요한 상수 중 하나입니다.

분자 운동 이론 물질의 양 ν는 물질의 입자(분자) 수 N과 아보가드로 상수 NA의 비율로 정의됩니다. 물질 1몰의 질량을 일반적으로 몰 질량 M m 0라고 합니다. 몰 질량은 몰당 킬로그램(kg/mol)으로 표시됩니다. 분자가 하나의 원자로 구성된 물질의 경우 이 용어가 자주 사용됩니다. 원자 질량. 원자와 분자의 질량 단위는 탄소 동위 원소 12C 원자 질량의 1/12입니다. 질량수 12). 이 단위는 원자 질량 단위(a.m.u.)라고 합니다: 오전 1시. e.m. = 1.66 10–27kg. 이 값은 양성자 또는 중성자의 질량과 거의 일치합니다. 주어진 물질의 원자 또는 분자의 질량과 탄소 원자 12 C의 질량의 1/12의 비율을 상대 질량이라고합니다.

분자 운동 이론 분자 운동 이론에서 고려하는 가장 간단한 모델은 이상 기체 모델입니다. 1. 이상 기체 운동 모델에서 분자 1.은 서로 상호 작용하고 탄성 충돌 중에만 벽과 상호 작용하는 이상적인 탄성 공으로 간주됩니다. 2. 모든 분자의 총 부피는 기체를 담고 있는 용기의 부피에 비해 2. 작다고 가정합니다. 이상 기체 모델은 다양한 압력과 온도에서 실제 기체의 거동을 아주 잘 설명합니다. 분자 운동 이론의 임무는 미시적(질량, 미시적 속도, 분자의 운동 에너지)과 거시적 매개변수(압력, 부피, 거시적 온도 매개변수) 사이의 관계를 확립하는 것입니다.

분자 운동 이론 분자와 분자가 벽과 충돌할 때마다 분자의 속도는 크기와 방향이 변할 수 있습니다. 연속적인 충돌 사이의 시간 간격에서 분자는 균일하고 직선적으로 움직입니다. 이상 기체 모델에서는 모든 충돌이 법칙에 따라 발생한다고 가정합니다. 탄성 충격, 즉 뉴턴 역학의 법칙을 따릅니다. 이상 기체 모델을 사용하여 용기 벽의 기체 압력을 계산합니다. 분자와 혈관벽의 상호 작용 과정에서 분자 사이에 뉴턴의 세 번째 법칙을 따르는 힘이 발생합니다. 결과적으로 벽에 수직인 분자 속도의 투영 υx는 반대 부호로 바뀌는 반면 벽에 평행한 속도의 투영 υy는 변경되지 않습니다(그림).

분자 운동 이론 용기 벽에 대한 기체의 평균 압력에 대한 공식은 다음과 같이 작성됩니다. 이 방정식은 이상 기체의 압력 p, 분자의 질량 m 0, 분자의 농도 n, 속도의 제곱의 평균값과 분자의 병진 운동의 평균 운동 에너지. 이것은 기체의 분자 운동 이론의 기본 방정식이므로 기체 압력은 단위 부피에 포함된 분자의 병진 운동의 평균 운동 에너지의 2/3와 같습니다.

분자 운동 이론 기체의 MCT의 기본 방정식에는 분자 농도 n과 병진 운동의 평균 운동 에너지의 곱이 포함됩니다. 이 경우 압력은 평균 운동 에너지에 비례합니다. 질문이 생깁니다. 일정한 부피의 용기에서 분자 운동의 평균 운동 에너지를 어떻게 실험적으로 변경할 수 있습니까? 평균 운동 에너지를 변경하려면 어떤 물리량을 변경해야 합니까? 경험에 따르면 온도는 그러한 양입니다.

분자운동론 온도 온도의 개념은 열평형의 개념과 밀접한 관련이 있습니다. 서로 접촉하는 신체는 에너지를 교환할 수 있습니다. 열 접촉 중에 한 물체에서 다른 물체로 전달되는 에너지를 열량 Q라고 합니다. 열 평형 상태는 한 물체에서 다른 물체로 열이 전달되지 않는 열 접촉 상태의 물체 시스템과 모든 거시적 매개변수입니다. 본체는 변경되지 않습니다. 온도는 열 평형 상태에 있는 모든 물체의 온도에 대해 동일한 물리적 매개변수입니다. 온도의 개념을 도입할 수 있는 가능성은 경험에 따르며 열역학 제0법칙이라고 합니다.

