Скорость звука в газах

Для звуковых частот сгущение и разрежение воздуха в звуковой волне происходит адиабатно. Это объясняется тем, что при сжатии газа его температура повышается, при разрежении – понижается. Очередные сжатие и разрежение в каждой точке пространства при колебаниях звуковой частоты происходят очень быстро. Это значит, что вероятность переноса количества тепла очень малая. Поэтому процесс распространения звуковых колебаний является адиабатным. Это используется для определения скорости звука в газе.

Скорость звука в газе:, где E – модуль Юнга, Р - давление в газе, - плотность газа, - показатель адиабаты.

Из уравнения Менделеева – Клапейрона:, тогда .(*)

Формула справедлива только для одноатомных и частично для двухатомных газов. В многоатомных газах скорость звука зависит от частоты колебаний (дисперсия). Причиной дисперсии является зависимость теплоёмкости от частоты (квантовый эффект). Так, в углекислом газе при частотах Гц происходит увеличение скорости звука на 4 %.

II начало термодинамики

Первое начало термодинамики позволяет выбрать из всех процессов те, которые возможны энергетически. Но оно не даёт предпочтения ни одному из них, то есть с точки зрения I начала все эти процессы равновероятны. С помощью II начала термодинамики мы выделяем из этих энергетически возможных процессов те, которые реально протекают.

Например:

1)Имеются две порции одной и той же жидкости массами и при температурах и соответственно, при смешивании их получится смесь с температурой t. Из первого начала термодинамики имеем: , . (1)

С точки зрения I начала возможен и обратный процесс: жидкость массы m при температуре t может самопроизвольно разделиться на две части с массами и и с температурами и по уравнению (1). Но на практике такой процесс не наблюдается.

2)Можно постоянно наблюдать самопроизвольное превращение механической работы в теплоту. Например, тяжёлый брусок скользит по наклонной плоскости.

Вся работа силы тяжести благодаря трению превращается в теплоту. При этом температура бруска и наклонной плоскости возрастёт. Но мы не можем ожидать, чтобы в результате самопроизвольного охлаждения бруска и наклонной плоскости брусок начал бы двигаться вверх по наклонной плоскости. Хотя этот процесс возможен с точки зрения I начала термодинамики.

Существует несколько формулировок II начала:

1.По Кельвину: невозможен процесс, единственным результатом которого было бы получение от какого – либо тела теплоты и превращение её в эквивалентное количество работы, то есть невозможно построить перпетуум мобиле 2 рода – двигатель с КПД=1.

2. По Клаузиусу: невозможен самопроизвольный переход теплоты от более холодного тела к более нагретому телу.

3.В изолированной системе возможны только такие процессы, при которых энтропия системы не убывает: dS≥0. Причём , dS=0 при обратимых круговых процессах, dS>0 при обратимых незамкнутых процессах и необратимых процессах. В открытых системах энергия может и уменьшаться(dS<0), но в окружающих телах будут происходить такие изменения, что суммарная энтропия системы и окружающих тел будет возрастать.

Таким образом, второе начало термодинамики утверждает, что существует такая функция состояния S, с помощью которой можно установить, какие процессы, удовлетворяющие закону сохранения энергии, реализуются в природе.

Так что же такое энтропия системы (S)?

Энтропия - это такая функция состояния системы, дифференциал которой связан с элементарным тепловым эффектом в обратимом процессе соотношением .

, , где - приведённая теплота, dS – дифференциальное изменение энтропии, dQ – теплота, полученная или отданная системой, Т – температура, при которой идёт процесс.

Мы определяем не энтропию, а разность значений энтропии в двух состояниях. Чтобы найти значение самой энтропии, используют теорему Нернста (III начало термодинамики):

Энтропия всякого вещества при температуре абсолютного нуля равна нулю.

Энтропия может служить таким же параметром системы, как и P, V, T , так как она является однозначной функцией состояния системы ,,.