ЛЕКЦИЯ 8

 

Тема 11 ТЕРМОДИНАМИКА - раздел физики, изучающий свойства физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями  
Термодинамическая система ➨ совокупность макроскопических тел, которые могут взаимодействовать между собой и внешней средой посредством теплообмена.  
Макроскопические параметры ➨ величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета молекулярного строения тел (p, V,Т);  
Тепловое равновесие (термодинамическое равновесие) ➨ состояние термодинамической системы, к которому она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени в условиях изоляции от окружающей среды; ➨ при тепловом равновесии прекращаются все виды теплообмена, температура составляющих термодинамической системы одинакова;  
Теплообмен (теплопередача) ➨ процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы. Энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Виды теплообмена: ‒ конвекция, ‒ теплопроводность, ‒ тепловое излучение.  
● конвекция ➨ перенос энергии потоками жидкости или газа;
● теплопроводность ➨ непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела;
● тепловое излучение ➨ электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет расхода собственной внутренней энергии; ➨ тепловое излучение присуще газам, жидкостям и твердым телам;  
ТЕМПЕРАТУРА ➨ физическая величина, которая характеризует степень нагретости тела;
● с точки зрения ТД ➨ температура является величиной, характеризующей направление теплообмена;  
● с точки зрения МКТ ➨ температура есть величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул идеального газа;  
● абсолютный нуль температуры ➨ температура, при которой прекращается поступательное движение молекул; ➨ температура абсолютного нуля равна - 273 С;
Измерение температуры ➨ прибор для измерения температуры посредством контакта с исследуемой средой; снабжен шкалой температур для отсчета показаний; в устройстве использовано свойство тел изменять объем при нагревании или охлаждении.  
● термометр  
Термометрическая величина ➨ физическая величина, служащая индикатором температуры. Например, в спиртовом термометре: термометрическое тело - спирт; термометрическая величина -объем спирта;  
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ ➨ системы сопоставимых значений температуры, представляющие собой конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства;  
● шкала Цельсия t [0С] ➨ температурная шкала, в которой базовыми точками были приняты: - температура таяния льда; - температура кипения воды; ➨ интервал между этими значениями разделен на 100 равных частей, названных градусами Цельсия (0С), обозначается буквой t;   ➨ в 1742 г. предложил шведский ученый А. Цельсий; шкала широко используется в настоящее время во всем мире;  
● шкала Кельвина T [К] Т = t0C + 273 К ➨ абсолютная шкала температур; шкала разделена на 100 равных частей; ➨ величина градуса этой шкалы равна градусу шкалы Цельсия - (10С = 1К) и называется Кельвин (К); обозначается буквой Т;   = 273 К; = 373 К; 0 К = -273 С.   ➨ в 1848 г. шкала была предложена английским физиком У. Томсоном (лордом Кельвином).  
● шкала Фаренгейта tФ [0F]     ➨ температурная шкала, в которой интервал между точками таяния льда и кипения воды разделен на 180 частей– градусов Фаренгейта (0F); точке таяния льда присвоено значение 320F , точке кипения воды 212 0F; обозначается tФ. ➨ в 1724 г. шкала предложена немецким физиком Д.Г. Фаренгейтом, традиционно применяется в ряде стран (в частности, в США, в Англии). ➨ Например, по Фаренгейту нормальная температура человеческого тела 980 F;  
● шкала Реомюра tR [0R] 10R = 1,250С ➨ температурная шкала, единицей которой являлся градус Реомюра (0R), равный 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (00 R) и кипения воды (800 R). ➨ в 1730 г. шкала предложена французским ученым Р.А. Реомюром. В России шкала использовалась до 1930 г., в настоящее время практически вышла из употребления;  