분자 운동 이론 온도 온도를 측정하기 위해 온도 값이 일부 물리적 매개 변수의 변화로 판단되는 온도계와 같은 물리적 기기가 사용됩니다. 온도계를 만들려면 온도 측정 물질(예: 수은, 알코올)과 물질의 특성을 나타내는 온도 측정량(예: 수은 또는 알코올 기둥의 길이)을 선택해야 합니다. 온도계의 다양한 설계는 물질의 다양한 물리적 특성(예: 고체의 선형 치수 변화 또는 가열 시 도체의 전기 저항 변화)을 사용합니다. 온도계는 보정되어야 합니다.

분자 운동 이론 물리학의 특별한 위치는 가스 온도계(그림)에 의해 점유되며 온도 측정 물질은 일정한 부피(V = const)의 용기에 있는 희박 가스(헬륨, 공기)이고 온도 측정량은 다음과 같습니다. 가스 압력 p. 경험에 따르면 가스 압력(V = const에서)은 온도가 증가함에 따라 증가하며 섭씨 단위로 측정됩니다.

분자 운동 이론 정체적 기체 온도계를 교정하려면 두 온도(예: 0°C 및 100°C)에서 압력을 측정하고 그래프에 점 p 0 및 p 100을 그린 다음 직선을 그릴 수 있습니다. 그들 사이에 (그림 ). 이렇게 얻은 검량선을 사용하여 다른 압력에 해당하는 온도를 결정할 수 있습니다. 그래프를 저압 영역으로 외삽하면 그래프를 저압 영역으로 외삽하여 가스 압력이 0이 되는 "가상" 온도를 결정할 수 있습니다. 경험에 따르면 이 온도는 -273.15 °C이며 가스의 특성에 의존하지 않습니다. 실제로 매우 낮은 온도에서 모든 가스가 액체 또는 고체 상태로 전환되기 때문에 냉각을 통해 압력이 0인 상태의 가스를 얻는 것은 불가능합니다.

분자 운동 이론 1848년 영국의 물리학자 W. Kelvin(Thomson)은 기체 압력이 0인 지점을 사용하여 새로운 온도 눈금(Kelvin 눈금)을 만들 것을 제안했습니다. 이 눈금에서 온도 단위는 섭씨 눈금과 동일하지만 영점이 이동됩니다: TK = TC + 273.15 SI 시스템에서 켈빈 눈금의 온도 단위는 켈빈이라고 하며 문자 K로 표시됩니다. 예를 들어, 켈빈 척도에서 실온 TC \u003d 20 ° С는 TK \u003d 293.15 K와 같습니다.

분자 운동 이론 켈빈 온도 눈금은 절대 온도 눈금이라고 합니다. 이것은 물리 이론을 구성하는 데 가장 편리한 온도 척도임이 밝혀졌습니다. 켈빈 눈금을 섭씨 눈금에서 관례적인 것처럼 정상 대기압에서 얼음의 녹는점과 물의 끓는점이라는 두 개의 고정점에 묶을 필요가 없습니다. 온도의 절대 영도라고 하는 기체 압력 영점에 더해 고정된 기준점을 온도의 절대 영도로 하나 더 가져가면 충분합니다. 켈빈 척도에서 물의 삼중점(0.01 ° C)의 온도는 얼음, 물 및 증기의 세 단계가 모두 열 평형 상태에 있는 지점으로 사용됩니다. 켈빈 척도에서 삼중점의 온도는 273.16K로 가정합니다.

분자 운동 이론 따라서 일정한 부피 V의 용기에 있는 희박 가스의 압력은 그 압력에 정비례하여 변합니다. 절대 온도: p ~ T. 한편, 경험에 따르면 일정한 부피 V 및 온도 T에서 가스 압력은 용기의 부피 V에 대한 주어진 용기의 물질량 ν의 비율에 정비례하여 변합니다. 여기서 N 는 용기의 분자 수, NA는 아보가드로 상수, n = N/V는 분자의 농도(즉, 용기의 단위 부피당 분자 수)입니다.

분자 운동 이론 이러한 비례 관계를 결합하면 다음과 같이 쓸 수 있습니다. p = nk. T, 여기서 k는 모든 기체에 보편적인 상수 값입니다. MKT의 창시자 중 한 명인 오스트리아의 물리학자 L. Boltzmann을 기리기 위해 볼츠만 상수라고 합니다. 볼츠만 상수는 기본 물리 상수 중 하나입니다. SI 수치: k = 1.38 10–23 J/K.

