4.1 Основные понятия термодинамики.

Молекулярная физика и термодинамика - разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул. Для исследования этих процессов применяют два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода: статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярной физики, второй — термодинамики.

Молекулярная физика - раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся и непрерывном движении.

Термодинамика - раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика не рассматривает микропроцессы, которые лежат в основе этих превращений. Этим термодинамический метод отличается от статистического. Термодинамика базируется на двух началах — фундаментальных законах, установленных в результате обобщения опытных данных.

Область применения термодинамики значительно шире, чем молекулярно-кинетической теории, ибо нет таких областей физики и химии, в которых нельзя было бы пользоваться термодинамическим методом. Однако, с другой стороны, термодинамический метод несколько ограничен: термодинамика ничего не говорит о микроскопическом строений вещества, о механизме явлений, а лишь устанавливает связи между макроскопическими свойствами вещества.

Термодинамика имеет дело с термодинамической системой — совокупностью макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Основа термодинамического метода — определение состояния термодинамической системы. Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами состояния) — совокупностью физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы. Термодинамические параметры - макроскопические величины, характеризующие состояние термодинамической системы (в качестве образа можно иметь в виду газ, заключенный в замкнутый объем), – это давление p, объем V, число частиц или число молей ν, температура T, внутренняя энергия U и др. Все эти параметры состояния данной термодинамической системы являются величинами, меняющимися в зависимости от ее взаимодействия с окружающей средой.

Рассматриваемая система может быть отделена от окружающей среды или другой системы полностью изолирующей адиабатической перегородкой. В этом случае взаимодействие систем друг с другом полностью отсутствует. Другой предельный случай – диатермическая перегородка, которая совершенно не препятствует тепловому взаимодействию систем.

При тепловом контакте две системы приходят в состояние теплового равновесия.

Две системы находятся в состоянии теплового равновесия, если при контакте через диатермическую перегородку параметры состояния обеих систем не изменяются.

Нулевой закон термодинамики (закон теплового равновесия):

Две системы, находящиеся в тепловом равновесии с третьей системой, находятся в тепловом равновесии друг с другом.

Температура — одно из основных понятий, играющих важную роль не только в термодинамике, но и в физике в целом.

По определению две системы, находящиеся в тепловом равновесии, обладают одинаковой температурой.

Температура тела — физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Если две системы, находящиеся при разных температурах, привести в тепловой контакт, то между ними происходит передача тепловой энергии, пока не установится тепловое равновесие и температуры не станут одинаковыми. Энергия, переносимая от одной системы к другой только за счет разницы в температурах этих систем, называется количеством теплоты.

Принятое обозначение для количества теплоты: Q, [Q] = Дж.

Следует помнить, что неправильно говорить о количестве теплоты, содержащейся в системе. Можно говорить только о количестве теплоты, которая добавляется к системе или извлекается из нее.

Существуют три способа передачи количества теплоты от одного тела к другому: теплопроводность, конвекция и излучение. Направление теплообмена определяется разностью температур между телами. Теплота при теплообмене всегда передается от более горячего тела к более холодному.

В состоянии теплового равновесия температуры двух систем, содержащих некоторые объемы идеальных газов (необязательно одного сорта), по определению одинаковы:

Т₁ = Т₂.

Но, как следует из основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеальных газов, в состоянии теплового равновесия должны быть одинаковы средние кинетические энергии молекул газов: <Е₁> = <Е₂>.

Действительно, 2<Е>/3 = р/n = pV/N, а в состоянии равновесия давления и плотности газов должны быть одинаковы. Это дает возможность выбрать <Е> за меру температуры идеального газа.

Высказанная гипотеза проверяется экспериментально. Например, если несколько сосудов, снабженных манометрами и заполненных известными количествами разных газов, поместить в термостат (внешнюю среду, поддерживаемую при постоянной температуре: например, термостатом может быть достаточное количество тающего льда), то отношение pV/N = Q для всех газов будет одинаковым, если только газы достаточно разрежены (близки к идеальным). В принципе, величину Q можно назвать температурой. Заметим, что [Q] = Дж, т.е. при таком определении температура измеряется в энергетических единицах.

Абсолютная температура Т вводится определением

Q = kT (1)

Тогда из формулы pV/N = kT следует, что Т≥0, так как все величины в левой части этого равенства существенно положительны.

Предельная температура – абсолютный нуль – соответствует обращению в нуль давления идеального газа при фиксированном объеме.

Коэффициент k в формуле, связывающей температуру в кельвинах Т с температурой в энергетических единицах Q, называется постоянной Больцмана (в честь Л. Больцмана):

k = 1,38·10^–23 Дж/К.

Связь кинетической энергии молекул газа с абсолютной температурой:

pV/N = kT = 2<Е>/3, откуда

(2)

Таким образом, температура есть мера средней кинетической энергии молекул газа.

В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960) в настоящее время можно применять только две температурные шкалы — термодинамическую и Международную практическую,— градуированные соответственно в Кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С).

Рисунок 1 Температурные шкалы Кельвина, Цельсия, Фарингейта и формулы для пересчёта значений температуры из одной шкалы в другую

В Международной практической шкале температура замерзания и кипения воды при давлении 1,013·10⁵ Па принимается равной соответственно 0 и 100 °С (так называемые реперные точки).

Термодинамическая температурная шкала используется в физике с 1954 г. Эта шкала определяется по одной реперной точке, в качестве которой взята тройная точка воды (температура, при которой лед, вода и насыщающий пар при давлении 609 Па находятся в термодинамическом равновесии). Температура но точки по термодинамической шкале равно 273,16 К (точно). Градус Цельсия равен Кельвину. В термодинамической шкале температура замерзания воды равна 273,15 К (при том же давлении, что и Международной практической шкале), по этому, по определению, термодинамическая температура и температура и Международной практической шкале связаны соотношением Т = 273,15 + t. Температура Т = 0 называется нулем кельвина. Анализ различных процессов показывает что нуль кельвин недостижим, хотя приближение к нему сколь угодно близко возможно.

Удельный объем υ — величина, равна отношению объема V тела к его маccе m Когда тело однородно, т. е. его плотности ρρ = соnst, то υ = V/m = 1/ρ. Так как при постоянной массе удельный объем пропорционален общему объему, то макроскопические свойства однородного тела можно характеризовать общим объемом тела.

Параметры состояния системы могут изменяться. Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее термодинамических параметров, называется термодинамическим процессом. Макроскопическая система находится в термодинамическом равновесии, если ее состояние течением времени не меняется (предполагается, что внешние условия рассматриваемой системы при этом не изменяются).