К СЕМИНАРСКИМ ЗАНЯТИЯМ ПО ТЕМЕ
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
К СЕМИНАРСКИМ ЗАНЯТИЯМ
ПО ТЕМЕ «ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
В МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКЕ»
Казань – 2013
УДК 530.10
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
К СЕМИНАРСКИМ ЗАНЯТИЯМ ПО ТЕМЕ
«ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКЕ»
(Учебно–методическое пособие
для студентов физико-математических специальностей)
авторы пособия:
доцент кафедры общей физики, д.ф.-м.н. Еремина Р.М.
доцент кафедры общей физики, к.ф.-м.н. Мутыгуллина А.А.
Под редакцией
профессора кафедры общей физики КФУ Аганова А.В.
В пособии описаны некоторые стандартные методы решения задач по теме “термодинамические методы в молекулярной физике”. Приводится необходимый теоретический материал и задачи для самостоятельного решения. Пособие рассчитано на студентов первого курса Института Физики.
Оглавление
Термодинамические методы................................................................................ 4
Раздел 1. Первое начало термодинамики ......................................................... 5
§1.1. Формулировка первого начала термодинаимики.............................. 5
Задача 1.1........................................................................................................ 11
Задачи для самостоятельного решения: 1.2, 1.3........................................... 12
§ 1.2. Теплоемкость...................................................................................... 13
Задача 1.4........................................................................................................ 14
Задача 1.5........................................................................................................ 15
Задача 1.6........................................................................................................ 16
Задачи для самостоятельного решения: 1.7- 1.10 ...................... 17
§ 1.3. Газ Ван-дер-Ваальса............................................................................ 18
Задача 1.11...................................................................................................... 22
Задачи для самостоятельного решения: 1.12-1.15....................................... 24
Раздел 2. Второе начало термодинамики....................................................... 25
§ 2.1. Тепловые машины ............................................................................. 26
§ 2.2. Формулировки второго начала термодинамики ........................... 29
Задача 2.1........................................................................................................ 30
Задачи для самостоятельного решения: 2.2-2.6........................................... 31
§ 2.3. Энтропия............................................................................................. 32
Задача 2.7........................................................................................................ 38........
Задача 2.8........................................................................................................ 38
Задачи для самостоятельного решения: 2.9-2.15......................................... 40
Некоторые физические константы................................................................... 41
Литература........................................................................................................... 42
Термодинамические методы.
Для изучения макроскопических свойств веществ и законов, которым подчиняются превращения вещества из одного состояния в другое, в молекулярной физике применяются два взаимосвязанных метода: статистический, основанный на молекулярно-кинетической теории, и термодинамический. Они не имеют четко ограниченной области изучаемых физических явлений и представляют собой методы изучения любых макроскопических систем, находящихся в равновесных состояниях. Часто при этом говорят о едином методе статистической термодинамики, являющейся частью статистической физики. Статистическая физика — это раздел теоретической физики, посвященный изучению систем с произвольным (часто — бесконечным или несчетным) числом степеней свободы.
Термодинамика занимается изучением свойств вещества, связанных с тепловым движением и характеризуемых макроскопическими параметрами на основе общих законов, называемых началами термодинамики, без выяснения микроскопических механизмов изучаемых явлений. Термодинамика основывается на трех началах. Первое является выражением закона сохранения энергии в тепловых процессах. Второе начало характеризует направление развития этих процессов. Третье начало накладывает ограничения на процессы, утверждая невозможность процессов, приводящих к достижению абсолютного нуля термодинамической температуры.
При решении задач термодинамическими методами, используются макропараметры P, V и T, экспериментальные величины, характеризующие систему в целом в равновесии (т.е. в наиболее вероятном состоянии) и полученные при рассмотрении статистических закономерностей системы идеального газа.
Термодинамика возникла в первой половине 19 века как теоретическая основа начавшей развиваться в то время теплотехники. Ее первоначальная задача сводилась к изучению закономерностей превращения тепла в механическую работу в тепловых двигателях и исследованию условий, при которых такое превращение является наиболее оптимальным. Именно такую цель преследовал французский инженер и физик Сади Карно (1796-1832) в сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.), в котором впервые были заложены основы термодинамики, хотя и сохранились старые ошибочные воззрения на теплоту как на какое-то невесомое вещество, которое не может быть ни создано, ни уничтожено. В дальнейшем термодинамика вышла далеко за пределы указанной технической задачи. Приложения к тепловым двигателям, холодильным установкам и прочим вопросам теплотехники выделились в самостоятельный раздел, называемый технической термодинамикой.
В настоящее время статистическая термодинамика является хорошо разработанной теорией, основы которой заложены еще Гиббсом. Статистическая неравновесная термодинамика, изучающие многие неравновесные явления, (например, термоэлектрические, гальваномагнитные и т.д.) находится еще в процессе развития и далека от своего завершения.