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ U [Дж] ➨ сумма кинетической энергии теплового движения молекул (атомов) и потенциальной энергии их взаимодействия;  
● внутренняя энергия одноатомного идеального газа ➨ равна сумме средних кинетических энергий поступательного движения молекул, составляющих газ ( ; )
● изменение внутренней энергии ➨ в ТД процессе изменение внутренней энергии идеального газа определяется только изменением его температуры и не зависит от характера этого процесса.  
● cпособы изменения внутренней энергии ➨ 1) теплообмен (нагревание или охлаждение газа); 2) совершение работы ( сжатие или расширение газа);  
КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ Q [Дж] ➨ мера изменения внутренней энергии тел при теплообмене; ➨ калория – внесистемная единица количества теплоты 1 кал = 4,1868 Дж; 1 ккал = 4186,8 Дж
● теплоемкость вещества ➨ физическая величина, численно равная количеству теплоты Q, которое необходимо сообщить телу для нагревания его на один градус (10С или 1 К)  
● удельная теплоемкость вещества ➨ количество теплоты Q, подводимое к веществу массой 1 кг для изменения его температуры на один градус (10С или 1 К); ➨одно и то же вещество, находящееся в разных агрегатных состояниях, имеет разную удельную теплоемкость; Например, сльда = 2100 Дж/кг·К; своды = 4200 Дж/кг·К  
● теплота нагревания охлаждения ► с – удельная теплоемкость вещества; - масса вещества; ► формула справедлива в пределах одного агрегатного состояния вещества;
● молярная теплоемкость ➨ количество теплоты, подводимое к одному молю вещества для изменения его температуры на один градус (10С или 1 К);
● закон сохранения количества теплоты уравнение теплового баланса ➨ в процессе теплообмена количество теплоты, отдаваемое телами с более высокой температурой, равно количеству теплоты , которое получают тела с более низкой температурой;
● пример уравнения теплового баланса с1m1(T1- ) = = с2m2( -T2) ➨ описывает состояние теплового равновесия двух тел с удельной теплоемкостью, массой и начальной температурой с1,m1,T1 и с2,m2,T2 соответственно и установившейся промежуточной общей температурой (Т1> >Т2);  
РАБОТА в термодинамике ➨ находящийся в сосуде газ оказывает на поршень площадью S давление р=F/S, под действие которого поршень перемещается на расстояние , изменяя объем газа на и совершая работу ;    
● знак работы     работа положительная при расширении газа ; работа отрицательная при сжатии газа ; работа равна нулю, если объем газа не изменялся с течением времени;  
Работа в изопроцессах
● изотермический процесс   ➨ или  
● изобарный процесс   ➨  
● изохорный процесс ➨ А=0
Графическое изображение работы  
ЛЕКЦИЯ 9  
Закон сохранения энергии в тепловых процессах ➨ во всех процессах, происходящих в природе, энергия не исчезает и не создается, а переходит от одного тела к другому и превращается из одного вида в другой в эквивалентных количествах;  
ПЕРВЫЙ ЗАКОН термодинамики ➨ количество теплоты Q, сообщенное термодинамической системе, расходуется на изменение внутренней энергии ΔUсистемы и на совершение системой механической работы A;  
● вечный двигатель первого рода ➨ нельзя построить периодически действующий двигатель, который совершал бы работу большую, чем та энергия, которая подводится к двигателю извне.  
Применение первого закона ТД к изопроцессам
● изотермический процесс   ➨ = или Q=
● изобарный процесс ➨
● изохорный процесс   ➨
● адиабатный процесс   ➨
Необратимость тепловых процессов ➨ необратимыми называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении – от горячего тела к холодному; в обратном направлении они могут протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Все реальные процессы – необратимые, протекают с невосполнимой потерей энергии на нагрев окружающей среды, преодоление сил трения.
ВТОРОЙ ЗАКОН термодинамики ➨ исторически открытие второго закона ТД было связано с изучением вопроса о максимальном КПД тепловых машин, проведенным французским ученым С. Карно. Позднее Клаузиус и Кельвин предложили различные по виду, но эквивалентные формулировки второго закона ТД;  
