Fizica moleculară

Noțiuni de bază
Cantitatea de substanță se măsoară în moli (n).
n este numărul de moli
1 mol este egal cu cantitatea de substanță dintr-un sistem care conține atâtea particule câte atomi există în 0,012 kg de carbon. Numărul de molecule dintr-un mol de substanță este numeric egal cu constanta Avogadro N A .

NA \u003d 6.022 1023 1 / mol.

1 mol de orice gaz în condiții normale ocupă un volum
V=2,24 10-2 m3.
M - masa molară (masa unui mol) - o valoare egală cu raportul dintre masa unei substanțe m și cantitatea de substanță n:

m o - masa unei molecule, m - masa cantității de substanță luate

este numărul de molecule dintr-un volum dat.

Gaz ideal. Ecuația de bază a teoriei molecular-cinetice.

Ecuația de bază a teoriei cinetice moleculare a gazului este ecuația:

,

P este presiunea gazului pe pereții vasului,
n este concentrația de molecule,

Viteza pătrată medie a moleculelor.

Presiunea gazului p poate fi determinată prin formulele:

,

Energia cinetică medie a mișcării de translație a moleculelor,

T este temperatura absolută,
K=1,38 10-23 J/K - constanta lui Boltzmann.

,

Unde \u003d 8,31 J / mol × K, R este constanta universală a gazului
Т=373+t o С, t o С – temperatura în Celsius.
De exemplu, t=27 o C, T=273+27=300 K.
amestec de gaze
Dacă volumul V nu conține un gaz, ci un amestec de gaze, atunci presiunea gazului p este determinată de legea lui Dalton: amestecul de gaze exercită pe pereți o presiune egală cu suma presiunilor fiecăruia dintre gaze luate separat. :

- presiunea exercitată asupra pereților de primul gaz p1, al doilea p2 etc.

N este numărul de moli ai amestecului,

Ecuația Clapeyron-Mendeleev, izoprocese.

Starea unui gaz ideal se caracterizează prin presiunea p, volumul V, temperatura T.
[p]=Pascal (Pa), [V]=m3, [T]=Kelvin (K).
Ecuația de stare pentru un gaz ideal este:

, pentru un mol de gaz const=R este constanta universală a gazului.

- ecuația Mendeleev-Clapeyron.

Dacă masa m este constantă, atunci diferitele procese care au loc în gaze pot fi descrise prin legi care decurg din ecuația Mendeleev-Clapeyron.

1. Dacă m=const, T=const este un proces izoterm.

Ecuația procesului:

Programul procesului:

2. Dacă m=const, V=const este un proces izocor.

Ecuația procesului: .

Programul procesului:

3. Dacă m=const, p=const este un proces izobar.

Ecuația procesului:

Programul procesului:

4. Proces adiabatic - proces care se desfășoară fără schimb de căldură cu mediul. Acesta este un proces foarte rapid de expandare sau comprimare a unui gaz.

Abur saturat, umiditate.

Umiditatea absoluta este presiunea p a vaporilor de apa continuti in aer la o temperatura data.
Umiditatea relativă este raportul dintre presiunea p a vaporilor de apă conținută în aer la o temperatură dată și presiunea p0 a vaporilor de apă saturați la aceeași temperatură:

p o - valoare tabelară.
Punctul de rouă este temperatura la care vaporii de apă din aer devin saturați.

Termodinamica

Termodinamica studiază cele mai generale modele de conversie a energiei, dar nu ia în considerare structura moleculară a materiei.
Orice sistem fizic format dintr-un număr mare de particule - atomi, molecule, ioni și electroni, care efectuează mișcări termice aleatoare și schimbă energie atunci când interacționează între ele, este numit sistem termodinamic. Astfel de sisteme sunt gaze, lichide și solide.

Energie interna.

Un sistem termodinamic are energie internă U. Când un sistem termodinamic trece de la o stare la alta, energia sa internă se modifică.
Modificarea energiei interne a unui gaz ideal este egală cu modificarea energiei cinetice a mișcării termice a particulelor sale.
Modificarea energiei interne D Uîn timpul trecerii sistemului de la o stare la alta nu depinde de procesul prin care s-a făcut trecerea.
Pentru un gaz monoatomic:

- diferenta de temperatura la sfarsitul si inceputul procesului.

Modificarea energiei interne a sistemului se poate produce din cauza a două procese diferite: lucrul A/ este efectuat asupra sistemului și căldura Q este transferată acestuia.

Lucru în termodinamică.

Munca depinde de procesul prin care s-a făcut trecerea sistemului de la o stare la alta. Cu proces izobaric (p=const, m=const): ,

Diferența dintre volumele de la sfârșit și de la începutul procesului.

Munca efectuată asupra sistemului de către forțele externe și munca efectuată de sistem împotriva forțelor exterioare sunt egale ca mărime și opuse în semn: .

Prima lege a termodinamicii.

Legea conservării energiei în termodinamică se numește prima lege a termodinamicii.
Prima lege a termodinamicii:

A / - munca efectuată asupra sistemului de către forțe externe,
A este munca efectuată de sistem

Diferența dintre energiile interne ale stărilor finale și inițiale.

Prima lege a termodinamicii.

Prima lege a termodinamicii este formulată astfel: Cantitatea de căldură (Q) comunicată sistemului duce la creșterea energiei interne a sistemului și pentru a efectua lucrări asupra corpurilor externe de către sistem.
Să aplicăm prima lege a termodinamicii la diferite izoprocese.
a) Proces izoterm (T=const, m=const).
De atunci , adică nu există nicio schimbare în energia internă, deci:

- toată căldura comunicată sistemului este cheltuită pe munca efectuată de sistem împotriva forțelor externe.

B) Procesul izocor (V=const, m=const).
Deoarece volumul nu se modifică, munca sistemului este 0 (A=0) și - toată căldura comunicată sistemului este cheltuită pentru schimbarea energiei interne.
c) Procesul izobaric (p=const, m=const).

d) Proces adiabatic (m=const, Q=0).

Munca este realizată de sistem prin reducerea energiei interne.

randamentul motorului termic.

Un motor termic este un motor care funcționează periodic care efectuează lucrări datorită cantității de căldură primite din exterior. Motorul termic trebuie să fie format din trei părți: 1) fluidul de lucru - gaz (sau abur), cu dilatarea căruia se lucrează; 2) un încălzitor - un corp în care, datorită schimbului de căldură, fluidul de lucru primește cantitatea de căldură Q1; 3) frigider (mediu), eliminând cantitatea de căldură Q2 din gaz.
Încălzitorul ridică periodic temperatura gazului la T1, iar frigiderul o coboară la T2.
Raportul dintre munca utilă A efectuată de mașină și cantitatea de căldură primită de la încălzitor se numește eficiența mașinii h:

Eficiența unui motor termic ideal:

Т1 – temperatura încălzitorului,
T2 este temperatura frigiderului.

- pentru un motor termic ideal.

TESTE

Răspunsuri și soluții

1. Un mol din orice substanță conține același număr de molecule, egal cu numărul lui Avogadro:
2. Să scriem ecuația Mendeleev-Clapeyron pentru două stări cu p=const și m=const, deoarece procesul de trecere de la o stare la alta este izobaric: (1) (2) Împărțiți (1) la (2), obținem: - ecuaţia procesului izobatic.
3. 
4. Pentru a determina temperatura, aplicăm ecuația Mendeleev-Clapeyron. Din grafic: pentru starea A - , pentru starea B - . , din prima ecuație -, apoi - .
5. presiunea amestecului . Scriem ecuația procesului izoterm:, - presiunea gazului după expansiune.
6. Pentru a rezolva problema, scriem prima lege a termodinamicii. Pentru procesul izobar:. Pentru procesul izocor:. pentru că Cp este căldura specifică la presiune constantă, CV este capacitatea termică la volum constant. pentru că , , adică
7. - Prima lege a termodinamicii. Prin condiția Q=A, adică delta U\u003d 0, ceea ce înseamnă că procesul se desfășoară la o temperatură constantă (procesul este izoterm).
8. A 1 - egal numeric cu aria figurii A 1 B,. pentru că mai puțin decât celelalte zone, atunci munca A 1 este minimă.

