31. Обратимые термодинамические процессы

Переход системы из одного состояния в другое называется процессом, термодинамические процессы могут быть обратимыми или необратимыми. Обратимый процесс — это процесс, который теоретически не производит изменение энтропии вселенной. Следовательно, обратимый процесс можно совершить в обратном порядке, таким образом, и система, и окружающая среда вернутся в начальное состояние.

Трение — процесс, при котором механическое движение смежных молекул производит теплоту. Теплота влияет на среду необратимо. Следовательно, в обратимых процессах не может быть силы трения, так как трение необратимо нагревает систему и среду независимо от того, в каком направлении проходит процесс.

Необратимые термодинамические процессы

Все действительные процессы называются необратимыми, так как в них есть трение, и они увеличивают энтропию вселенной. Другими словами, процесс системы изменяет окружающую среду, что невозможно полностью отменить.

Существует множество внутренних и внешних факторов, которые создают необратимость процессов. Внутреннюю необратимость вызывает внутреннее трение молекул жидкости в результате молекулярных сил и турбулентности. Внешняя необратимость следует из внешних факторов системы. Одна из самых частых причин внешней необратимости — механическое трение. Трение присутствует во всех процессах, где поверхность тела или вещества трется о другую поверхность. Другая причина внешней необратимости — процесс теплопередачи. По своей природе теплопередача происходит только в одном направлении: от более теплой области к более холодной. Следовательно, процесс невозможно полностью обратить, так как теплота не передается от более холодных областей более теплым без применения работы.

32. Первое начало термодинамики

Термодинамика— раздел физики, изучающий процессы перехода энергии из одного вида в другой.

Энергия не возникает неоткуда и не исчезает никуда, она переходит из одного вида в другой.

Применение первого начала термодинамики к газовым законам.

Сообщённая системе теплота идёт на совершение системой работы и на изменение её внутренней энергии.

а) изотермический процесс(T=const)

∆T=0 ∆U=0 => dQ=dA

б) изохорный процесс

∆V=0 ∆A=0 => dQ=dU

Определим теплоёмкость при V=const

в) изобарный процесс dQ=dA+dU

Теплоёмкость:

Адиабатный процесс— это процесс, происходит в теплоизолированной системе. Работа совершается за счёт изменения внутренней энергии

dQ=0 0=dA+dU => dA=-dU

Описывается уравнением Пуассона:

γ— показатель адиабаты γ>1

В природе адиабатным можно считать быстрые процессы.

33. КПД—циклическая величина характеризующая эффективность механизма.

Идеальная тепловая машина— машина, работающая по циклу Карно, и имеющая max КПД при данных условиях.

Цикл Карно состоит из двух изотерм и из двух адиабат и имеет вид:

1.2— резкое адиабатное сжатие;

2.3— изотермическое расширение;

3.4— резкое адиабатное расширение; 4.1— медленное изотермическое сжатие;

Определим КПД цикла Карно:

В термодинамике температура определяется степень нагретости тела. Для того. Чтобы измерить температуру прибор(термометр) приводят в контакт с системой и ожидают наступление состояния термодинамического равновесия т.е. состояния когда прибор приобретает ту же температуру, что и определённая система.

34. Энтропией называется функция S состояния си­стемы, дифференциал которой в элементарном обратимом процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты, сообщенного системе, к абсолютной температуре последней:

Энтропия сложной системы равна сумме энтропии всех ее однородных частей.По знаку изменения энтропии системы в обратимом процессе можно судить о направлении теплообмена.

В термодинамике энтропия указывает расположение молекул вещества или организацию энергии системы.

II начало термодинамики определят направлении протекания термодинамических проц., указывая какие проц. в природе возможны, какие нет.

1.Не возможно создание вечного двигателя второго рода, т.е. работающего на тепловых процессах.

2.Теплота не переходит от холодного тела к более тёплому самопроизвольно.

3. Энтропия замкнутой системы не убывает.

Таким образом, предоставленная самой себе переходит в состояние термодинамического равновесия, которое характеризуется постоянной температурой и давлением по всему объёму и вероятность реализации этого состояния максимума, т.к. оно может быть осуществлено наибольшим количеством способов.

Замечание: третье начало термодинамики абсолютный нуль температур.

35. Уравнение Ван-дер-Вальса

Объем одного моля реального газа V_m-b, где b-объем занимаемый самими молекулами. b равен учетверенному собственному объему молекул. Действие сил притяжения между молекулами газов приводит к появлению дополнительного давления на газ - внутреннее давление. P+a/V²_m - внутреннее давление обратно пропорционально квадрату молярного объема, а-постоянная Ван-дер-Вальса, характеризующая силы молекулярного притяжения.