● формулировка Клаузиуса ➨ невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому;  
● формулировка Кельвина ➨ невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу;  
● вечный двигатель второго рода ➨ невозможно построить периодически действующую машину, которая целиком превращала бы в работу теплоту, извлекаемую из окружающих тел (океана, атм. воздуха);  
Статистическое обоснование второго закона ТД ➨ второй закон термодинамики является статистическим законом и описывает закономерности хаотического движения большого числа частиц, составляющих замкнутую систему;  
Круговой процесс (цикл) ➨ термодинамический процесс, в результате совершения которого рабочее тело возвращается в исходное состояние; ➨ на диаграммах состояния p-V, p-T и др. изображаются в виде замкнутых кривых; ➨ круговые процессы являются физической основой работы тепловых двигателей;  
● прямой цикл ➨ круговой процесс, в котором рабочее тело совершает положительную работу за счет сообщенной ему теплоты; ➨ на диаграмме прямой цикл изображен замкнутой кривой, которая обходится по часовой стрелке ( );  
● обратный цикл ➨ круговой процесс, в котором рабочее тело совершает отрицательную работу, т.е. над рабочим телом совершается и от него отводится равное количество теплоты; ➨на диаграмме обратный цикл изображен замкнутой кривой, которая обходится против часовой стрелки ( );  
Тепловой двигатель ➨ периодически действующая машина, совершающая механическую работу за счет получаемого извне количества теплоты; ➨ периодичность заключается в многократном повторении одного и того же рабочего цикла – после расширения следует сжатие газа; ➨ реальные тепловые двигатели работают по разомкнутому циклу: после расширения газ выбрасывается и сжимается новая порция; цикл может быть замкнутый, тогда расширяется и сжимается одна и та же порция газа;  
● устройство теплового двигателя ➨ Рабочее тело - газ или пар – при расширении совершает работу. Нагреватель имеет температуру Тни передает количество теплоты Qнрабочему телу. При сжатии рабочее тело передает холодильнику количество теплоты Qх; температура холодильника Тх меньше температуры нагревателя Тн; роль холодильника часто играет атмосфера. Из закона сохранения энергии следует, что работа, совершаемая тепловой машиной за один цикл, равна  
● КПД теплового двигателя ➨ отношение работы А,совершенной тепловым двигателем, к количеству теплоты Qн, полученному от нагревателя;
● идеальный тепловой двигатель ➨ двигатель, не имеющий потерь на механическое трение и работающий по особому круговому циклу, называемому циклом Карно;  
Цикл Карно Изотермы - 1-2; 3-4 Адиабаты - 2-3; 4-1 ➨ представляет собой идеализацию цикла реальной тепловой машины; рабочим телом является идеальный газ; цикл является прямым обратимым круговым процессом, состоящим из двух изотерм и двух адиабат; ➨ ( ) - изотермическое расширение - рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты ; ➨ ( ) - изотермическое сжатие - рабочее тело отдает холодильнику количество теплоты ; ➨ при адиабатном расширении и сжатии, энергия извне к рабочему телу не поступает и эти процессы происходят за счет изменения его внутренней энергии;  
КПД идеального теплового двигателя ➨ увеличение КПД зависитот разности между температурами нагревателя Тн и холодильника Тх ине зависитот свойств рабочего тела и конструкции двигателя;
Основные виды тепловых двигателей ➨ по способам получения механического движения подразделяются на:  
● поршневые ➨ паровые машины (КПД до 20%); ➨ двигатели внутреннего сгорания: ▪ карбюраторные (КПД- 18-24%) – создал в 1867г. Н. Отто, применяются в настоящее время;   ▪ дизели (КПД - 30-39%) - создал в 1897г. Р.Дизель, применяются в настоящее время;  
● ротационные ➨ паровая (КПД до 43% ); ➨ газовая турбина (КПД – до 34%);  
● реактивные ➨ ракетные двигатели ➨ воздушно-реактивные     (КПД до 42%)    
       