Un curs online poate fi certificat.

Cursul tratează conceptele și metodele cheie ale termodinamicii și fizicii moleculare ca parte a cursului de fizică generală oferit studenților Institutului de Fizică și Tehnologie din Moscova. În primul rând, sunt introduse mărimile termodinamice de bază, conceptele și postulatele. Sunt luate în considerare principalele relații termodinamice. Prelegeri separate sunt dedicate teoriei tranzițiilor de fază, modelului gazului van der Waals și fenomenelor de suprafață. Sunt prezentate conceptele de bază ale fizicii statistice: micro- și macro-starea sistemului, funcția de partiție, funcțiile de distribuție etc. Sunt discutate distribuțiile lui Maxwell, Boltzmann, Gibss. Sunt prezentate elemente ale teoriei capacității termice a gazelor. Sunt derivate expresii pentru fluctuațiile principalelor mărimi termodinamice. Se dă descrierea proceselor moleculare în gaze: procese de transfer, difuzie și conductivitate termică.

Despre curs

Cursul online conține o discuție despre probleme de fizică de bază, analiza problemelor, demonstrații de experimente fizice, fără de care o înțelegere profundă a fizicii generale este imposibilă. Pentru a stăpâni cu succes cursul online, este de dorit ca studentul să cunoască cursul de fizică generală: „Mecanica” și să stăpânească elementele de bază ale analizei matematice, să cunoască elementele de bază ale algebrei liniare și teoria probabilităților.

Format

Cursul online conține material teoretic, demonstrații ale experimentelor termodinamice cheie necesare pentru înțelegerea corectă a fenomenelor, analiza soluțiilor la probleme tipice, exerciții și sarcini de auto-rezolvare.

Săptămânile a șaptea, a treisprezecea și a optsprezecea conțin sarcini de control pentru verificare.

Programul cursului

Saptamana 1
Concepte de bază de fizică moleculară și termodinamică: subiectul cercetării, trăsăturile sale caracteristice. Probleme de fizică moleculară. Ecuații de stare. Presiunea unui gaz ideal în funcție de energia cinetică a moleculelor. Relația dintre temperatura unui gaz ideal și energia cinetică a moleculelor sale. Legile gazelor ideale. Ecuații de stare pentru un gaz ideal. Procese termodinamice cvasi-statice, reversibile și ireversibile. Start zero al termodinamicii. Munca, caldura, energie interna. Prima lege a termodinamicii. Capacitate termica. Capacitatea termică a gazelor ideale la volum constant și presiune constantă, ecuația lui Mayer. Procese adiabatice și politropice. Ecuația politropică pentru un gaz ideal. Procese adiabatice și politropice. Independenta energiei interne a unui gaz ideal fata de volum.

Săptămâna 2
A doua lege a termodinamicii. Formulări ale celui de-al doilea început. Mașină termică. Determinarea randamentului unui motor termic. Ciclul Carnot. teorema lui Carnot. Inegalitatea Clausius. Eficiența maximă a ciclului Carnot în comparație cu alte cicluri termodinamice. Aparat frigorific. Eficiența răcitorului. Pompa de caldura. Eficiența unei pompe de căldură care funcționează pe ciclul Carnot. Relația dintre factorii de eficiență ai unei pompe de căldură și ai unui răcitor.

Săptămâna 3
Definiția termodinamică a entropiei. Legea creșterii entropiei. Entropia unui gaz ideal. Entropia în procese reversibile și ireversibile. Expansiunea adiabatică a unui gaz ideal în vid. Ecuația combinată a primei și a doua legi ale termodinamicii. A treia lege a termodinamicii. Modificarea entropiei și a capacității de căldură pe măsură ce temperatura se apropie de zero absolut.

Săptămâna 4
Funcții termodinamice. Proprietăţile funcţiilor termodinamice. Lucrare maxima si minima. Transformări ale funcțiilor termodinamice. relațiile lui Maxwell. Dependența energiei interne de volum. Dependența capacității termice de volum. Raportul dintre CP și CV. Proprietățile termofizice ale solidelor. Termodinamica deformarii solidelor. Modificarea temperaturii în timpul întinderii adiabatice a unei tije elastice. Dilatarea termică ca o consecință a anarmonicității oscilațiilor din rețea. Coeficientul de dilatare liniară a tijei.

Săptămâna 5
Condiții de echilibru termodinamic. Transformări de fază. Tranziții de fază de primul și al doilea fel. potential chimic. Condiție de echilibru de fază. Curba echilibrului de fază. Ecuația Clausius–Clapeyron. Diagrama stării unui sistem bifazic „lichid-abur”. Dependența căldurii de tranziție de fază de temperatură. Punct critic. Punct triplu. Diagrama de stare „gheață-apă-abur”. fenomene de suprafaţă. Termodinamica suprafeței. Energia liberă a suprafeței. unghiuri de margine. Udare și neumezire. Formula Laplace. Dependența presiunii vaporilor de curbura suprafeței lichidului. Fierbere. Rolul nucleelor ​​în formarea unei noi faze.

Săptămâna 6
Gazul Van der Waals ca model de gaz real. Izoterme de gaze Van der Waals. stări metastabile. lichid supraîncălzit și vapori suprarăciți. regula lui Maxwell și regula pârghiei. Parametri critici și ecuația de stare a gazului Van der Waals redusă. Energia internă a gazului van der Waals. Ecuația adiabatică a gazului Van der Waals. Entropia gazului van der Waals. Viteza sunetului în gaze. Viteza cu care gazul curge dintr-un orificiu. efect Joule-Thomson. Expansiune adiabatică, throttling. Se ajunge la temperaturi scăzute.

Săptămâna 7
Control

Săptămâna 8
Regularități dinamice și statistice. Stari macroscopice si microscopice. spațiu fazelor. Elemente ale teoriei probabilității. starea de normalizare. Valori medii și dispersie. Legea distribuției binomiale. Distribuția Poisson. distributie gaussiana.

Săptămâna 9
Distribuții Maxwell. Distribuția particulelor pe componente ale vitezei și valori absolute ale vitezei. Cele mai probabile, viteze medii și rms. Distribuțiile de energie ale lui Maxwell. Numărul mediu de impacturi ale moleculelor care se ciocnesc pe unitatea de timp cu o singură zonă. Energia medie a moleculelor care scapă în vid printr-o mică gaură dintr-un vas.

Săptămâna 10
Distribuția Boltzmann într-un câmp de forță uniform. formula barometrică. Micro și macro stări. Greutatea statistică a unei macrostari. Definiția statistică a entropiei. Entropia în amestecarea gazelor. Paradoxul lui Gibbs. Reprezentarea distribuției Gibbs. Funcția de partiție și utilizarea acesteia pentru a găsi energia internă. Temperatura statistică.

Săptămâna 11
fluctuatii. Valorile medii ale energiei și dispersia (fluctuația pătratică medie) a energiei particulelor. Fluctuații ale mărimilor termodinamice. Fluctuație de temperatură într-un volum fix. Fluctuația de volum în procesele izoterme și adiabatice. Fluctuații ale mărimilor fizice aditive. Dependența fluctuațiilor de numărul de particule care constituie sistemul.

Săptămâna 12
Capacitate termica. Teoria clasică a capacităților termice. Legea distribuției uniforme a energiei de mișcare termică pe grade de libertate. Capacitatea termică a cristalelor (legea Dulong–Petit). Elemente ale teoriei cuantice a capacităților termice. Temperaturi caracteristice. Dependența capacității termice de temperatură.

Săptămâna 13
Ciocniri. Secțiune transversală eficientă gaz-cinetică. Lungimea drumului liber. Distribuția moleculelor pe lungimi libere. Numărul de ciocniri între molecule. Fenomene de transport: vâscozitate, conductivitate termică și difuzie. Legile Fick și Fourier. Coeficienții de vâscozitate, conductivitate termică și difuzie în gaze.