분자 운동 이론 p = nk 비율 비교. T는 MKT 가스의 기본 방정식으로 다음을 얻을 수 있습니다. 가스 분자의 혼돈 운동의 평균 운동 에너지는 절대 온도에 정비례합니다. 따라서 온도는 분자 병진 운동의 평균 운동 에너지의 척도이며 분자 병진 운동의 평균 운동 에너지는 질량에 의존하지 않는다는 점에 유의해야 합니다. 액체 또는 기체에 부유하는 브라운 입자는 개별 분자와 동일한 평균 운동 에너지를 가지며, 그 질량은 브라운 입자의 질량보다 훨씬 작습니다.

분자 운동 이론 이 결론은 용기에 분자의 질량이 다른 화학적으로 상호 작용하지 않는 가스 혼합물이 포함된 경우에도 적용됩니다. 평형 상태에서 서로 다른 가스 분자는 혼합물의 온도에 의해서만 결정되는 동일한 평균 열 운동 에너지를 갖습니다. 용기 벽에 가해지는 가스 혼합물의 압력은 분압각 가스의: p = p 1 + p 2 + p 3 + ... = (n 1 + n 2 + n 3 + ...)k. T 이 비율에서 n 1, n 2, n 3, …은 혼합물 내 다양한 ​​가스 분자의 농도입니다. 이 관계는 실험적으로 확립된 분자 운동 이론의 언어로 표현됩니다. 초기 XIX세기 달튼의 법칙: 달튼의 화학적 비상호작용 기체 혼합물의 압력은 분압의 합과 같습니다.

분자 운동 이론 이상 기체의 상태 방정식 관계 p = nk. T는 가스의 거시적 매개변수(부피 V, 압력 p, 온도 T 및 물질의 양 ν = m/M) 사이의 관계를 설정하는 다른 형식으로 작성할 수 있습니다. M - 이 관계를 이상 기체 상태 방정식이라고 합니다. 또는 Clapeyron–Mendeleev 이상 기체 상태 방정식 – 아보가드로 상수 NA와 볼츠만 상수 k의 곱을 보편적 기체 상수라고 하며 문자 R로 표시합니다. SI의 수치는 다음과 같습니다. R = k ∙NA = 8.31 J/mol·K.

분자 운동 이론 이상 기체의 상태 방정식 - 기체 온도가 Tn = 273.15 K(0 ° C)이고 압력이 pn = 1 atm = 1.013 105 Pa이면 기체가 정상 상태에 있다고 말합니다. . 이상 기체의 상태 방정식에서 다음과 같이 정상 조건에서 기체 1몰은 동일한 부피 V 0 \u003d 0.0224 m 3 / mol \u003d 22.4 dm 3 / mol을 차지합니다. 이 명제를 아보가드로의 법칙이라고 합니다.

분자 운동론 이소프로세스 가스는 상태를 설명하는 모든 매개변수(p, V 및 T)가 변경될 수 있는 다양한 열 프로세스에 참여할 수 있습니다. 프로세스가 충분히 느리게 진행되면 언제든지 시스템이 평형 상태에 가까워집니다. 이러한 프로세스를 준정적이라고 합니다. 일반적인 준 정적 시간 척도에서 이러한 프로세스는 매우 느리게 진행될 수 있습니다. 예를 들어, 초당 수백 번 발생하는 음파에서 가스의 희박화 및 압축은 준정적 프로세스로 간주될 수 있습니다. 준정적 프로세스는 상태 다이어그램(예: p, V 좌표)에서 각 지점이 평형 상태를 나타내는 특정 궤적으로 묘사될 수 있습니다. 중요한 것은 매개변수(p, V 또는 T) 중 하나가 변경되지 않은 프로세스입니다. 이러한 프로세스를 isoprocesses라고 합니다.

등온 과정(T = const) 등온 과정은 일정한 온도 T에서 발생하는 준정적 과정입니다. 이상 기체 상태 방정식에서 일정한 온도 T 및 T에서 일정한 양의 물질 ν가 용기에서 기체의 압력 p와 부피 p의 곱은 영구적이어야 합니다. p. V = 상수

등온 과정(T = const) 평면(p, V)에서 등온 과정은 다양한 온도 T에서 등온선이라고 하는 쌍곡선 p ~ 1/V 계열로 표시됩니다. 등온 과정의 방정식은 영국의 물리학자 R. Boyle(1662)과 프랑스의 물리학자 E. Mariotte(1676)가 독립적으로 실험하여 얻은 것이므로 보일-마리오트 법칙이라고 합니다. T3 > T2 > T1

