Краткие теоретические сведения. Равновесные и квазиравновесные тепловые процессы
Равновесные и квазиравновесные тепловые процессы.
Система молекул с постоянным количеством вещества 
в объеме 
находится в «состоянии теплового равновесия», если во всех макроскопически малых частях ее объема достаточно длительное время и давление Р, и температура Т одинаковы, т.е. являются параметрами состояния системы в целом. Состояние теплового равновесия может поддерживаться только в такой системе, через «границы» которой исключается перенос вещества и энергии. Такая система называется «термодинамически изолированной».
В неизолированных системах тепловое равновесие отсутствует и наблюдается тот или иной тепловой процесс. Напротив, будучи изолированной, такая система за некоторое время спонтанно, благодаря тепловому движению молекул, придет в состояние равновесия. Переход системы из неравновесного в равновесное состояние называют «процессом релаксации» и характеризуют «временем релаксации» Так, неравномерность давления в изолированной системе на расстоянии 10 см исчезает весьма быстро -за 10-4 –10-5 с, так как выравнивание давления происходит со скоростью звука (при 0 °С в воздухе скорость звука равна 330 м/с). Выравнивание температуры определяется теплопроводностью системы и протекает медленно. Время температурной релаксации идеальных газов имеет порядок 
с на участке 10 см.
Все тепловые процессы являются, строго говоря, непрерывной последовательностью неравновесных состояний системы. Но если они протекают медленно по отношению ко времени релаксации ( 
), то допустимо считать их непрерывной последовательностью равновесных состояний, так как, изменяясь постепенно, параметры состояния вследствие успевающей завершиться релаксации остаются практически одинаковыми во всех частях объема системы. Такие процессы называют равновесными. Они могут быть графически изображены на «диаграмме состояний». Поскольку определяющим для системы является время температурной релаксации, то всякий равновесный процесс принципиально процесс очень медленный ( 
). Такими, например, являются протекающие в условиях изменения температуры изобарический (Р = const) и изохорический (V = const) процессы, если они осуществляются как равновесные.
Изотермический процесс протекает при постоянной температуре системы и принципиально является равновесным. На первый взгляд при таком процессе нет необходимости учитывать время температурной релаксации. Однако и этот процесс должен проводиться очень медленно, чтобы осуществляемый теплообмен системы с внешней средой не приводил к изменению ее температуры. Как угодно малое приращение внутренней энергии 
системы, возникающее за счет подведения малого количества теплоты 
, с учетом времени температурной релаксации полностью должно успеть перейти в работу системы 
. Только в этом случае можно считать, что изотермический процесс выполняется: 
, 
и 
const. Изотермический процесс - медленный принципиально. В идеале его определяют как бесконечно медленный. Реально тепловые процессы, включая изобарический и изохорический, проводят более или менее быстро, не обеспечивая полной температурой релаксации. В ряде случаев их можно рассматривать как равновесные только приближенно. Процессы, которые в определенных условиях с некоторым приближением можно рассматривать как равновесные, называют квазиравновесными. Такие процессы легче реализуются в системах с малым объемом, когда уменьшается время температурной релаксации, а также при сравнительно небольшом диапазоне изменения параметров состояния системы за время процесса.
Квазиравновесный адиабатный процесс.
Адиабатный процесс проводится в системе с постоянным количеством вещества при отсутствии теплообмена с внешней средой ( 
). Для этого система должна быть термодинамически изолирована. При адиабатном процессе температура системы изменяется. Поэтому равновесный адиабатный процесс должен протекать настолько медленно, чтобы его длительность была много больше времени температурной релаксации системы, т. е. . Отсюда следует часто трудно выполнимое, жесткое требование к качеству тепловой изоляции системы.
Чтобы избежать этого затруднения, на практике адиабатный процесс проводят как процесс квазиравновесный: объем системы изменяют настолько быстро, чтобы за время длительности процесса можно было пренебречь теплообменом системы с внешней средой, т.е. 
. Ясно, что температурная релаксация системы за такой интервал времени не завершается, и неравномерность температуры в разных частях объема не позволяет считать такой адиабатный процесс равновесным. Выбирая объем системы достаточно малым и проводя процесс при незначительном изменении давления, объема и температуры системы, можно считать его квазиравновесным.