Săptămâna 14
Mișcarea browniană. Mobilitate. Legea Einstein-Smoluchowski. Relația dintre mobilitatea particulelor și coeficientul de difuzie. Fenomene de transport în gaze rarefiate. efectul Knudsen. Efuziune. Curgerea unui gaz rarefiat printr-o conductă dreaptă.

Săptămâna 15
Control

Rezultatele învăţării

Ca urmare a studierii disciplinei „Termodinamică”, studentul trebuie să:

• Știi:
  • concepte de bază utilizate în fizica moleculară, termodinamică;
  • semnificația mărimilor fizice utilizate în fizica moleculară, termodinamică;
  • ecuații de stare pentru gazul ideal și gazul van der Waals;
  • distribuțiile lui Boltzmann și Maxwell, legea distribuției uniforme a energiei pe grade de libertate;
  • zero, prima, a doua și a treia lege ale termodinamicii, inegalitatea lui Clausius, legea creșterii entropiei;
  • condiţii de echilibru termodinamic stabil;
  • ecuația Clausius-Clapeyron;
  • formula Laplace;
  • ecuații care descriu procesele de transfer (difuzie, vâscozitate, conductivitate termică);
• A fi capabil să:
  • utilizați prevederile de bază ale teoriei molecular-cinetice a gazelor pentru a rezolva probleme;
  • utilizați legile fizicii moleculare și ale termodinamicii în descrierea stărilor de echilibru ale proceselor termice și ale proceselor de transfer;
• Deține:
  • metode de calcul a parametrilor stării materiei;
  • metode de calcul a muncii, a cantității de căldură și a energiei interne;

Competențe formate

• capacitatea de a analiza probleme științifice și procese fizice, de a utiliza în practică cunoștințele fundamentale dobândite în domeniul științelor naturii (OK-1)
• capacitatea de a stăpâni probleme noi, terminologie, metodologie și stăpânire cunoștințe științifice, abilități de auto-studiu (OK-2)
• capacitatea de a aplica în activitățile lor profesionale cunoștințele dobândite în domeniul disciplinelor fizice și matematice (PC-1)
• capacitatea de a înțelege esența sarcinilor stabilite în cursul activității profesionale și de a folosi aparatura fizică și matematică adecvată pentru a le descrie și rezolva (PC-3)
• capacitatea de a utiliza cunoștințele din domeniul disciplinelor fizice și matematice pentru dezvoltarea ulterioară a disciplinelor în conformitate cu profilul de pregătire (PC-4)
• capacitatea de a aplica teoria și metodele matematicii, fizicii și informaticii pentru a construi modele calitative și cantitative (PC-8)

Fizica moleculară și termodinamica sunt în esență două abordări diferite, dar științe strâns legate care se ocupă de același lucru - studiul proprietăților macroscopice ale sistemelor fizice, dar cu metode complet diferite.

Fizica moleculară Fizica moleculară sau teoria cinetică moleculară se bazează pe anumite idei despre structura materiei. – Pentru a stabili legile de comportare a sistemelor macroscopice constând dintr-un număr mare de particule, în fizica moleculară sunt utilizate diverse modele de materie, de exemplu, modele de gaze ideale. Fizica moleculară este o teorie statistică, fizica, adică o teorie care ia în considerare comportamentul sistemelor formate dintr-un număr imens de particule (atomi, molecule), bazată pe modele probabilistice. Se urmărește, pe baza unei abordări statistice, să se stabilească o legătură între mărimile macroscopice măsurate experimental (presiune, volum, temperatură etc.) și valorile caracteristicilor microscopice ale particulelor incluse în caracteristicile microscopice ale sistem (masă, impuls, energie etc.) .

Termodinamică Spre deosebire de teoria molecular-cinetică, termodinamica, atunci când studiază proprietățile termodinamice ale sistemelor macroscopice, nu se bazează pe nicio idee despre structura moleculară a unei substanțe. Termodinamica este o știință fenomenologică. - Trage concluzii despre proprietățile materiei pe baza unor legi stabilite de experiență, precum legea conservării energiei. Termodinamica operează numai cu mărimi macroscopice (presiune, temperatură, volum etc.), care sunt introduse pe baza unui experiment fizic.

Ambele abordări - termodinamică și statistică - nu se contrazic, ci se completează reciproc. Numai utilizarea combinată a termodinamicii și a teoriei cinetice moleculare poate oferi cea mai completă imagine a proprietăților sistemelor constând dintr-un număr mare de particule.

Fizica moleculară Teoria molecular-cinetică este studiul structurii și proprietăților materiei pe baza conceptului de existență a atomilor și moleculelor ca cele mai mici particule de substanțe chimice.

Teoria Moleculo-Cinetică Principalele prevederi ale MKT 1. Toate substanțele - lichide, solide și gazoase - sunt formate din cele mai mici particule - molecule, care ele însele constau din atomi ("molecule elementare"). Moleculele unei substanțe chimice pot fi simple și complexe, adică constau din unul sau mai mulți atomi. Moleculele și atomii sunt particule neutre din punct de vedere electric. În anumite condiții, moleculele și atomii pot dobândi o sarcină electrică suplimentară și se pot transforma în ioni pozitivi sau negativi. 2. Atomii și moleculele se află într-o mișcare haotică continuă, care se numește mișcare termică 3. Particulele interacționează între ele prin forțe de natură electrică. Interacțiunea gravitațională dintre particule este neglijabilă.

Teoria molecular-cinetică Cea mai izbitoare confirmare experimentală a ideilor teoriei molecular-cinetice despre mișcarea aleatorie a atomilor și moleculelor este mișcarea browniană. Mișcarea browniană este mișcarea termică a celor mai mici particule microscopice suspendate într-un lichid sau gaz. A fost descoperit de botanistul englez R. Brown în 1827. Particulele browniene se mișcă sub influența ciocnirilor aleatorii ale moleculelor. Datorită mișcării termice haotice a moleculelor, aceste impacturi nu se anulează niciodată reciproc. Ca rezultat, viteza unei particule browniene se schimbă aleatoriu în mărime și direcție, iar traiectoria ei este o curbă complexă în zig-zag (Fig.). Teoria mișcării browniene a fost creată de A. Einstein în 1905. Teoria lui Einstein a fost confirmată experimental în experimentele fizicianului francez J. Perrin, efectuate în 1908–1911.

Teoria molecular-cinetică Mișcarea haotică constantă a moleculelor unei substanțe se manifestă și într-un alt fenomen ușor de observat - difuzia. Difuzia este fenomenul de penetrare a două sau mai multe substanțe alăturate ale unui prieten. - Procesul decurge cel mai rapid într-un gaz dacă acesta este un gaz cu compoziție eterogenă. Difuzia duce la formarea unui amestec omogen, indiferent de densitatea componentelor. Deci, dacă în două părți ale vasului, separate printr-un perete despărțitor, există oxigen O 2 și hidrogen H 2, atunci după îndepărtarea partiției, începe procesul de întrepătrundere a gazelor celuilalt, ducând la formarea unui exploziv. amestec - gaz exploziv. Acest proces are loc și atunci când un gaz ușor (hidrogen) se află în jumătatea superioară a vasului, iar unul mai greu (oxigen) se află în jumătatea inferioară.

Teoria cinetică moleculară - Procese similare în lichide decurg mult mai lent. Întrepătrunderea a două lichide de lichide diferite unul în celălalt, dizolvarea solidelor în lichide (de exemplu, zahărul în apă) și formarea de soluții omogene sunt exemple de procese de difuzie în lichide. În condiții reale, difuzia în lichide și gaze este mascată de procese de amestecare mai rapide, de exemplu, datorită apariției curenților de convecție.

Teoria cinetică moleculară - Cel mai lent proces de difuzie are loc în solide. Cu toate acestea, experimentele arată că atunci când solidele intră în contact cu suprafețele bine curățate a două metale, după o lungă perioadă de timp, în fiecare dintre ele se găsesc atomi ai altui metal. Difuzia și mișcarea browniană - Difuzia și mișcarea browniană sunt fenomene înrudite. Întrepătrunderea substanțelor aflate în contact cu un prieten și mișcarea aleatorie a celor mai mici particule suspendate într-un lichid sau gaz se produc datorită mișcării termice haotice a moleculelor.