등색 과정(V = const) 등색 과정은 일정한 부피 V에서 기체의 준정적 가열 또는 냉각 과정이며 용기 내 물질의 양 ν는 변하지 않고 유지됩니다. 이상 기체 상태 방정식에서 다음과 같이 이러한 조건에서 기체 압력 p는 절대 온도에 정비례하여 변합니다. p ~ T 또는 = const

isochoric process (V = const) 평면 (p, T)에서 서로 다른 부피 V 값에 대해 주어진 물질 ν에 대한 isochoric 과정은 isochores라는 직선 계열로 표시됩니다. 부피가 큰 값은 온도 축에 대해 더 작은 기울기를 가진 isochores에 해당합니다(그림). 온도에 대한 가스 압력의 의존성은 프랑스 물리학자 J. Charles(1787)에 의해 실험적으로 연구되었습니다. 따라서 isochoric 과정의 방정식을 Charles의 법칙이라고합니다. V3 > V2 > V1

등압 프로세스(p = const) 등압 프로세스는 일정한 압력 p에서 발생하는 준정적 프로세스입니다. 일정량의 물질 ν에 대한 등압 과정의 방정식은 다음과 같은 형식을 갖습니다. 여기서 V 0은 온도 0 °C에서 기체의 부피입니다. 계수 α는 (1/273, 15) K– 1과 같습니다. α를 기체의 체적 팽창 온도 계수라고 합니다.

등압 과정 (p = const) 평면 (V, T)에서 다양한 압력 p 값의 등압 과정은 등압선이라고하는 직선 계열 (그림)으로 표시됩니다. 일정한 압력에서 온도에 대한 기체 부피의 의존성은 프랑스 물리학자 J. Gay-Lussac(1862)에 의해 실험적으로 조사되었습니다. 따라서 등압 과정의 방정식을 Gay-Lussac 법칙이라고 합니다. p3 > p2 > p1

아이소프로세스 보일의 실험적으로 확립된 법칙 -Mariotte, Charles 및 Gay-Lussac은 기체의 분자 운동론에서 설명을 찾습니다. 그것들은 이상 기체 상태 방정식의 결과입니다.

열역학 열역학은 열 현상의 과학입니다. 물질의 분자 구조에 대한 아이디어를 바탕으로 결론을 내리는 분자 운동 이론과 달리 열역학은 열 과정의 가장 일반적인 법칙과 거시적 시스템의 특성에서 출발합니다. 열역학의 결론은 일련의 실험적 사실을 기반으로 하며 물질의 내부 구조에 대한 우리의 지식에 의존하지 않습니다.

열역학 열역학은 열역학적 평형 상태에 있는 물체의 고립된 시스템을 고려합니다. 이것은 관찰된 모든 거시적 프로세스가 그러한 시스템에서 중단되었음을 의미합니다.

열역학 열역학 시스템이 외부 영향에 노출되면 결국 다른 평형 상태로 이동합니다. 이러한 전이를 열역학적 과정이라고 합니다. 프로세스가 충분히 느리게 진행되면(한계에서 무한히 느리게) 시스템은 매 순간 평형 상태에 가깝습니다. 일련의 평형 상태로 구성된 프로세스를 준정적(quasi-static)이라고 합니다.

열역학. 내부 에너지 열역학의 가장 중요한 개념 중 하나는 신체의 내부 에너지입니다. 모든 거시적 물체는 물체 자체에 에너지가 포함되어 있습니다. MKT의 관점에서 물질의 내부 에너지는 모든 원자와 분자의 운동 에너지와 상호 작용의 위치 에너지의 합입니다. 특히, 이상 기체의 내부 에너지는 합과 같습니다. 운동 에너지연속적이고 무작위적인 열 운동의 모든 가스 입자. 이것으로부터 수많은 실험에 의해 확인된 주울의 법칙을 따릅니다. 이상 기체의 내부 에너지는 온도에만 의존하고 부피에는 의존하지 않습니다.

열역학. MKT의 내부 에너지는 분자가 병진 운동만 수행하는 이상 단원자 기체(헬륨, 네온 등) 1몰의 내부 에너지에 대해 다음과 같은 표현으로 이어집니다. 그들 사이의 거리에 따라 다르며, 일반적으로 신체의 내부 에너지 U는 온도 T와 함께 의존하며 부피 V에도 의존합니다. T U = U (T, V) 따라서 내부 에너지 U는 신체는 신체의 상태를 특징짓는 거시적 매개변수에 의해 고유하게 결정됩니다. 주어진 상태가 어떻게 실현되었는지에 의존하지 않습니다. 내부 에너지는 상태 함수라고 말하는 것이 관례입니다.

열역학. 내부 에너지를 변경하는 방법 신체에 작용하는 외부 힘(양 또는 음)이 작용하면 신체의 내부 에너지가 변경될 수 있습니다. 일 예를 들어 가스가 피스톤 아래의 실린더에서 압축되면 외력이 가스에 양의 일 A를 합니다.

