- •Конспект лекций по физике
- •Раздел 2 Молекулярная физика и термодинамика
- •Основы молекулярно-кинетической теории. Термодинамика
- •Основы молекулярно-кинетической теории. Основные положения молекулярно-кинетической теории. Сила и энергия взаимодействия молекул. Шкалы измерения температуры
- •Сила и энергия взаимодействия молекул
- •Контрольные вопросы:
- •Идеальный газ. Давление газа. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа
- •Контрольные вопросы:
- •Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме. Температура как мера средней кинетической энергии движения молекул
- •Связь между абсолютной температурой и кинетической энергией поступательного движения молекул
- •Контрольные вопросы:
- •Уравнение Клапейрона - Менделеева. Закон Дальтона
- •Количество молекул в 1 моле любого вещества одинаково и называется числом Авогадро:
- •2. 1 Моль любого газа при нормальных условиях занимает объём 22,4 дм3. (закон Авогадро).
- •Контрольные вопросы:
- •Изопроцессы и их графики
- •Контрольные вопросы:
- •Выберете правильный ответ на поставленный вопрос
- •Закон Максвелла о распределении молекул идеального газа по скорости и энергии теплового движения
- •Контрольные вопросы:
- •Барометрическая формула. Распределение Больцмана
- •Контрольные вопросы:
- •Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса
- •Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ. Критическое состояние вещества
- •Контрольные вопросы:
- •Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул
- •Контрольные вопросы:
- •Выберите правильный ответ на поставленный вопрос
- •Основы термодинамики Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы
- •Изменение внутренней энергии тела в процессе теплообмена и совершения работы. Уравнение теплового баланса
- •Уравнение теплового баланса
- •Контрольные вопросы:
- •Первое начало термодинамики. Адиабатный процесс
- •Контрольные вопросы:
- •Выберите правильный ответ на поставленный вопрос
- •Работа газа. Круговой процесс. Кпд кругового процесса Работа газа при изменении объема
- •Контрольные вопросы:
- •Принцип действия тепловой машины. Цикл Карно
- •Кпд тепловой машины
- •Контрольные вопросы:
- •Необратимые процессы. Понятие о втором начале термодинамики
- •Контрольные вопросы:
- •Явления переноса в термодинамически неравновесных системах
- •Контрольные вопросы:
- •Выберите правильный ответ на поставленные вопросы:
- •Агрегатные состояния вещества и фазовые переходы
- •Свойства паров. Влажность воздуха. Способы определения влажности воздуха. Парообразование
- •Влажность воздуха. Точка росы. Способы определения влажности
- •Приборы для определения влажности воздуха
- •Контрольные вопросы:
- •Кипение.
- •Контрольные вопросы:
- •Характеристика жидкого состояния вещества.
- •Молекулярное давление поверхностного слоя жидкости
- •Энергия поверхностного слоя жидкости.
- •Поверхностное натяжение
- •Смачивание
- •Капиллярность
- •Контрольные вопросы:
- •Кристаллическое состояние вещества. Типы связей в кристаллах, виды кристаллических структур
- •Полиморфизм
- •Применение кристаллов
- •Жидкие кристаллы
- •Контрольные вопросы:
- •Механические свойства твердых тел
- •Закон Гука. Модуль упругости
- •Диаграмма растяжения твердого тела
- •Контрольные вопросы:
- •Тепловое расширение твердых тел.
- •Плавление и кристаллизация. Диаграмма фазовых состояний
- •Контрольные вопросы:
Основы термодинамики Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы
Внутренняя энергия U – энергия хаотического теплового движения микрочастиц (молекул, атомов, электронов, ядер и т.д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия – однозначная функция термодинамического состояния системы. Она не зависит от того, как система пришла в данное состояние.
Число степеней свободы – это число независимых величин, полностью определяющих положение системы молекул в пространстве.
Одноатомная молекула рассматривается как материальная точка (МТ) (рисунок 15а) и имеет 3 степени свободы поступательного движения. При этом энергия вращения не учитывается, т.к. размеры МТ полагаются равными 0.
Молекула двухатомного газа рассматривается как две материальные точки, жестко связанные между собой (рисунок 15б). Эта система кроме 3х степеней свободы поступательного движения имеет еще и 2 степени свободы вращательного движения (всего 5 степеней свободы).
Трехатомные (рис. 15в) и многоатомные молекулы имеют 6 степеней свободы: 3 поступательных и 3 вращательных.
Ж
Рисунок 15. Число степеней свободы
молекулы
необходимо учитывать также степени свободы колебательного движения.
Закон Больцмана постулирует равномерное распределение энергии по степеням свободы молекул. На каждую поступательную и вращательную степень свободы приходится в среднем кинетическая энергия, равная , а на каждую колебательную степень свободы – в среднем kT (т.к. в колебательном процессе присутствуют, как кинетическая, так и потенциальная энергии).
Средняя энергия молекулы: , где i – число степеней свободы.
В классической теории рассматривают молекулы с жесткой связью между атомами . Так как в идеальном газе потенциальная энергия равна 0 (молекулы между собой не взаимодействуют), то внутренняя энергия одного моль газа будет равна:
, где - число Авагадро.
Внутренняя энергия произвольной массы m газа:
где: – молярная масса;
- количество молей вещества
Изменение внутренней энергии тела в процессе теплообмена и совершения работы. Уравнение теплового баланса
Внутренней энергией тела называется сумма кинетической и потенциальной энергии всех частиц тела и энергии ядер его атомов. Изменение внутренней энергии тела всегда связано с его взаимодействием с другими телами и с окружающей средой. Опыты показывают, что когда совершается работа A по преодолению трения или разрушению материала (пиление, точение и т.д.), то происходит нагревание тел, т.е. увеличение их внутренней энергии. Происходит превращение механической энергии во внутреннюю энергию тела.
Одним из важнейших видов обмена энергией между телами и окружающей средой является теплообмен. Обмен внутренней энергией между телами и окружающей средой или частями тела без свершения работы называется теплообменом.
Величину изменения внутренней энергии тела обусловленного теплообменом, называют количеством теплоты .
В системе СИ единицей измерения количества теплоты (как и внутренней энергии) служит 1 джоуль (Дж).
Раньше единицей теплоты Q являлась калория: 1 ≈4,2 .
В природе существует три вида теплообмена:
- Теплопроводность.
- Излучение.
- Конвекция.
Теплопроводностью называется передача внутренней энергии от одних частей вещества к другим, обусловленная хаотическим движением молекул и других частиц вещества.
Теплообмен с помощью излучения происходит и при отсутствии вещества между телами. Излучение тела, которое определяется только его температурой, называется тепловым излучением.
Теплообмен, который происходит при перемешивании неравномерно нагретых слоев жидкости или газа под действием силы тяжести, называется конвекцией.