Teoria cinetică moleculară Forțele care acționează între două molecule Forțele care acționează între două molecule depind de distanța dintre ele. Moleculele sunt structuri spațiale complexe care conțin atât sarcini pozitive, cât și negative. Dacă distanța dintre molecule este suficient de mare, atunci predomină forțele de atracție intermoleculară. La distanțe scurte predomină forțele de respingere.

Teoria cinetică moleculară La o anumită distanță r = r 0 forța de interacțiune dispare. Această distanță poate fi luată condiționat ca diametrul moleculei. Energia potenţială de interacţiune la r = r 0 este minimă. Pentru a elimina două molecule care se află la o distanță r 0 una de cealaltă, trebuie să le oferiți energie suplimentară E 0. Valoarea lui E 0 se numește adâncimea puțului potențial sau energie de legare. Moleculele sunt extrem de mici. Moleculele monoatomice simple au o dimensiune de aproximativ 10–10 m. Moleculele poliatomice complexe pot fi de sute sau mii de ori mai mari.

Teoria molecular-cinetică Energia cinetică a mișcării termice crește odată cu creșterea temperaturii La temperaturi scăzute, energia cinetică medie a unei molecule poate fi mai mică decât adâncimea puțului de potențial E 0. În acest caz, moleculele se condensează într-un lichid sau solid ; în acest caz, distanța medie dintre molecule va fi aproximativ egală cu r 0. Pe măsură ce temperatura crește, energia cinetică medie a moleculei devine mai mare decât E 0, moleculele zboară separat și se formează o substanță gazoasă.

Teoria molecular-cinetică Stările agregate ale materiei În solide, moleculele efectuează vibrații aleatorii în jurul centrelor fixe (poziții de echilibru) în solide. Acești centri pot fi localizați în spațiu într-o manieră neregulată (corpi amorfe) sau pot forma structuri în vrac ordonate (corpi cristalini). Prin urmare, solidele păstrează atât forma, cât și volumul.

Teoria molecular-cinetică Stările agregate ale materiei În lichide, moleculele au libertate mult mai mare pentru mișcarea termică. Ele nu sunt legate de centre specifice și se pot mișca pe tot volumul. Aceasta explică fluiditatea lichidelor. Moleculele lichide apropiate pot forma, de asemenea, structuri ordonate care conțin mai multe molecule. Acest fenomen se numește ordin cu rază scurtă, spre deosebire de ordinul cu rază lungă caracteristică corpurilor cristaline. Prin urmare, lichidele nu își păstrează forma, ci își păstrează volumul.

Teoria molecular-cinetică Stările agregate ale materiei În gaze, distanțele dintre molecule sunt de obicei mult mai mari decât dimensiunile lor. Forțele de interacțiune dintre molecule la distanțe atât de mari sunt mici și fiecare moleculă se mișcă de-a lungul unei linii drepte până la următoarea ciocnire cu o altă moleculă sau cu peretele vasului. - Distanța medie dintre moleculele de aer în condiții normale este de aproximativ 10–8 m, adică de zece ori mai mare decât dimensiunea moleculelor. Interacțiunea slabă dintre molecule explică capacitatea gazelor de a se extinde și de a umple întregul volum al vasului. În limită, când interacțiunea tinde spre zero, ajungem la conceptul de gaz ideal. Prin urmare, gazele nu păstrează nici formă, nici volum.

Teoria molecular-cinetică Cantitatea de substanță În teoria molecular-cinetică, cantitatea de substanță este considerată proporțională cu numărul de particule de substanță. Unitatea de măsură a unei substanțe se numește mol (aluniță). Un mol este cantitatea dintr-o substanță care conține atâtea particule (molecule) câte atomi există 0,012 kg de carbon 12 C. (O moleculă de carbon este formată dintr-un atom) Astfel, un mol din orice substanță conține același număr de particule ( molecule). Acest număr se numește constanta lui Avogadro NA: NA = 6,02 1023 mol–1. Constanta lui Avogadro este una dintre cele mai importante constante din teoria cinetică moleculară.

Teoria molecular-cinetică Cantitatea de substanță ν este definită ca raportul dintre numărul N de particule (molecule) unei substanțe și constanta Avogadro NA: Masa unui mol dintr-o substanță se numește de obicei masa molară M Molarul masa este egală cu produsul dintre masa m 0 a unei molecule dintr-o substanță dată cu constanta Avogadro: M = NA · m 0 Masa molară se exprimă în kilograme pe mol (kg/mol). Pentru substanțele ale căror molecule constau dintr-un atom, termenul de masă atomică este adesea folosit. 1/12 din masa unui atom al izotopului de carbon 12 C (cu un număr de masă de 12) este luată ca unitate de masă a atomilor și moleculelor. Această unitate se numește unitatea de masă atomică (a.m.u.): 1 a.m. e.m. = 1,66 10–27 kg. Această valoare aproape coincide cu masa unui proton sau neutron. Raportul dintre masa unui atom sau moleculă a unei substanțe date și 1/12 din masa unui atom de carbon 12 C se numește masă relativă.

Teoria cinetică moleculară Cel mai simplu model considerat de teoria cinetică moleculară este modelul gazului ideal: 1. În modelul cinetic al gazului ideal, moleculele 1. sunt considerate ca bile perfect elastice care interacționează între ele și cu pereții numai în timpul ciocnirilor elastice. 2. Se presupune că volumul total al tuturor moleculelor este mic comparativ 2. cu volumul vasului care conține gazul. Modelul de gaz ideal descrie destul de bine comportamentul gazelor reale într-o gamă largă de presiuni și temperaturi. Sarcina teoriei cinetice moleculare este de a stabili o relație între parametrii microscopici (masa, viteza microscopică, energia cinetică a moleculelor) și parametrii macroscopici (presiunea, volumul, parametrii macroscopici de temperatură).

Teoria cinetică moleculară Ca rezultat al fiecărei ciocniri între molecule și molecule cu pereții, vitezele moleculelor se pot schimba în mărime și direcție; pe intervalele de timp dintre ciocniri succesive, moleculele se deplasează uniform și rectiliniu. În modelul cu gaz ideal, se presupune că toate coliziunile au loc în conformitate cu legile impactului elastic, adică se supun legile mecanicii newtoniene. Folosind modelul de gaz ideal, calculăm presiunea gazului pe peretele vasului. În procesul de interacțiune a unei molecule cu peretele vasului, între ele apar forțe care se supun celei de-a treia legi a lui Newton. Ca urmare, proiecția υx a vitezei moleculei, perpendiculară pe perete, își schimbă semnul în sens opus, în timp ce proiecția υy a vitezei, paralelă cu peretele, rămâne neschimbată (Fig.).

Teoria cinetică moleculară Formula pentru presiunea medie a unui gaz pe peretele unui vas se scrie ca Această ecuație stabilește relația dintre presiunea p a unui gaz ideal, masa moleculei m 0, concentrația moleculelor n, valoarea medie a pătratului vitezei și energia cinetică medie a mișcării de translație a moleculelor. Aceasta este ecuația de bază a teoriei cinetice moleculare a gazelor.Astfel, presiunea unui gaz este egală cu două treimi din energia cinetică medie a mișcării de translație a moleculelor conținute într-o unitate de volum.

Teoria molecular-cinetică Ecuația de bază a MCT a gazelor include produsul dintre concentrația moleculelor n și energia cinetică medie a mișcării de translație. În acest caz, presiunea este proporțională cu energia cinetică medie. Apar întrebări: cum se poate modifica experimental energia cinetică medie a mișcării moleculelor într-un vas de volum constant? Ce mărime fizică trebuie schimbată pentru a modifica energia cinetică medie? Experiența arată că temperatura este o astfel de cantitate.