열역학. 내부 에너지를 변경하는 방법 신체의 내부 에너지는 수행된 작업의 결과뿐만 아니라 열 전달의 결과로도 변경될 수 있습니다. 신체의 열 접촉 중에 신체 중 하나의 내부 에너지는 증가하고 다른 하나는 감소할 수 있습니다. 이 경우 한 몸체에서 다른 몸체로의 열 흐름에 대해 말합니다. 신체가 받은 열량 Q, 열량 Q는 열 전달의 결과로 신체 내부 에너지의 변화입니다.

열역학. 내부 에너지를 변경하는 방법 한 몸에서 다른 몸으로 열의 형태로 에너지를 전달하는 것은 둘 사이에 온도 차이가 있는 경우에만 발생할 수 있습니다. 열 흐름은 항상 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 향하며 열량 Q는 에너지량입니다. SI에서 열량은 기계 작업 단위인 줄(J)로 측정됩니다.

열역학. 열역학 제1법칙 선택한 열역학 시스템과 주변 물체 사이의 에너지 흐름이 조건부로 표시됩니다. 열 흐름 Q > 0인 경우 Q > 0의 값은 열역학 시스템을 향합니다. 값 A > 0 시스템이 포지티브 작업을 수행하는 경우 A > 0 주변 물체에. 시스템이 주변 물체와 열을 교환하고 작동(양 또는 음)하면 시스템의 상태가 변경되고 시스템의 상태가 변경됩니다. 즉, 거시적 매개변수(온도, 압력, 부피)가 변경됩니다.

열역학. 열역학 제1법칙 내부 에너지 U는 시스템 상태를 특징짓는 거시적 매개변수에 의해 고유하게 결정되기 때문에 열 전달 및 작업 프로세스에는 시스템 ΔU의 내부 에너지 변화가 수반됩니다.

열역학. 열역학 제1법칙 열역학 제1법칙은 열역학 시스템의 에너지 보존 및 변환 법칙을 일반화한 것입니다. 그것은 다음과 같이 공식화됩니다: 비절연 열역학 시스템의 내부 에너지 변화 ΔU는 시스템으로 전달된 열량 Q와 시스템이 외부 물체에 수행한 일 A 간의 차이와 같습니다. ΔU = Q - A 열역학 제1법칙을 표현하는 관계식은 종종 다른 형식으로 작성됩니다. Q = ΔU + A 시스템이 받은 열의 양은 내부 에너지를 변경하고 외부 물체에 작업을 수행합니다.

열역학. 열역학 제1법칙 열역학 제1법칙을 기체의 이소프로세스에 적용해 봅시다. isochoric 과정(V = const)에서 가스는 작동하지 않으며 A = 0입니다. 따라서 Q = ΔU = U(T 2) - U(T 1)입니다. 여기서 U(T 1) 및 U(T 2)는 초기 및 최종 상태에서 가스의 내부 에너지입니다. 이상 기체의 내부 에너지는 온도에만 의존합니다(줄의 법칙). isochoric 가열 동안 가스는 열을 흡수하고(Q > 0) 내부 에너지가 증가합니다. 냉각하는 동안 외부 몸체에 열이 발산됩니다(Q 0 - 가스가 열을 흡수하고 가스는 긍정적인 작업을 수행합니다. 등압 압축 사용 Q

열 엔진. 열역학 주기. 카르노 사이클 열기관은 받은 열량을 기계 작업. 열 엔진의 기계적 작업은 작동 유체라고 하는 특정 물질의 팽창 과정에서 수행됩니다. 작동 유체로는 일반적으로 기체 물질(가솔린 증기, 공기, 수증기)이 사용됩니다. 작업 몸체는 내부 에너지 공급이 많은 몸체와 열 교환 과정에서 열 에너지를 받거나 내보냅니다. 이러한 몸체를 열 저장소라고 합니다. 실제로 존재하는 열기관(증기기관, 내연기관 등)은 주기적으로 작동합니다. 열전달 과정과 받은 열량을 일로 변환하는 과정이 주기적으로 반복됩니다. 이를 위해 작동 유체는 초기 상태가 주기적으로 복원되는 순환 프로세스 또는 열역학적 사이클을 수행해야 합니다.

열 엔진. 열역학 주기. 카르노 주기 모든 순환 공정의 공통적인 특징은 작동 유체를 단 하나의 열 저장소와 열 접촉시켜 수행할 수 없다는 것입니다. 그들은 적어도 두 개가 필요합니다. 온도가 높은 열원을 히터라고 하고 온도가 낮은 열원을 냉장고라고 합니다. 순환 과정을 통해 작동 유체는 히터에서 일정량의 열 Q 1 > 0을 받고 냉각기에는 Q 2의 열량을 제공합니다.