Уравнение Ван-дер-Вальса (P+a/V²_m)*(V_m-b)=RT -для одного моля реального газа; PV_m=RT -для одного моля идеального газа. Из уравнения Ван-дер-Вальса следует что график явл пораболой

36. Перегретая жидкость и перенасыщенный пар. Кипение может происходить лишь в том случае, когда жидкость содержит растворенные в ней газы. При отсутствии газовых пузырьков или центров интенсивного парообразования можно получить перегретую жидкость, т.е. жидкость, температура которой выше температуры кипения при данном внешнем давлении, но которая, однако, не закипает. Перегретую жидкость можно получить даже тогда, когда в ней есть пузырьки, надо лишь, чтобы они были достаточно малы, так что давление насыщенного пара внутри них оказывается заметно меньшим соответствующего давления пара над плоской поверхностью. Перегретая жидкость метастабильна, т.е. мало устойчива. При наличии достаточно крупных пузырьков воздуха жидкость уже не может существовать как физически однородное тело и часть ее немедленно переходит в пар.

Так же обстоит дело с перенасыщенным паром. Если в перенасыщенном паре образовались например, крупные капельки жидкости, то при определенных условиях (когда равновесное давление пара над поверхностью капельки меньше давления окружающего пересыщенного пара), пар конденсируется. Конденсации пересыщенного пара способствует и наличие пыли или других мелких частиц. Эффективными центрами конденсации оказываются электрически заряженные частицы или ионы.

Внутренняя энергия реального газа складывается из кинетической энергии теплового движения молекул и потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия. Е_к одного моля газа равняется TC_V. Потенциальная энергия обусловлена силами притяжения между молекулами. Наличие сил притяжения приводит к появлению внутреннего давления на газ Р=a/V²_m, a работа, которая затрачивается на преодоление сил притяжения действующих между молекулами газа идет на увеличение потенциальной энергии. δEп=a/V²_m*dV_m=-a/V_m, U=C_VT-a/V_m –внутренняя энергия. Если газ расширяется без теплообмена и не совершает работы –расширение газа в вакууме-то на основании 1 начала термодинамики δQ=(U₂-U₁)+δAU₂=U₁ Равенство справедливо для реального газа. Для идеального газа U₁=U₂ означает равенство температур При адиабатном расширении идеального газа в вакууме температура постоянна. Для реального газа U₁=U₂ для одного моля газа. C_VT₁-a/V₁=C_VT₂-a/V₂ т.к. V₂>V₁ то Т₁>T₂ т.е. реальный газ при адиабатном расширении в вакууме охлаждается.

37. Эффектом Джоуля — Томсона Называется изменение температуры газа при дросселировании (дросселированием (мятием) газа называется умень­шение его давления при адиабатическом прохождении газа через узкое отверстие или пористую пробку.)

_∆T=a(1/V₁-1/V₂)/C_v+R где C_v – молярная теплоёмкость при V=const.

В идеальном газе эффект Джоуля - Томсона всегда отсутствует.

Температура, при которой эффект Джоуля-Томсона для данного газа изменяет знак, называется температу­рой инверсии

Сжижение газов - переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Сжижение газов достигается охлаждением их ниже критической температуры (Т_к) и последующей конденсацией в результате отвода теплоты парообразования (конденсации). Охлаждение газа ниже Т_К необходимо для достижения области температур, при которых газ может сконденсироваться в жидкость.

38. Жидкость - агрегатное состояние вещества при кот оно сохраняет V но не сохр форму. Жидкости отличаются силь­ным межмолекулярным взаимодействием и вследствие этого малой сжимаемостью.

Между молекулами жидкости сущ силы притяж поэтому молекула на поверхности стремится к молекулам внутри и в результате поверхность жидкостей всегда явл натянутой.

Сила поверхн натяж F_пн = коэф.поверхн.натяж * L , где L – периметр соприкосн свободной поверхн жидк и твёрд тела.