Адиабатный процесс в системе идеального газа с постоянным числом одинаковых молекул аналитически записывается либо уравнением (1), либо уравнением (2):
, (1)
, (2)
где показатель адиабаты 
определяется только «числом степеней сво6оды» 
молекулы газа иравен отношению теплоемкостей газа при постоянном давлении 
(изобарический процесс) и при постоянном объеме 
(изохорический процесс):
. (3)
Рассмотрим относительное изменение параметров состояния системы, удовлетворяющее условию проведения квазиравновесного адиабатного процесса. Задавшись приращениями 
, 
и 
давления, объема и температуры, из формул (1) и (2) получим соответственно уравнения
,
,
из которых следует, что относительные изменения объема и температуры зависят от относительного изменения давления следующим образом:
,
.
Для одно-, двух- и трехатомных молекул число степеней свободы соответственно равно i = 3, i = 5, i = 6. Пусть i = 5 и 
.
Условие квазиравновесия требует, чтобы приращения параметров состояния системы были малы. Особенно это относится к температуре. Пусть 
, тогда 
и 
. Проведем количественную оценку приращения параметров.
В качестве наименьшего давления в системе примем атмосферное давление 
Па. Тогда приращение давления 
Па = 103 мм. вод. ст. Оно может бьпь измерено непосредственно U-образным жидкостным манометром, один вход которого соединен с системой, а второй, открытый -непосредственно с внешней средой. Если в исходном состоянии система имеет комнатную температуру, например Т = З00 К, то по окончании адиабатного процесса расширения температура уменьшится на 
К (или на 1 °С). Столь незначительное уменьшение температуры позволяет считать ее приблизительно постоянной. Следовательно адиабатный быстропротекающий процесс в этих условиях вполне можно рассматривать как квазиравновесный.
Метод измерения показателя адиабаты
Технически более просто осуществляется адиабатный процесс расширения газа из равновесного состояния 1, при котором температура системы 
равна температуре 
окружающей внешней среды, а давление 
превышает значение атмосферного давления 
. По окончании адиабатного процесса в квазиравновесном состоянии 2температура будет 
,а давление в системе 
. Для эксперимента необходима система, способная спонтанно увеличить свой объем при неизменном количестве вещества в нем. Такая система не может быть ограничена стенками какого-либо сосуда, имеющего постоянный объем. В то же время избыточное давление в системе можно обеспечить только тогда, когда она заключена в таком сосуде. Для устранения этого противоречия выберем систему молекул внутри сосуда, но занимающую при избыточном давлении 
только небольшую часть 
объема сосуда, как показано на рис. 2, где выделенная система условно ограничена круговой линией.
|
мин
|
с
|
|
const
Состояние 1 Состояние 2 Состояние 3
Рис. 2
В исходное равновесное состояние 1система приходит после предварительного сжатия (подкачка газа может быть осуществлена насосом) и последующей релаксации (в течение нескольких минут), когда в условиях теплового равновесия с внешней средой весь газ в сосуде будет иметь температуру 
и установившееся давление .
 |
|
Рис. 3
В процессе быстрого адиабатного расширения системы, производимого резким соединением через открывающийся клапан К полости сосуда с внешней средой, теплообменом газа в сосуде и тем более в выделенной системе можно пренебречь ( ). Внутренняя энергия системы уменьшается на величину 
,расходуемую на работу А расширения системы: 
. На диаграмме (рис. 3) адиабатный процесс перехода из состояния 1 всостояние 2 показан графически.
Из уравнения (1) адиабатного процесса для состояний 1и 2 следует равенство 
, но так как , то можно записать, что 
. Отсюда найдем, что показатель адиабаты
. (4)
В формуле (4)
и 
,
так как
,
а отношение объемов 
остается неизменным.
Особенность метода Клемана и Дезорма состоит в том, что после адиабатного процесса из состояния 2 система, сохраняя постоянный объем, изохорически в течение некоторого времени переходит в равновесное состояние 3(см. рис. 3), при котором в условиях теплового равновесия с внешней средой она приобретает температуру этой среды и 
. Таким образом, состояния 1и 3являются изотермическими, т. е. принадлежат некоторой теоретической изотерме (на рис. 3 - пунктирная линия 
). Поэтому для этих состояний можно записать равенство 
.Отсюда следует, что в формуле (4) неизвестное отношение объемов можно заменить отношением давлений
,
где 
- приращение давления при изохорическом процессе. Учитывая, что ( 
) и ( 
), получаем
.