열 엔진. 열역학 주기. Carnot cycle 1주기당 작동유체가 한 일 A는 1주기당 받는 열량 Q와 같으며, 한 주기당 히터로부터 받는 열량 Q1에 대한 일 A의 비율을 효율이라 한다. 열기관의 η:

열 엔진. 열역학 주기. 카르노 사이클 효율 계수는 "뜨거운" 열 저장소에서 작동 유체가 받은 열 에너지의 어떤 부분이 유용한 작업. 나머지(1 - η)는 "쓸모 없이" 냉장고로 옮겨졌습니다. (1 – η) 열기관의 효율은 항상 1보다 작습니다(η 0, A > 0, Q 2 T 2

열 엔진. 열역학 주기. Carnot cycle 1824년에 프랑스 엔지니어 S. Carnot은 두 개의 등온선과 두 개의 단열선으로 구성된 순환 과정을 고려했으며, 이는 열 과정 이론의 발전에 중요한 역할을 했습니다. 이를 카르노 주기라고 합니다(그림 3. 11. 4).

열 엔진. 열역학 주기. 카르노 사이클 카르노 사이클은 피스톤 아래 실린더의 가스에 의해 수행됩니다. 등온 섹션(1–2)에서 가스는 온도 T 1을 갖는 뜨거운 열 저장소(히터)와 열 접촉하게 됩니다. 가스는 등온으로 팽창하여 일 A 12를 수행하는 반면 일정량의 열 Q 1 = 가스에 A 12가 공급되고 단열 섹션(2–3)에서 가스는 단열 쉘에 배치되고 열 전달이 없는 상태에서 계속 팽창합니다. 이 섹션에서 가스는 일 A 23 > 0을 수행합니다. 단열 팽창 중에 가스 온도는 값 T 2로 떨어집니다. 다음 등온 섹션(3–4)에서 가스는 저온 저장소와 열 접촉하게 됩니다. (냉장고) 온도 T 2

열 과정의 비가역성. 열역학 제2법칙. 열역학 제1법칙(열 공정에 대한 에너지 보존 법칙)은 시스템이 받는 열량 Q, 내부 에너지의 변화 ΔU 및 외부 물체에 수행되는 작업 A 사이의 관계를 설정합니다. Q = ΔU + A 이 법칙에 따르면 에너지는 생성되거나 파괴될 수 없습니다. 그것은 한 시스템에서 다른 시스템으로 이전되고 한 형식에서 다른 형식으로 변환됩니다. 열역학 제1법칙을 위반하는 과정은 관찰된 적이 없습니다. 무화과. 열역학 제1법칙에 의해 금지된 묘사된 장치 열역학 제1법칙에 의해 금지된 주기적으로 작동하는 열 엔진: 1 - 외부에서 에너지를 소비하지 않고 작업을 수행하는 제1종 영구 운동 기계; 2 - 효율이 η > 1인 열기관

열 과정의 비가역성. 열역학 제2법칙. 열역학 제1법칙은 열 과정의 방향을 설정하지 않습니다.열역학 제1법칙은 과정입니다. 그러나 경험에서 알 수 있듯이 많은 열 프로세스는 한 방향으로만 진행될 수 있습니다. 이러한 프로세스를 비가역적이라고 합니다. 예를 들어, 온도가 다른 두 물체의 열 접촉 중에 열 흐름은 항상 더 따뜻한 물체에서 더 차가운 물체로 향합니다. 낮은 온도의 물체에서 높은 온도의 물체로의 자발적인 열 전달 과정은 결코 관찰되지 않습니다. 따라서 유한한 온도 차이에서 열 전달 과정은 비가역적입니다. 가역 과정은 시스템이 하나의 평형 상태에서 다른 평형 상태로 전환되는 과정으로, 중간 평형 상태의 동일한 시퀀스를 통해 반대 방향으로 수행될 수 있습니다. 이 경우 시스템 자체와 주변 물체는 원래 상태로 돌아갑니다. 시스템이 항상 평형 상태를 유지하는 프로세스를 준정적(quasi-static)이라고 합니다. 모든 준정적 프로세스는 가역적입니다. 모든 가역 프로세스는 준 정적입니다.

