- •Список вопросов к экзамену
- •Молекулярно-кинетическая теория и термодинамика. Масса, атомная и молекулярная масса. Моль. Молярная масса. Число Авогадро.
- •Состояние системы, термодинамические параметры состояний. Равновесное состояние. Время релаксации.
- •Идеальный газ. Нормальные условия. Уравнение Клайперона. Универсальная газовая постоянная.
- •Закон Гей-Люссака (изобарический процесс). Закон Шарля (изохорический процесс). Закон Бойля-Мариотта (изотермический процесс).
- •Внутренняя энергия системы. Первое начало термодинамики.
- •Работа, совершаемая телом при изменениях его объема.
- •Температура. Температура по шкале Цельсия, Кельвина.
- •Изотермический, изобарический и изохорический процессы. Уравнение Клайперона.
- •Теплоемкость идеального газа. Молярная и удельная теплоемкость. Постоянная адиабаты.
- •Адиабатический процесс. Уравнение адиабаты. Политропические процессы.
- •Политропические процессы. Работа газа, совершаемая при различных процессах.
- •Молекулярно-кинетическая теория. Давление газа на стенку. Уравнение кинетической теории газов.
- •Кинетическая энергия поступательного движения молекулы. Постоянная Больцмана.
- •Степени свободы. Средняя энергия молекулы.
- •Распределение молекул по скоростям. Функция распределения.
- •Распределение молекул по модулю скорости.
- •Наиболее вероятная скорость, средняя скорость, среднеквадратичная скорость.
- •Барометрическая формула. Распределение Больцмана.
- •Основы термодинамики. Обратимый процесс. Круговой процесс (цикл). Кпд тепловой машины.
Внутренняя энергия системы. Первое начало термодинамики.
Вну́тренняя эне́ргия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.
Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии:
, где
— подведённая к телу теплота, измеренная в джоулях
[1] — работа, совершаемая телом против внешних сил, измеренная в джоулях
Эта формула является математическим выражением первого начала термодинамики.
Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.
Работа, совершаемая телом при изменениях его объема.
Поясним понятие работы применительно к адиабатическому процессу. В частном случае, когда работа совершается через изменение объёма, можно определить её следующим способом: пусть газ заключён в цилиндрический сосуд, плотно закрытый легко скользящим поршнем, если газ будет расширяться, то он будет перемещать поршень и при перемещении на отрезок совершать работу[9][10]
где F — сила, с которой газ действует на поршень. Перепишем уравнение:
где s — площадь поршня. Тогда работа будет равна[9][10]
где — давление газа, — малое приращение объёма. Аналогично видно, что уравнение выполняется и для сосудов с произвольной поперечной формой сечения. Данное уравнение справедливо и при расширении на произвольных объёмах. Для этого достаточно разбить поверхность расширения на элементарные участки на которых расширение одинаково[9].
Основное уравнение термодинамики примет вид[11]:
|
Это условие будет выполняться, если скорость хода поршня (протекания процесса в общем случае) будет удовлетворять определённым условиям. С одной стороны она должна быть достаточно малой, чтобы процесс можно было считать квазистатическим. Иначе при резком изменении хода поршня давление, которое его перемещает, будет отличаться от давления в целом по газу. То есть газ должен находиться в равновесии, без турбулентностей и неоднородностей давления и температуры. Для этого достаточно передвигать поршень со скоростью, существенно меньшей, чем скорость звука в данном газе. С другой стороны скорость должна быть достаточно большой, чтобы можно было пренебречь обменом тепла с окружающей средой и процесс оставался адиабатическим[12][13].
Однако работа может совершаться и другими путями — например, идти на преодоление межмолекулярного притяжения газов. В этом случае параллельно с изменением внутренней энергии будет происходить процессы совершения нескольких работ разной физической природы, и основное уравнение термодинамики примет вид:
|
где , — дифференциальное выражение для работы, — внешние параметры, которые меняются при совершении работы, — соответствующие им внутренние параметры, которые при совершении малой работы можно считать постоянными. При совершении работы путём сжатия или расширения внутренний параметр — давление. Внешний параметр — объём.