Лекция № 3. Тема 2.1.1 Статистический и термодинамический методы исследования

Тема 2.1.1 Статистический и термодинамический методы исследования. Идеальный газ. Уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа для давления. Молекулярно-кинетическая трактовка абсолютной температуры.

План

1 Статистический и термодинамический методы исследования.

2 Идеальный газ. Уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа для давления.

3 Средняя кинетическая энергия молекул. Молекулярно-кинетическая трактовка абсолютной температуры.

Литература:

[1] Чолпан П.П. Фізика: Підручник. – К.: Вища шк., 2004. – 567 с.

(§ 4.1 - § 4.4)

[2] За редакцією І.Є. Лопатинського. Зачек І.Р., Кравчук І.М., Романишин Б.М. та ін. Курс фізики:

Навчальний підручник. – Львів: Видавництво «Бескид Біт», 2002 р. – 367 с. (§28-§30)

1 Молекулярная физика и термодинамика – разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с большим количеством атомов и молекул, из которых состоят тела.

Для исследования этих процессов используются два метода: статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический.

Молекулярная физика изучает строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений о том, что все тела состоят из атомов и молекул, которые пребывают в непрерывном тепловом движении.

Свойства огромного скопления молекул, которые образуют тело, подлежат особым статистическим закономерностям и их можно изучить с помощью статистического метода, который основывается на том, что свойства макроскопической системы определяются свойствами их движения и усредненными значениями динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии и т.д.).

Термодинамика – раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями.

На основании термодинамического метода изучаются условия превращения энергии из одного вида в другой и те же превращения с количественной стороны. В основе термодинамики лежат два экспериментально установленных закона, которые называют первым и вторым законами термодинамики.

Термодинамическая система – совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией, как между собой, так и с другими телами.

Состояние системы задается термодинамическими параметрами – совокупностью физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы.

Состояние термодинамической системы называется стационарным, если значения всех термодинамических параметров системы не изменяется со временем.

Какое-либо изменение в термодинамической системе, которое связано с изменением хотя бы одного из его термодинамических параметров, называется термодинамическим процессом.

2 Под идеальным газом понимают такой газ, в котором частицы между собой на расстоянии не взаимодействуют, а размерами их можно пренебрегать, то есть считать, что масса их сосредоточена в точке.

Уравнение, которое связывает для определенной массы вещества объем, давление и температуру, называют термическим уравнением состояния вещества.

Важнейшие параметры состояния химически однородной системы – объем V, давление р и температура Т. Между этими тремя основными параметрами состояния существует связь, называемая уравнением состояния:

f = (V, р, Т) = 0

В молекулярно-кинетической теории пользуются моделью идеального газа, удовлетворяющей такие условия:

1) собственный объем молекул газа ничтожно мал сравнительно с объемом сосуда;

2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия;

3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа для давления:

или

где – средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы газа.

Для одного моля газа m=μ и V= V_m

Тогда pV_m = (1/3)μυ²_ср.кв.

Уравнение Менделеева-Клапейрона для 1 моля р V_m= RT

Из уравнения Менделеева-Клапейрона

3 Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул идеального газа зависит только от его абсолютной температуры <ε_к> прямо пропорциональна к Т.

На рисунке изображена зависимость <ε_к> от Т. Если Т = 0, < ε_к > = 0, то есть прекращается поступательное движение молекул газа, а значит, равно нулю и его давление.

Абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул.

Однако в области температур, близких к абсолютному нулю, поведение молекул описывается не классическими законами, а законами квантовой механики.

Контрольные вопросы

1 Что такое термодинамика?

2 Что изучают с помощью статистического метода?

3 Что такое термодинамический процесс?

4 Что понимают под идеальным газом?

5 Назовите важнейшие параметры состояния химически однородной системы.

6 Что называется уравнением состояния?

7 От чего зависит средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул идеального газа?

Содержательный модуль 2.1 Законы идеального газа

Тема 2.1.2 Законы идеального газа для изопроцессов.(Самостоятельное изучение)

План

1 Изопроцессы. Газовые законы.

2 Изотермический процесс.

3 Изобарный процесс.

4 Изохорный процесс.

Литература: [3] Дмитрієва В.Ф. Фізика: Навчальний посібник для студентів навчальних закладів І-ІІ рівнів акредитації. – К: Техніка, 2008. – 648 с. (§ 46)