열 과정의 비가역성. 열역학 제2법칙. 기계적 작업을 신체의 내부 에너지로 변환하는 프로세스는 마찰, 가스 및 액체의 확산 프로세스, 초기 압력 차이가 있는 가스 혼합 프로세스 등으로 인해 되돌릴 수 없습니다. 모든 실제 프로세스는 되돌릴 수 없지만 프로세스를 원하는 만큼 가깝게 가역적으로 접근할 수 있습니다. 가역 프로세스는 실제 프로세스의 이상화입니다. 열역학 제1법칙은 비가역 과정과 가역 과정을 구별할 수 없습니다. 단순히 열역학 과정에서 특정 에너지 균형이 필요하며 그러한 과정이 가능한지 여부에 대해서는 아무 말도하지 않습니다.

열 과정의 비가역성. 열역학 제2법칙. 자발적으로 발생하는 과정의 방향은 열역학 제2법칙을 확립합니다. 특정 유형의 열역학 프로세스에 대한 금지로 열역학에서 공식화할 수 있습니다. 영국의 물리학자 W. 켈빈은 1851년에 두 번째 법칙에 대해 다음과 같은 공식을 제시했습니다. 두 번째 법칙 주기적으로 작동하는 열 엔진에서는 프로세스가 불가능하며 그 결과 전체 열량을 기계적인 작업으로 변환할 수 있습니다. 단일 열 저장소에서 받습니다.

열 과정의 비가역성. 열역학 제2법칙. 독일의 물리학자 R. 클라우지우스는 열역학 제2법칙에 대해 다른 공식을 제시했습니다. 프로세스는 불가능하며, 그 유일한 결과는 낮은 온도의 물체에서 높은 온도의 물체로 열 전달을 통해 에너지가 전달되는 것입니다. . 무화과. 열역학 제2법칙에서는 금지하지만 열역학 제1법칙에서는 금지하지 않는 과정이 묘사되어 있습니다. 이러한 프로세스는 열역학 제2법칙의 두 공식에 해당합니다. 1 - 두 번째 종류의 영구 운동 기계; 2 - 차가운 물체에서 더 따뜻한 물체로의 자발적인 열 전달(이상적인 냉장고)

분자 물리학. 열역학.

1.통계 및 열역학적 방법

2. 이상기체의 분자운동론

2.1 기본 정의

2.2.이상 기체의 실험법칙

2.3 이상 기체 상태 방정식(Clapeyron-Mendeleev 방정식

2.4.이상기체 분자운동론의 기본방정식

2.5 맥스웰 분포

2.6 볼츠만 분포

3. 열역학

3.1 내부 에너지 자유도에 따른 균일한 에너지 분포 법칙

3.2 열역학 제1법칙

3.3 부피가 변할 때 기체의 일

3.4 열용량

3.5 열역학 제1법칙과 이소프로세스

3.5.1 등색 과정(V = const)

3.5.2 등압 과정(p = const)

3.5.3 등온 과정(T = const)

3.5.4. 단열 과정(dQ = 0)

3.5.5. 폴리트로픽 프로세스

3.6.순환 프로세스(주기). 가역 및 비가역 프로세스. 카르노 사이클.

3.7.열역학 제2법칙

3.8 실제 기체

3.8.1 분자간 상호작용의 힘

3.8.2 Van der Waals 방정식

3.8.3 실제 기체의 내부 에너지

3.8.4 줄-톰슨 효과 가스의 액화.

1.통계 및 열역학적 방법

분자물리학과 열역학 - 연구하는 물리학 분야거시적 과정 신체에 포함 된 수많은 원자 및 분자와 관련이 있습니다. 이러한 프로세스를 연구하기 위해 두 가지 근본적으로 다른(그러나 상호 보완적인) 방법이 사용됩니다. 통계(분자 동역학) 그리고열역학.

분자 물리학 - 모든 물체가 연속적인 혼돈 운동을 하는 분자로 구성되어 있다는 사실에 기초한 분자 운동학 개념에 기초하여 물질의 구조와 특성을 연구하는 물리학의 한 분야. 분자물리학에서 연구하는 과정은 엄청난 수의 분자가 결합한 작용의 결과입니다.. 수많은 분자의 행동 법칙은 다음을 사용하여 연구됩니다.통계적 방법 , 어떤 속성을 기반으로거시적 시스템 시스템 입자의 특성, 움직임의 특징 및 이러한 입자의 동적 특성 (속도, 에너지 등)의 평균값에 의해 결정됩니다.예를 들어, 신체의 온도는 분자의 무질서한 움직임의 평균 속도에 의해 결정되며 한 분자의 온도를 말할 수 없습니다.

열역학 - 거시적 시스템의 일반적인 특성을 연구하는 물리학의 한 분야열역학적 평형 상태 , 그리고 이러한 상태 간의 전환 프로세스.열역학은 고려하지 않습니다 마이크로프로세서 , 이러한 변환의 기초가 되지만 열역학의 두 가지 원리 - 실험적으로 확립된 기본 법칙.