Сила поверхн натяж направлена так чтобы сокр площ своб поверхн жидк

Коэф.поверхн.натяж = A / ∆S

Уменьшается с ростом температуры

39. Под изогнутой поверхностью жидк возникает дополн давление, изогнутая поверхн назыв – мениск, в зависимости от расположения мениска давление жидк будет изменять знак

Формула Лапласа для расчёта давления без учёта влияния газа на ганицу жидкости: P_л=коэф.пов.натяж.*(1/R₁+1/R₂) R – радиус кривизны мениска

40. Явление на границе жидкости и твердого тела

На границе соприкосновения трех фаз (1 - жид­кость, 2 - газ, 3 - твердое тело) наблюдаются явления, называемые смачиванием. Линия, по ко­торой мениск пересека­ется с твердым телом, на­зывается периметром смачивания. Явления сма­чивания характеризу­ются краевым углом Ө между смоченной поверх­ностью твердого тела и мениском в точках их пересечения (периметра смачивания).

Если Ө < 90 смачивание

Если Ө > 90 не смачивание

Смачив когда силы взаимодейств между молекулами жидкости и тв тела

Больше сил взаим молек жидк

Капелярные явления – явления подьёма или опускания жидк в тонкой трубке кот назыв капиляром. Явл осущ за щёт давления Лапласа. При смачивании сосуда жидк стремится поднятся по стенкам, при этом h подъёма h=P/p*g , где p – плотн жидк , g – ускорение силы тяжести

41. Твердыми телами называются тела, отличающиеся постоянством формы и объема. Твердые тела подразде­ляются на кристаллические и аморфные.

Кристаллы — твердые тела, имеющие правильное периодическое расположение составляющих их частиц (дальний порядок, кристаллическая решетка). Кристаллы ограничены плоскими, упорядоченно расположенными друг относительно друга гранями, сходящимися в ребрах и вершинах. При температурах нише точки кристалли­зации кристаллическое состояние является устойчивым состоянием всех твердых тел.

Аморфными называют вещества, не обладающие в конденсированном состоянии кристаллическим строе­нием, но обладающие, в отличие от жидкостей, упру­гостью формы.В аморфном состоянии могут находиться, например, обычные (неорганические) стекла, сера, селен, глицерин и большинство высокомолекулярных соединений.

42. Анизотропией называется различие свойств кристаллов в направлениях различных кристаллографических плоскостей. Вследствие правильного расположения атомов в кристаллической решетке атомная плотность или количество атомов на кристаллографических плоскостях разного направления различна, поэтому и многие свойства кристаллов (механические, химические, магнитные, скорость растворения, скорость роста) в разных направлениях различны. Свойства же, определяемые всем объемом вещества (плотность, теплоемкость, температура плавления), в разных направлениях одинаковы.

Анизотропия – различие свойств по различным направлениям (по разным направлениям в одной плоскости решетки или по разным направлениям кристаллографическим плоскостям). Она характерна только для кристаллических тел и связана с правильным распространением атомов в пространстве. Поэтому плотность упаковки различна и различны свойства.

Дефекты в кристаллах - нарушения периодичности кристаллической структуры в реальных монокристаллах. В идеализированных структурах кристаллов атомы занимают строго определённые положения, образуя правильные трёхмерные решётки (кристаллические решётки). В реальных кристаллах (природных и искусственно выращенных) наблюдаются обычно различные отступления от правильного расположения атомов или ионов (или их групп). Такие нарушения могут быть либо атомарного масштаба, либо макроскопических размеров, заметные даже невооружённым глазом (см. Дефекты металлов). Помимо статических дефектов, существуют отклонения от идеальной решётки другого рода, связанные с тепловыми колебаниями частиц, составляющих решётку (динамические дефекты, см. Колебания кристаллической решётки). Дефекты в кристаллах образуются в процессе их роста под влиянием тепловых, механических и электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым излучением (радиационные дефекты) и т.п. Различают точечные дефекты (нульмерные), линейные (одномерные), дефекты, образующие в кристалле поверхности (двумерные), и объёмные дефекты (трёхмерные). У одномерного дефекта в одном направлении размер значительно больше, чем расстояние между соседними одноимёнными атомами (параметр решётки), а в двух других направлениях — того же порядка. У двумерного дефекта в двух направлениях размеры больше, чем расстояние между ближайшими атомами, и т.д.

43. Фазовые переходы первого и второго рода. Кривая фазового равновесия.

Фазовыми переходами называется резкое изменение состояния вещества при изменении термодинамических параметров.

Существуют вазовые переходы первого и второго рода. При этом фазовые переходы 1-го рода связаны с изменением агрегатного состояния вещества и характеризуются скрытой теплотой фазового перехода. Фазовые переходы 2-го рода связаны только с изменением симметрии вещества, без изменения агрегатного состояния – аллотропия кристаллов. На рисунке представлены кривые равновесия двухфазной системы твердое тело – жидкость ( а. υж> υтв)