Teoria molecular-cinetică Temperatura Conceptul de temperatură este strâns legat de conceptul de echilibru termic. Corpurile aflate în contact unele cu altele pot face schimb de energie. Energia transferată de la un corp la altul în timpul contactului termic se numește cantitatea de căldură Q. Echilibrul termic este o astfel de stare a unui sistem de corpuri în contact termic în care nu există transfer de căldură de la un corp la altul și toți parametrii macroscopici a corpurilor rămân neschimbate. Temperatura este un parametru fizic care este același pentru temperatura tuturor corpurilor aflate în echilibru termic. Posibilitatea introducerii conceptului de temperatură decurge din experiență și se numește legea zero a termodinamicii.

Teoria molecular-cinetică Temperatura Pentru măsurarea temperaturii se folosesc instrumente fizice - termometre, în care valoarea temperaturii este judecată de o modificare a unui parametru fizic. Pentru a crea un termometru, este necesar să alegeți o substanță termometrică (de exemplu, mercur, alcool) și o cantitate termometrică care caracterizează proprietatea substanței (de exemplu, lungimea unei coloane de mercur sau alcool). Diverse modele de termometre utilizează o varietate de proprietăți fizice ale unei substanțe (de exemplu, o modificare a dimensiunilor liniare ale solidelor sau o schimbare a rezistenței electrice a conductorilor atunci când sunt încălzite). Termometrele trebuie calibrate.

Teoria molecular-cinetică Un loc aparte în fizică îl ocupă termometrele cu gaz (Fig.), în care substanța termometrică este un gaz rarefiat (heliu, aer) într-un vas de volum constant (V = const), iar mărimea termometrică este presiunea gazului p. Experiența arată că presiunea gazului (la V = const) crește odată cu creșterea temperaturii, măsurată în Celsius.

Teoria cinetică moleculară Pentru a calibra un termometru cu gaz cu volum constant, puteți măsura presiunea la două temperaturi (de exemplu, 0 °C și 100 °C), puteți reprezenta punctele p 0 și p 100 pe un grafic și apoi trage o linie dreaptă între ele (fig. ). Folosind curba de calibrare astfel obtinuta se pot determina temperaturi corespunzatoare altor presiuni. Prin extrapolarea graficului în zona presiunilor joase, este posibil să se extrapoleze graficul în zona presiunilor joase pentru a determina o temperatură „ipotetică” la care presiunea gazului ar deveni egală cu zero. Experiența arată că această temperatură este egală cu -273,15 °C și nu depinde de proprietățile gazului. În practică, este imposibil să se obțină un gaz în stare cu presiune zero prin răcire, deoarece la temperaturi foarte scăzute toate gazele trec în stare lichidă sau solidă.

Teoria molecular-cinetică Fizicianul englez W. Kelvin (Thomson) a sugerat în 1848 utilizarea punctului de presiune a gazului zero pentru a construi o nouă scară de temperatură (scala Kelvin). La această scară, unitatea de temperatură este aceeași ca la scara Celsius, dar punctul zero este deplasat: TK = TC + 273,15.În sistemul SI, unitatea de temperatură de pe scara Kelvin se numește kelvin și se notează cu litera K De exemplu, temperatura camerei TC \u003d 20 ° С pe scara Kelvin este egală cu TK \u003d 293,15 K.

Teoria cinetică moleculară Scala de temperatură Kelvin se numește scară de temperatură absolută. Se dovedește a fi cea mai convenabilă scară de temperatură pentru construirea teoriilor fizice. Nu este nevoie să legați scara Kelvin de două puncte fixe - punctul de topire al gheții și punctul de fierbere al apei la presiunea atmosferică normală, așa cum este obișnuit în scara Celsius. În plus față de punctul de presiune zero a gazului, care se numește zero absolut al temperaturii, este suficient să luăm încă un punct de referință fix ca zero absolut al temperaturii. În scara Kelvin, temperatura punctului triplu al apei (0,01 ° C) este utilizată ca un astfel de punct, în care toate cele trei faze sunt în echilibru termic - gheață, apă și abur. Pe scara Kelvin, se presupune că temperatura punctului triplu este de 273,16 K.

Teoria molecular-cinetică Astfel, presiunea unui gaz rarefiat într-un vas cu volum constant V se modifică direct proporțional cu temperatura sa absolută: p ~ T. T ν într-un vas dat cu volumul V al vasului unde N este numărul de molecule din vas, NA este constanta Avogadro, n = N / V este concentrația de molecule (adică numărul de molecule pe unitatea de volum a vasului).

Teoria cinetică moleculară Combinând aceste relații de proporționalitate, putem scrie: p = nk. T, unde k este o valoare constantă care este universală pentru toate gazele. Se numește constanta Boltzmann, în onoarea fizicianului austriac L. Boltzmann, unul dintre creatorii MKT. Constanta Boltzmann este una dintre constantele fizice fundamentale. Valoarea sa numerică în SI: k = 1,38 10–23 J/K.

Teoria cinetică moleculară Compararea rapoartelor p = nk. T cu ecuația de bază a gazelor MKT, puteți obține: Energia cinetică medie a mișcării haotice a moleculelor de gaz este direct proporțională cu temperatura absolută. Astfel, temperatura este o măsură a energiei cinetice medii a mișcării de translație a moleculelor.De remarcat că energia cinetică medie a mișcării de translație a unei molecule nu depinde de masa acesteia. O particulă browniană suspendată într-un lichid sau gaz are aceeași energie cinetică medie ca o moleculă individuală, a cărei masă este cu multe ordine de mărime mai mică decât masa unei particule browniene.

Teoria molecular-cinetică Această concluzie se aplică și în cazul în care vasul conține un amestec de gaze care nu interacționează chimic ale căror molecule au mase diferite. Într-o stare de echilibru, moleculele diferitelor gaze vor avea aceleași energii cinetice medii ale mișcării termice, determinate doar de temperatura amestecului. Presiunea amestecului de gaze pe pereții vasului va fi suma presiunilor parțiale ale fiecărui gaz: p = p 1 + p 2 + p 3 + ... = (n 1 + n 2 + n 3 + ...)k. T În acest raport, n 1, n 2, n 3, … sunt concentrațiile de molecule ale diferitelor gaze din amestec. Această relație exprimă, în limbajul teoriei cinetice moleculare, legea Dalton stabilită experimental la începutul secolului al XIX-lea: presiunea într-un amestec al legii Dalton a gazelor care nu interacționează chimic este egală cu suma presiunilor lor parțiale.

Teoria molecular-cinetică Ecuația de stare a unui gaz ideal Relația p = nk. T poate fi scris sub o altă formă care stabilește o relație între parametrii macroscopici ai gazului - volumul V, presiunea p, temperatura T și cantitatea de substanță ν = m / M. M - Această relație se numește ecuația de stare a gazului ideal sau ecuația de stare a gazelor ideale Clapeyron–Mendeleev – Produsul constantei Avogadro NA și constantei Boltzmann k se numește constantă universală a gazelor și se notează cu litera R. Valoarea sa numerică în SI este: R = k ∙NA = 8,31 J/mol.K.

Teoria molecular-cinetică Ecuația de stare a unui gaz ideal - Dacă temperatura gazului este Tn = 273,15 K (0 ° C), iar presiunea pn = 1 atm = 1,013 105 Pa, atunci se spune că gazul este în condiții normale . După cum rezultă din ecuația de stare pentru un gaz ideal, un mol din orice gaz în condiții normale ocupă același volum V 0 \u003d 0,0224 m 3 / mol \u003d 22,4 dm 3 / mol. Această afirmație se numește Legea lui Avogadro.

Teoria molecular-cinetică Izoprocese Gazul poate participa la diferite procese termice, în care toți parametrii care îi descriu starea (p, V și T) se pot schimba. Dacă procesul se desfășoară suficient de lent, atunci în orice moment sistemul este aproape de starea sa de echilibru. Astfel de procese sunt numite cvasi-statice. În scara obișnuită de timp cvasi-statică pentru noi, aceste procese pot decurge nu foarte lent. De exemplu, rarefacția și compresia gazului într-o undă sonoră, care apar de sute de ori pe secundă, pot fi considerate ca un proces cvasi-static. Procesele cvasi-statice pot fi descrise pe o diagramă de stări (de exemplu, în coordonatele p, V) ca o anumită traiectorie, fiecare punct din care reprezintă o stare de echilibru. De interes sunt procesele în care unul dintre parametrii (p, V sau T) rămâne neschimbat. Astfel de procese se numesc izoprocese.