 

Тема 12 ЖИДКОСТИ И ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
Агрегатные состояния вещества ➨ характеризуются определенной внутренней структурой вещества и его свойствами. Различают три агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное. Четвертым агрегатным состоянием вещества считают плазму (ионизированный газ);
· газ ➨ вещество летучее (занимающее весь предоставленный ему объем), легкосжимаемое.
· жидкость ➨ вещество, которое, имея определенный объем, принимает форму сосуда, в котором оно находится; трудно сжимаемое.
· твердое тело ➨ вещества, которые способны длительное время сохранять свои форму и объем без воздействия внешних сил. Различают: кристаллическиеи аморфные тела.
Изменения агрегатного состояния вещества  
ЖИДКОСТЬ ГАЗ
Парообразование ➨ явление перехода твердого или жидкого вещества в пар;
твердого вещества - сублимация (возгонка);
жидкого вещества - испарение, кипение;
Сублимация (возгонка) (твердое тело пар) ➨ переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Примеры: бром, йод, нафталин, «сухой лед».
Испарение (жидкость пар) ➨ процесс парообразования, происходящий с открытой поверхности жидкости. Испарение зависит от: 1) рода жидкости; 2) температуры; 3) площади свободной поверхности; 4) внешнего давления; 5) скорости удаления молекул от поверхности жидкости.    
Конденсация (пар жидкость) ➨ переход вещества из газообразного состояния в жидкое.  
В результате хаотического движения над поверхностью жидкости молекулы пара, попадая в сферу действия молекулярных сил, вновь возвращаются в жидкость.  
Пар ➨ совокупность молекул, вылетающих из жидкости.  
· насыщенный пар ➨ пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.  
● динамическое равновесие ➨ равенство числа молекул, покинувших жидкость при испарении и вернувшихся в нее при конденсации.  
· ненасыщенный пар ➨ пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью (процесс испарения преобладает над процессом конденсации).  
Влажность воздуха ➨ характеризует наличие водяного пара в воздухе.   Различают: абсолютную и относительную влажность воздуха.  
● абсолютная влажность ➨ физическая величина, показывающая, какая масса паров воды находится в 1 м3 воздуха и равная отношению массы m водяного пара к объему воздуха V,в котором он находится;   ➨ абсолютная влажность определяется либо плотностью водяного пара в воздухе, либо парциальным давлением водяных паров, находящихся в воздухе    
● относительная влажность или ➨ физическая величина, характеризующая степень насыщения воздуха паром; ➨ равнаотношению абсолютной влажности к плотности насыщенного водяного пара при данной температуре, выраженное в процентах или ➨ равна отношению давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению р0 насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах. При понижении температуры относительная влажность увеличивается.
● точка росы ➨температура , при которой относительная влажность становится равной 100%. При этой температуре в воздухе и соприкасающихся с ним предметах наблюдается конденсация водяных паров (выпадает роса).  
· приборы для измерения влажности ➨ гигрометр, психрометр;
Кипение жидкости ➨ парообразование, происходящее одновременно с поверхности и по всему объему жидкости при постоянной температуре. С повышением внешнего давления температура кипения повышается, а с понижением давления – температура кипения понижается.  
● теплота парообразования конденсации [Дж] ➨ теплота парообразования и теплота конденсации численно равны произведению удельной теплоты парообра-зования вещества на его массу .
● удельная теплота парообразования ➨ количество теплоты, необходимое для превращения при постоянной температуре 1 кг жидкости в пар.  
ЖИДКОСТЬ ТВЕРДОЕ ТЕЛО
Плавление твердых тел ➨ процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое, происходящий при определенной температуре с поглощением теплоты.  
Затвердевание (кристаллизация) твердых тел ➨ процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое, происходящий при определенной температуре с выделением теплоты.  
● теплота плавления затвердевания (кристаллизации) [Дж] ➨ теплота плавления и теплота кристаллизации численно равны произведению удельной теплоты плавления тела на его массу .  
● удельная теплота плавления Дж/кг] ➨ количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг твердого вещества при температуре плавления в жидкость той же температуры.
· теплота, выделяющаяся при сгорании топлива [Дж] ➨ теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, равна произведению удельной теплоты сгорания топлива на массу вещества ;  
· удельная теплота сгорания топлива Дж/кг] ➨ количество теплоты, которое выделяет 1 кг топлива при полном его сгорании;
Кристаллические тела все металлы, графит, алмаз, кварц, лед ➨ твердые тела, состоящие из молекул (атомов, ионов), которые образуют строго упорядоченную структуру – кристаллическую решетку, связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия, расположены в узлах кристаллической решетки и совершают хаотичные колебаний вокруг положения равновесия; ➨ правильную геометрическую форму; периодически повторяющуюся внутреннюю структуру во всем объеме; обладают анизотропией.  
● анизотротия ➨ зависимость физических свойств от направления внутри кристалла;
● изотропность ➨ физические свойства одинаковы по всем направлениям;  
● монокристаллы ➨ кристаллическое твердое тело, представляющее собой один кристалл.
● поликристаллы ➨ твердые тела, состоящие из множества сросшихся монокристаллов; каждый маленький монокристалл анизотропен, а поликристалл – изотропен; ➨ поликристаллическое строение имеют большинство твердых тел (минералы, сплавы, керамика);  
Аморфные тела смола, янтарь, стекло, битум, пластмассы ➨ не имеют строгой кристаллической решетки, атомы вещества хаотично расположены и совершают колебания вокруг положения равновесия; занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями; пластичны; не имеют определенной температуры плавления (затвердевания); изотропны.  
             

 

 

Библиографический список литературы

 

1. Григорьев, В.И. Силы в природе / В.И. Григорьев, Г.Я. Мякишев. – М.: Наука, 1983.

 

2. Иванов, Б.Н. Законы физики: уч. пособие для вузов. – М.: Высш. шк, 1986.

 

3. Ильин, В.А. История физики. Учебное пособие. М.: Издательский центр «Академия», 2003.

 

 

4. Платунов Е.С.Физика. Словарь-справочник / Е.С. Платунов, В.А. Самолетов, С.Е. Буравой. - СПб: Питер, 2005.

 

5. Савельев И.В. Курс общей физики. т.3. М.: Наука,1985.

 

6. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш.шк., 1985.

 

7. Физический энциклопедический словарь./Глав.ред. А.М. Прохоров-М.: Сов. энциклопедия, 1983.

 

8. Физическая энциклопедия: т.1-3.- М.: Изд-во Сов. Энциклопедия, 1988.

 

9. Яворский Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский,

А.А. Детлаф. - М.: Наука, 1981.