Подставляя найденные выражения для логарифмов в формулу (4),запишем в окончательном виде уравнение, позволяющее производить измерение показателя адиабаты по методу Клемана и Дезорма:
. (5)
Измерения с помощью формулы (5) - косвенные. Однако при обработке результатов измерений их следует рассматривать как прямые, в каждом эксперименте вычисляя значение 
, а затем находя среднее значение 
и погрешность 
. Эта особенность объясняется невоспроизводимостью от опыта к опыту исходного состояния 1системы, которое образуется спонтанно из неравновесного состояния, в значительной мере зависящего от способа и режима нагнетания воздуха в сосуд.
Задание к работе
1. Получите допуск к выполнению работы у преподавателя.
2. Открыть вентиль 6. Насосом 5 малыми порциями накачать воздух в сосуд 1, создав давление, при котором в отрытом колене манометра 4 уровень жидкости устанавливается вблизи верхнего деления шкалы. Следите, чтобы жидкость из трубки манометра не вылилась наружу.
3. Закрыть вентиль 6.
4. В течение 2-3 мин. дать системе прийти в состояние равновесия (исходное состояние 1) при температуре внешней среды; измерить приращение давления 
по шкале манометра 4.
5. Резким нажатием клапана 3осуществить быстрое адиабатическое расширение системы; в момент выравнивания уровней жидкости в обоих коленах манометра клапан 3отпустить.
6. В течение 2-3 мин осуществить изохорический процесс, по окончании которого система приходит в состояние 3равновесия при температуре внешней среды, а давление 
стабилизируется. Измерить приращение давления по шкале манометра 4.
7. С помощью формулы (5) вычислить значение показателя адиабаты.
8. Провести 5-кратное измерение показателя адиабаты с помощью повторения пунктов 2-7.
9. Вычислить среднее значение показателя адиабаты и при доверительной вероятности 
случайную погрешность измерений, считая их прямыми.
10. Найти теоретическое значение показателя адиабаты для двухатомного газа и сравнить его с экспериментально полученным значением.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение термодинамически изолированной системы.
2.Что такое процесс релаксации системы, время релаксации системы?
3. Какие процессы называют равновесными и квазиравновесными?
4. Дайте определение всех изопроцессов и адиабатного процесса, напишите уравнения этих процессов, графически изобразите их на диаграмме состояний.
5. Охарактеризуйте изопроцессы и адиабатный процесс с точки зрения их равновесности.
6. Что называют степенями свободы молекул и чему равно их число для одно-, двух- и трехатомных молекул?
7. Дайте определение теплоемкости, удельной и молярной теплоемкостей системы. Чему равны молярные теплоемкости идеального газа при изобарическом и изохорическом процессах? Как эти теплоемкости связаны друг с другом?
8. Изложите сущность метода Клемана и Дезорма для измерения показателя адиабаты.
9. Что называется показателем адиабаты, чем он определяется и как связан с теплоемкостями идеального газа при изобарическом и изохорическом процессах?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов [Текст] / Т.И. Трофимова. - М.: Академия, 2007. – 560 с.
2. Детлаф, Д.А. Курс физики [Текст] / Д.А. Детлаф. - М.: Высшая школа, 1989. - 432 с.
3. Савельев, И.В. Курс общей физики: В 3-х т. Том I. Механика, колебания и волны, молекулярная физика [Текст] / И.В. Савельев. - М.: Наука, 1977. – 511 с.
4. Кассандрова, О.Н. Обработка результатов измерений [Текст] / О.Н. Кассандрова, В.В. Лебедев. – М.: Наука, 1970. – 140 с.
Учебное издание
Магазев Алексей Анатольевич
Михеев Виталий Викторович
МЕХАНИКА И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
Часть 2
Ответственный за выпуск: И.А. Кибанова
Ответственный редактор: В.А. Филатова
Подписано в печать _________
Формат 60х80/16. Бумага ксероксная
Гарнитура Times New Roman
Оперативный способ печати
Усл.п.л. 1, уч.-изд.л. 1
Тираж ___ экз. Заказ № ___
Цена договорная
ОИВТ (филиал) ФГОУ ВПО «НГАВТ»
644099, г. Омск, ул. И.Алексеева, 4
Отпечатано в ООО «ТЕХНОТРАНС»
644012, г. Омск, ул. 9 Дунайская, 20