물리학의 통계적 방법은 물리 및 화학의 많은 영역에서 사용할 수 없지만 열역학적 방법은 보편적입니다. 그러나 통계적 방법은 물질의 미시적 구조를 확립할 수 있는 반면 열역학적 방법은 거시적 특성 간의 관계만 확립할 수 있습니다. 분자운동론과 열역학은 서로를 보완하여 하나의 전체를 형성하지만 연구 방법은 다릅니다.

2. 이상기체의 분자운동론

2.1 기본 정의

분자 운동 이론의 연구 대상은 기체입니다. 믿어진다 무작위로 움직이는 가스 분자는 상호 작용력에 구속되지 않으므로 충돌의 결과로 자유롭게 움직이며 모든 방향으로 흩어져 제공된 전체 부피를 채 웁니다.따라서 가스는 가스가 차지하는 용기의 부피를 차지합니다.

이상 기체 다음과 같은 기체입니다. 분자의 고유 부피가 용기 부피에 비해 무시할 수 있는 수준입니다. 가스 분자 사이에 상호 작용력이 없습니다. 가스 분자가 서로 충돌하고 용기 벽과 충돌하는 것은 절대적으로 탄력적입니다.많은 실제 기체의 경우 이상 기체 모델은 거시적 특성을 잘 설명합니다.

열역학 시스템 - 그들 사이 및 다른 물체(외부 환경)와 상호 작용하고 에너지를 교환하는 일련의 거시적 물체.

시스템 상태- 일련의 물리량 (열역학 파라미터, 상태 파라미터) , 열역학 시스템의 특성을 특성화합니다.온도, 압력, 비체적.

온도 - 물리량거시적 시스템의 열역학적 평형 상태를 특성화합니다. SI 시스템에서 사용이 허용됩니다. 열역학적 그리고 실용적인 온도 눈금 .열역학적 척도에서 물의 삼중점(609 Pa의 압력에서 얼음, 물 및 증기가 열역학적 평형 상태에 있는 온도)은 다음과 같은 것으로 간주됩니다. T = 273.16 켈빈도[케이]. 실용적인 규모에서 101300 Pa의 압력에서 물의 어는점과 끓는점은 각각 t \u003d 0 및 t \u003d 섭씨 100도와 같은 것으로 간주됩니다. [씨].이 온도는 다음과 같은 관계로 관련됩니다.

온도 T = 0K는 제로 켈빈이라고합니다. 현대 개념에 따르면이 온도는 도달 할 수 없지만 원하는만큼 접근 할 수 있습니다.

압력 - 수직항력에 의해 결정되는 물리량에프 기체(액체) 내부에 위치한 단일 영역에서 기체(액체)의 측면에서 작용 p = F/S, 여기서 S는 영역 크기입니다. 압력 단위는 파스칼 [Pa]입니다. 1 Pa는 1 N의 힘에 의해 생성되는 압력과 같으며 1 m 2 (1 Pa = 1 N / m 2).

비체적단위 질량당 부피 v = V/m = 1/r, 여기서 V는 질량 m의 부피, r은 균질체의 밀도입니다. 균질체의 경우 v ~ V이므로 균질체의 거시적 특성은 v와 V로 특징지어질 수 있습니다.

열역학적 과정 - 열역학 매개변수 중 적어도 하나의 변화를 초래하는 열역학 시스템의 모든 변화.열역학적 평형- 열역학적 매개 변수가 시간이 지남에 따라 변경되지 않는 거시적 시스템의 상태.평형 프로세스 - 유한한 시간 동안 열역학 매개변수의 변화가 극미한 방식으로 진행되는 프로세스.

아이소프로세스 상태의 주요 매개변수 중 하나가 일정하게 유지되는 평형 프로세스입니다.등압 과정 - 일정한 압력에서 발생하는 프로세스(좌표계) V,t 그는 묘사된다등압선 ). 등색 과정- 일정한 체적에서 발생하는 과정(좌표계에서) p,t 그는 묘사된다이소코어 ). 등온 과정 - 일정한 온도에서 일어나는 과정(좌표계에서) p,V 그는 묘사된다등온선 ). 단열 과정시스템과 환경 사이에 열 교환이 없는 프로세스입니다(좌표로) p,V 그는 묘사된다단열 ).

상수(숫자) 아보가드로 - 1몰에 들어 있는 분자의 수 N A \u003d 6.022. 10 23 .

정상적인 조건: p = 101300Pa, T = 273.16K.