Proces izoterm (T = const) Un proces izoterm este un proces cvasistatic care are loc la o temperatură constantă T. Din ecuația de stare a unui gaz ideal rezultă că la o temperatură constantă T și T, o cantitate constantă de substanță ν în vas produsul presiunii p a gazului și volumul lui p V trebuie să rămână permanent: p. V = const

Proces izoterm (T = const) Pe planul (p, V), procesele izoterme sunt reprezentate la diferite temperaturi T printr-o familie de hiperbole p ~ 1 / V, care se numesc izoterme. Ecuația procesului izoterm a fost obținută din experimentul fizicianului englez R. Boyle (1662) și independent de fizicianul francez E. Mariotte (1676), prin urmare, ecuația se numește legea Boyle–Mariotte. T3 > T2 > T1

Proces izocor (V = const) Un proces izocor este un proces de încălzire sau răcire cvasistatică a unui gaz la un volum constant V și cu condiția ca cantitatea de substanță ν din vas să rămână neschimbată. După cum rezultă din ecuația de stare a gazului ideal, în aceste condiții, presiunea gazului p se modifică direct proporțional cu temperatura sa absolută: p ~ T sau = const

Procesul izocor (V = const) Pe planul (p, T), procesele izocorice pentru o anumită cantitate de materie ν pentru diferite valori ale volumului V sunt descrise printr-o familie de linii drepte numite izocore. Valorile mari ale volumului corespund izocorelor cu o pantă mai mică față de axa temperaturii (Fig.). Dependența presiunii gazului de temperatură a fost studiată experimental de către fizicianul francez J. Charles (1787). Prin urmare, ecuația procesului izocor se numește legea lui Charles. V3 > V2 > V1

Proces izobaric (p = const) Un proces izobaric este un proces cvasistatic care are loc la o presiune constantă p. Ecuația procesului izobar pentru o anumită cantitate constantă de substanță ν are forma: unde V 0 este volumul de gaz la o temperatură de 0 °C. Coeficientul α este egal cu (1/273, 15) K– 1. α-ul său se numește coeficientul de temperatură al expansiunii volumetrice a gazelor.

Procesul izobaric (p = const) Pe planul (V, T), procesele izobare la diferite valori ale presiunii p sunt descrise printr-o familie de linii drepte (Fig.), care se numesc izobare. Dependența volumului gazului de temperatura la presiune constantă a fost investigată experimental de către fizicianul francez J. Gay-Lussac (1862). Prin urmare, ecuația procesului izobar se numește legea Gay-Lussac. p3 > p2 > p1

Izoprocese Legile stabilite experimental ale lui Boyle -Mariotte, Charles și Gay-Lussac găsesc explicația -Mariotte, Charles și Gay-Lussac în teoria cinetică moleculară a gazelor. Ele sunt o consecință a ecuației de stare a gazelor ideale.

Termodinamica Termodinamica este știința fenomenelor termice. Spre deosebire de teoria molecular-cinetică, care trage concluzii pe baza ideilor despre structura moleculară a unei substanțe, termodinamica pornește de la cele mai generale legi ale proceselor termice și proprietățile sistemelor macroscopice. Concluziile termodinamicii se bazează pe un set de fapte experimentale și nu depind de cunoștințele noastre despre structura internă a materiei, deși într-un număr de cazuri termodinamica folosește modele cinetice moleculare pentru a-și ilustra concluziile.

Termodinamică Termodinamica consideră sisteme izolate de corpuri care se află într-o stare de echilibru termodinamic. Aceasta înseamnă că toate procesele macroscopice observate au încetat în astfel de sisteme.

Termodinamică Dacă un sistem termodinamic a fost expus unei influențe externe, acesta se va muta în cele din urmă într-o altă stare de echilibru. O astfel de tranziție se numește proces termodinamic. Dacă procesul decurge suficient de lent (infinit lent în limită), atunci sistemul în fiecare moment de timp este aproape de starea de echilibru. Procesele care constau dintr-o succesiune de stări de echilibru se numesc cvasistatice.

Termodinamica. Energia internă Unul dintre cele mai importante concepte ale termodinamicii este energia internă a unui corp. Toate corpurile macroscopice au energie conținută în corpurile înseși. Din punctul de vedere al MKT, energia internă a unei substanțe este suma energiei cinetice a tuturor atomilor și moleculelor și energia potențială a interacțiunii lor între ele. În special, energia internă a unui gaz ideal este egală cu suma energiilor cinetice ale tuturor particulelor de gaz aflate în mișcare termică continuă și aleatorie. De aici rezultă legea lui Joule, confirmată de numeroase experimente: Energia internă a unui gaz ideal depinde doar de temperatura acestuia și nu depinde de volum.

Termodinamica. Energia internă a MKT conduce la următoarea expresie pentru energia internă a unui mol dintr-un gaz ideal monoatomic (heliu, neon etc.), ale cărui molecule efectuează doar mișcare de translație: Deoarece energia potențială a interacțiunii moleculelor depinde de distanța dintre ele, în cazul general, energia internă U a corpului depinde împreună cu temperatura T, depinde și de volumul V: T U = U (T, V) Astfel, energia internă U a organismul este determinat în mod unic de parametrii macroscopici care caracterizează starea corpului. Nu depinde de modul în care a fost realizată starea dată. Se obișnuiește să spunem că energia internă este o funcție de stare.

Termodinamica. Modalități de modificare a energiei interne Energia internă a unui corp se poate modifica dacă forțele externe care acționează asupra acestuia funcționează (pozitive sau negative). De exemplu, dacă gazul este comprimat într-un cilindru sub piston, atunci forțele externe fac o muncă pozitivă A „pe gaz. În același timp, forțele de presiune, A” care acționează asupra pistonului din gaz, fac munca A = -A "

Termodinamica. Metode de modificare a energiei interne Energia internă a unui corp se poate modifica nu numai ca urmare a muncii efectuate, ci și ca urmare a transferului de căldură. În timpul contactului termic al corpurilor, energia internă a unuia dintre ele poate crește, în timp ce celălalt poate scădea. În acest caz, se vorbește despre un flux de căldură de la un corp la altul. Cantitatea de căldură Q primită de corp, Cantitatea de căldură Q este modificarea energiei interne a corpului ca urmare a transferului de căldură.

Termodinamica. Modalități de modificare a energiei interne Transferul de energie de la un corp la altul sub formă de căldură poate avea loc numai dacă există o diferență de temperatură între ele. Fluxul de căldură este întotdeauna direcționat de la un corp fierbinte către unul rece.Cantitatea de căldură Q este o cantitate de energie. În SI, cantitatea de căldură se măsoară în unități de lucru mecanic - jouli (J).

Termodinamica. Prima lege a termodinamicii fluxurile de energie dintre sistemul termodinamic selectat și corpurile înconjurătoare sunt reprezentate condiționat. Valoarea lui Q > 0 dacă fluxul termic Q > 0 este îndreptat către sistemul termodinamic. Valoarea A > 0 dacă sistemul efectuează un lucru pozitiv A > 0 asupra corpurilor din jur. Dacă sistemul schimbă căldură cu corpurile înconjurătoare și funcționează (pozitiv sau negativ), atunci starea sistemului se schimbă, starea sistemului se schimbă, adică parametrii macroscopici (temperatura, presiunea, volumul) se modifică.

Termodinamica. Prima lege a termodinamicii Deoarece energia internă U este determinată în mod unic de parametrii macroscopici care caracterizează starea sistemului, rezultă că procesele de transfer de căldură și de lucru sunt însoțite de o modificare a energiei interne a sistemului ΔU.

Termodinamica. Prima lege a termodinamicii Prima lege a termodinamicii este o generalizare a legii conservării și transformării energiei pentru un sistem termodinamic. Se formulează astfel: Modificarea ΔU a energiei interne a unui sistem termodinamic neizolat este egală cu diferența dintre cantitatea de căldură Q transferată sistemului și munca A efectuată de sistem asupra corpurilor externe. ΔU = Q - A Relația care exprimă prima lege a termodinamicii este adesea scrisă într-o formă diferită: Q = ΔU + A Cantitatea de căldură primită de sistem merge să-și modifice energia internă și să efectueze lucru asupra corpurilor externe.

Termodinamica. Prima lege a termodinamicii Să aplicăm prima lege a termodinamicii izoproceselor din gaze. Într-un proces izocor (V = const), gazul nu lucrează, A = 0. Prin urmare, Q = ΔU = U (T 2) - U (T 1). Aici U (T 1) și U (T 2) sunt energiile interne ale gazului în starea inițială și finală. Energia internă a unui gaz ideal depinde doar de temperatură (legea lui Joule). În timpul încălzirii izocorice, căldura este absorbită de gaz (Q > 0), iar energia sa internă crește. În timpul răcirii, căldura este eliberată către corpurile externe (Q 0 - căldura este absorbită de gaz, iar gazul efectuează o activitate pozitivă. Cu compresia izobară Q

Motoare termice. Cicluri termodinamice. Ciclul Carnot Un motor termic este un dispozitiv capabil să transforme cantitatea de căldură primită în lucru mecanic. Lucrarea mecanică în motoarele termice este efectuată în procesul de expansiune a unei anumite substanțe, care se numește fluid de lucru. Ca fluid de lucru, se folosesc de obicei substanțe gazoase (vapori de benzină, aer, vapori de apă). Corpul de lucru primește (sau cedează) energie termică în procesul de schimb de căldură cu corpuri care au o cantitate mare de energie internă. Aceste corpuri se numesc rezervoare termice. Motoarele termice existente (motoare cu abur, motoare cu ardere internă etc.) funcționează ciclic. Procesul de transfer de căldură și de conversie a cantității de căldură primite în muncă se repetă periodic. Pentru a face acest lucru, fluidul de lucru trebuie să efectueze un proces circular sau un ciclu termodinamic, în care starea inițială este restabilită periodic.

Motoare termice. Cicluri termodinamice. Ciclul Carnot O caracteristică comună a tuturor proceselor circulare este că acestea nu pot fi efectuate prin aducerea fluidului de lucru în contact termic cu un singur rezervor termic. Au nevoie de cel puțin două. Un rezervor de căldură cu o temperatură mai mare se numește încălzitor, iar un rezervor de căldură cu o temperatură mai scăzută se numește frigider. Făcând un proces circular, fluidul de lucru primește de la încălzitor o anumită cantitate de căldură Q 1 > 0 și conferă răcitorului cantitatea de căldură Q 2

Motoare termice. Cicluri termodinamice. Ciclul Carnot Lucrul A efectuat de fluidul de lucru pe ciclu este egal cu cantitatea de căldură primită Q pe ciclu. Raportul dintre lucru A și cantitatea de căldură Q 1 primită de fluidul de lucru pe ciclu de la încălzitor se numește eficiență η al motorului termic:

Motoare termice. Cicluri termodinamice. Ciclul Carnot Coeficientul de eficiență indică ce parte din energia termică primită de fluidul de lucru din rezervorul termic „fierbinte” s-a transformat în muncă utilă. Restul (1 - η) a fost transferat „inutil” la frigider. (1 – η) Eficiența unui motor termic este întotdeauna mai mică de unu (η 0, A > 0, Q 2 T 2

Motoare termice. Cicluri termodinamice. Ciclul Carnot În 1824, inginerul francez S. Carnot a considerat un proces circular format din două izoterme și două adiabate, care a jucat un rol important în dezvoltarea teoriei proceselor termice. Se numește ciclul Carnot (Fig. 3. 11. 4).

Motoare termice. Cicluri termodinamice. Ciclul Carnot Ciclul Carnot este realizat de gazul din cilindrul de sub piston. În secțiunea izotermă (1–2), gazul este adus în contact termic cu un rezervor termic fierbinte (încălzitor) având o temperatură T 1. Gazul se dilată izotermic, făcând lucru A 12, în timp ce o anumită cantitate de căldură Q 1 = Gazului este furnizat A 12. Mai departe, în secțiunea adiabatică (2–3), gazul este plasat într-o înveliș adiabatic și continuă să se extindă în absența transferului de căldură. În această secțiune, gazul efectuează lucru A 23 > 0. Temperatura gazului în timpul expansiunii adiabatice scade la valoarea T 2. În următoarea secțiune izotermă (3–4), gazul este adus în contact termic cu o termotermă rece. rezervor (frigider) la temperatura T2

Ireversibilitatea proceselor termice. A doua lege a termodinamicii. Prima lege a termodinamicii - legea conservării energiei pentru procesele termice - stabilește o relație între cantitatea de căldură Q primită de sistem, modificarea ΔU a energiei sale interne și munca A efectuată asupra corpurilor externe: Q = ΔU + A Conform acestei legi, energia nu poate fi creată sau distrusă; se transferă de la un sistem la altul și se transformă dintr-o formă în alta. Procesele care încalcă prima lege a termodinamicii nu au fost niciodată observate. Pe fig. sunt prezentate aparate interzise de prima lege a termodinamicii.Motoare termice care funcționează ciclic interzise de prima lege a termodinamicii: 1 - mașină cu mișcare perpetuă de felul I, care efectuează lucrări fără a consuma energie din exterior; 2 - motor termic cu randament η > 1

Ireversibilitatea proceselor termice. A doua lege a termodinamicii. Prima lege a termodinamicii nu stabilește direcția proceselor termice.Prima lege a proceselor termodinamicii. Cu toate acestea, după cum arată experiența, multe procese termice pot continua doar într-o singură direcție. Astfel de procese sunt numite ireversibile. De exemplu, în timpul contactului termic a două corpuri cu temperaturi diferite, fluxul de căldură este întotdeauna direcționat de la un corp mai cald la unul mai rece. Nu se observă niciodată un proces spontan de transfer de căldură de la un corp cu o temperatură scăzută la un corp cu o temperatură mai mare. Prin urmare, procesul de transfer de căldură la o diferență finită de temperatură este ireversibil. Procesele reversibile sunt procesele de tranziție a unui sistem de la o stare de echilibru la alta, care pot fi efectuate în sens invers prin aceeași succesiune de stări intermediare de echilibru. În acest caz, sistemul însuși și corpurile înconjurătoare revin la starea lor inițială. Procesele în care sistemul rămâne întotdeauna într-o stare de echilibru se numesc cvasi-static. Toate procesele cvasi-statice sunt reversibile. Toate procesele reversibile sunt cvasi-statice.

Ireversibilitatea proceselor termice. A doua lege a termodinamicii. Procesele de conversie a muncii mecanice în energie internă a corpului sunt ireversibile datorită prezenței frecării, proceselor de difuzie în gaze și lichide, proceselor de amestecare a gazelor în prezența unei diferențe de presiune inițiale etc. Toate procesele reale sunt ireversibile, dar ele poate aborda procese reversibile închise arbitrar. Procesele reversibile sunt idealizări ale proceselor reale. Prima lege a termodinamicii nu poate distinge procesele reversibile de cele ireversibile. Pur și simplu necesită un anumit echilibru energetic din procesul termodinamic și nu spune nimic despre dacă un astfel de proces este posibil sau nu.

Ireversibilitatea proceselor termice. A doua lege a termodinamicii. Direcția proceselor care apar spontan stabilește a doua lege a termodinamicii. Poate fi formulat în termodinamică ca o interdicție a anumitor tipuri de procese termodinamice. Fizicianul englez W. Kelvin a dat următoarea formulare a celei de-a doua legi în 1851: a doua lege Într-un motor termic care funcționează ciclic, un proces este imposibil, al cărui singur rezultat ar fi transformarea în lucru mecanic a întregii cantități de căldură. primit de la un singur rezervor de căldură.

Ireversibilitatea proceselor termice. A doua lege a termodinamicii. Fizicianul german R. Clausius a dat o altă formulare a celei de-a doua legi a termodinamicii: Un proces este imposibil, al cărui singur rezultat ar fi transferul de energie prin transfer de căldură de la un corp cu o temperatură scăzută la un corp cu o temperatură mai mare. . Pe fig. sunt descrise procesele interzise de a doua lege, dar nu interzise de prima lege a termodinamicii. Aceste procese corespund două formulări ale celei de-a doua legi a termodinamicii. 1 - mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel; 2 - transfer spontan de căldură de la un corp rece la unul mai cald (frigider ideal)

Fizica moleculară. Termodinamica.

1.Metode statistice și termodinamice

2.Teoria molecular-cinetică a gazelor ideale

2.1 Definiții de bază

2.2.Legile experimentale ale gazului ideal

2.3 Ecuația stării gazului ideal (ecuația Clapeyron-Mendeleev

2.4.Ecuația de bază a teoriei cinetice moleculare a unui gaz ideal

2.5 Distribuția Maxwell

2.6 Distribuția Boltzmann

3. Termodinamica

3.1.Energie internă. Legea distribuției uniforme a energiei pe grade de libertate

3.2.Prima lege a termodinamicii

3.3.Lucrarea gazului la modificarea volumului acestuia

3.4 Capacitatea termică

3.5.Primul principiu al termodinamicii și izoproceselor

3.5.1 Procesul izocor (V = const)

3.5.2 Procesul izobaric (p = const)

3.5.3 Proces izoterm (T = const)

3.5.4. Proces adiabatic (dQ = 0)

3.5.5. Procese politropice

3.6.Proces circular (ciclu). Procese reversibile și ireversibile. Ciclul Carnot.

3.7.A doua lege a termodinamicii

3.8 Gaze reale

3.8.1.Forțe de interacțiune intermoleculară

3.8.2 Ecuația Van der Waals

3.8.3 Energia internă a unui gaz real

3.8.4 Efectul Joule-Thomson. Lichefierea gazelor.

1.Metode statistice și termodinamice

Fizică moleculară și termodinamică - ramuri ale fizicii care studiazăprocese macroscopice asociat cu numărul imens de atomi și molecule conținute în corpuri. Pentru a studia aceste procese, sunt utilizate două metode fundamental diferite (dar complementare reciproc): statistic (cinetică moleculară) șitermodinamic.

Fizica moleculară - o ramură a fizicii care studiază structura și proprietățile materiei pe baza conceptelor cinetice moleculare bazate pe faptul că toate corpurile constau din molecule aflate în mișcare haotică continuă. Procesele studiate de fizica moleculară sunt rezultatul acțiunii combinate a unui număr imens de molecule.. Legile comportamentului unui număr mare de molecule sunt studiate folosindmetoda statistica , care se bazează pe ce proprietățisistem macroscopic sunt determinate de proprietățile particulelor sistemului, de caracteristicile mișcării lor și de valorile medii ale caracteristicilor dinamice ale acestor particule (viteză, energie etc.). De exemplu, temperatura unui corp este determinată de viteza medie a mișcării haotice a moleculelor sale și nu se poate vorbi de temperatura unei molecule.

Termodinamica - ramură a fizicii care studiază proprietățile generale ale sistemelor macroscopice înstarea de echilibru termodinamic , și procesele de tranziție între aceste stări. Termodinamica nu ia în considerare microprocese , care stau la baza acestor transformări, dar se bazează pe două principii ale termodinamicii - legi fundamentale stabilite experimental.

Metodele statistice ale fizicii nu pot fi utilizate în multe domenii ale fizicii și chimiei, în timp ce metodele termodinamice sunt universale. Cu toate acestea, metodele statistice fac posibilă stabilirea structurii microscopice a unei substanțe, în timp ce metodele termodinamice stabilesc doar relații între proprietățile macroscopice. Teoria molecular-cinetică și termodinamica se completează reciproc, formând un singur întreg, dar diferă prin metodele de cercetare.

2.Teoria molecular-cinetică a gazelor ideale

2.1 Definiții de bază

Obiectul de studiu în teoria molecular-cinetică este un gaz. Se crede că moleculele de gaz, făcând mișcări aleatorii, nu sunt legate de forțe de interacțiune și de aceea se mișcă liber, străduindu-se, ca urmare a ciocnirilor, să se împrăștie în toate direcțiile, umplând întregul volum care le este pus. Astfel, gazul preia volumul vasului pe care îl ocupă gazul.

Gaz ideal este un gaz pentru care: volumul intrinsec al moleculelor sale este neglijabil în comparație cu volumul vasului; nu există forțe de interacțiune între moleculele de gaz; ciocnirile moleculelor de gaz între ele și cu pereții vasului sunt absolut elastice. Pentru multe gaze reale, modelul de gaz ideal descrie bine macroproprietățile acestora.

Sistem termodinamic - un ansamblu de corpuri macroscopice care interacționează și schimbă energie atât între ele, cât și cu alte corpuri (mediul extern).

Starea sistemului- un set de marimi fizice (parametrii termodinamici, parametrii de stare) , care caracterizează proprietățile sistemului termodinamic:temperatura, presiunea, volumul specific.

Temperatura- mărime fizică care caracterizează starea de echilibru termodinamic a unui sistem macroscopic.În sistemul SI, utilizarea este permisă termodinamic și scară practică de temperatură .La scara termodinamică, punctul triplu al apei (temperatura la care gheața, apa și aburul la o presiune de 609 Pa sunt în echilibru termodinamic) este considerat egal cu T = 273,16 grade Kelvin[K]. La o scară practică, punctele de îngheț și de fierbere ale apei la o presiune de 101300 Pa sunt considerate egale, respectiv, t \u003d 0 și t \u003d 100 grade Celsius [C].Aceste temperaturi sunt legate de relație

Temperatura T = 0 K se numește zero Kelvin, conform conceptelor moderne, această temperatură este de neatins, deși este posibil să o apropii cât de aproape doriți.

Presiune - mărime fizică determinată de forța normală F acționând din partea gazului (lichid) pe o singură zonă plasată în interiorul gazului (lichid) p = F/S, unde S este dimensiunea zonei. Unitatea de măsură a presiunii este pascal [Pa]: 1 Pa este egal cu presiunea creată de o forță de 1 N, distribuită uniform pe o suprafață normală acesteia cu o suprafață de 1 m 2 (1 Pa = 1 N / m 2).

Volum specificeste volumul pe unitatea de masă v = V/m = 1/r, unde V este volumul masei m, r este densitatea unui corp omogen. Deoarece v ~ V pentru un corp omogen, proprietățile macroscopice ale unui corp omogen pot fi caracterizate atât prin v, cât și prin V.

Proces termodinamic - orice modificare a unui sistem termodinamic care duce la modificarea a cel puțin unuia dintre parametrii termodinamici ai acestuia.Echilibru termodinamic- o astfel de stare a unui sistem macroscopic, când parametrii termodinamici ai acestuia nu se modifică în timp.Procese de echilibru - procese care au loc în așa fel încât modificarea parametrilor termodinamici într-o perioadă finită de timp este infinitezimală.

izoprocesele sunt procese de echilibru în care unul dintre principalii parametri ai stării rămâne constant.proces izobaric - un proces care are loc la presiune constantă (în coordonate V,t el este portretizatizobară ). Procesul izocor- un proces care are loc la un volum constant (în coordonate p,t el este portretizatizocor ). Proces izotermic - un proces care are loc la o temperatură constantă (în coordonate p,V el este portretizatizotermă ). proces adiabaticeste un proces în care nu există schimb de căldură între sistem și mediu (în coordonate p,V el este portretizatadiabatic ).

Constant (număr) Avogadro - numărul de molecule dintr-un mol N A \u003d 6.022. 10 23 .

Condiții normale: p = 101300 Pa, T = 273,16 K.