Mga pangunahing formula ng molecular physics at thermodynamics. Mga batas ng thermodynamics at ang kanilang paglalarawan Thermodynamics mga pangunahing batas at pormula ng pisika

Kung, bilang isang resulta ng pagpapalitan ng init, ang isang tiyak na halaga ng init ay inilipat sa katawan, kung gayon ang panloob na enerhiya ng katawan at ang temperatura nito ay nagbabago. Dami ng init Q na kinakailangan upang magpainit ng 1 kg ng isang sangkap sa pamamagitan ng 1 K ay tinatawag na tiyak kapasidad ng init ng isang sangkap c. Pagkatapos dami ng init(enerhiya) na kinakailangan upang baguhin ang temperatura ng isang tiyak na katawan ng masa m maaaring kalkulahin gamit ang formula:

Bukod dito, sa formula na ito ay ganap na hindi mahalaga kung aling mga yunit ang pinapalitan ang temperatura, dahil ang mahalaga sa amin ay hindi ang ganap na halaga nito, ngunit ang pagbabago. Yunit ng pagsukat ng tiyak na kapasidad ng init ng isang sangkap: J/(kg∙K).

• Kung t 2 > t 1, pagkatapos Q> 0 – umiinit ang katawan (nakakatanggap ng init).
• Kung t 2 < t 1, pagkatapos Q < 0 – тело охлаждается (отдает тепло).

Ang produkto ng masa ng isang katawan at ang tiyak na kapasidad ng init ng sangkap kung saan ito ginawa ay tinatawag kapasidad ng init ng katawan(ibig sabihin, simpleng kapasidad ng init na walang salitang "tiyak"):

Kung ang pahayag ng problema ay nagsasabi tungkol sa kapasidad ng init ng isang katawan, kung gayon ang dami ng init na ibinigay o natanggap ng katawan na ito ay maaaring kalkulahin gamit ang formula:

Kaya tandaan:

• Ang partikular na kapasidad ng init ay itinalaga ng isang maliit na titik c, at isang katangian ng isang sangkap.
• (Simple) Ang kapasidad ng init ay tinutukoy ng malaking titik C, at isang katangian ng isang partikular na katawan.

Alalahanin na ang dami ng init Q na ibinigay ng anumang pinagmulan (heater) ay kinakalkula ng formula: Q = Pt, Saan: P- pinagmumulan ng kapangyarihan, t– panahon kung saan ang pinagmulan ay nagbigay ng init. Kapag nilulutas ang mga problema, huwag malito ang oras ng pagpapatakbo ng pinagmulan at temperatura.

Mga pagbabago sa yugto

Yugto ng sangkap ay tinatawag na isang homogenous na sistema, halimbawa, isang solidong katawan, ang mga pisikal na katangian na kung saan ay pareho sa lahat ng mga punto. Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, mayroong malinaw na tinukoy na interface (ibabaw) sa pagitan ng iba't ibang phase ng isang substance. Kapag nagbago ang mga panlabas na kondisyon (temperatura, presyon, electric at magnetic field), maaaring magbago ang isang sangkap mula sa isang yugto patungo sa isa pa. Ang ganitong mga proseso ay tinatawag na phase transformations (transitions).

Ang proseso ng phase transition mula sa likido hanggang sa gas na estado ( pagsingaw) o mula sa solid hanggang likido ( natutunaw) ay maaaring mangyari lamang kapag ang isang tiyak na halaga ng init ay ibinibigay sa sangkap. Reverse phase transition ( paghalay At pagkikristal, o pagpapatigas) ay sinamahan ng pagpapalabas ng parehong dami ng init.

Ang dami ng init na pumapasok o umaalis sa isang sistema ay nagbabago sa panloob na enerhiya nito. Nangangahulugan ito na ang panloob na enerhiya ng singaw sa 100°C ay mas malaki kaysa sa likido sa parehong temperatura. Ang mga phase transition na ito ay nangyayari sa pare-parehong temperatura, na tinatawag na boiling point at melting point, ayon sa pagkakabanggit. Ang halaga ng init na kinakailangan upang mapalitan ang isang likido sa singaw o inilabas ng singaw sa panahon ng paghalay ay tinatawag na init ng singaw:

saan: r – tiyak na init ng singaw. Yunit [ r] = 1 J/kg. Ang pisikal na kahulugan ng tiyak na init ng pagsingaw: ito ay katumbas ng halaga ng init na kinakailangan upang ma-convert ang 1 kg ng likido sa kumukulong punto sa singaw. Ang paggawa ng likido sa singaw ay hindi nangangailangan ng pagpapakulo ng likido. Ang tubig ay maaaring maging singaw kahit na sa temperatura ng silid. Ang prosesong ito ay tinatawag pagsingaw.

Ang dami ng init na kinakailangan upang matunaw ang isang katawan o ilalabas sa panahon ng pagkikristal (solidification) ay tinatawag na init ng pagsasanib:

saan: λ – tiyak na init ng pagsasanib. Yunit [ λ ] = 1 J/kg. Ang pisikal na kahulugan ng tiyak na init ng pagsasanib: ang init na kinakailangan upang matunaw ang 1 kg ng isang sangkap sa punto ng pagkatunaw nito. Ang mga tiyak na init ng singaw at pagtunaw ay tinatawag ding mga latent heat, dahil sa panahon ng mga phase transition ang temperatura ng system ay hindi nagbabago, sa kabila ng katotohanan na ang init ay ibinibigay dito.

Pakitandaan na sa panahon ng mga phase transition ang temperatura ng system ay hindi nagbabago. At din na ang mga phase transition ay nagsisimula lamang pagkatapos maabot ang kinakailangang temperatura.

Ang pinakakaraniwang pinagkukunan ng enerhiya para sa mga pangangailangan ng tao ay gasolina - isang sangkap na ang pagkasunog ay naglalabas ng isang tiyak na halaga ng init. Ang dami ng init na inilabas sa panahon ng pagkasunog ng masa ng gasolina m, tinawag init ng pagkasunog ng gasolina:

saan: q – tiyak na init ng pagkasunog(calorific value, calorific value) ng gasolina. Yunit [ q] = 1 J/kg. Ang pisikal na kahulugan ng tiyak na init ng pagkasunog ng gasolina: isang halaga na nagpapakita kung gaano karaming init ang inilabas sa panahon ng kumpletong pagkasunog ng 1 kg ng gasolina.

Equation ng Balanse ng init

Alinsunod sa batas ng konserbasyon ng enerhiya para sa isang saradong sistema ng mga katawan kung saan walang pagbabagong enerhiya ang nagaganap maliban sa pagpapalitan ng init, ang dami ng init na ibinibigay ng mas maiinit na katawan ay katumbas ng dami ng init na natanggap ng mas malamig. Humihinto ang pagpapalitan ng init sa isang estado ng thermodynamic equilibrium, i.e. kapag ang temperatura ng lahat ng mga katawan sa sistema ay naging pareho. Bumuo tayo ng equation ng balanse ng init: sa isang saradong sistema ng mga katawan, ang algebraic na kabuuan ng mga halaga ng init na ibinigay at natanggap ng lahat ng mga katawan na lumalahok sa pagpapalitan ng init ay katumbas ng zero:

Kapag ginagamit ang form na ito ng pagsulat ng equation ng balanse ng init, upang maiwasang magkamali, tandaan: kapag kinakalkula mo ang init kapag nagpainit o nagpapalamig ng katawan, kailangan mong ibawas ang mas mababang temperatura mula sa mas mataas na temperatura upang ang init ay palaging positibo. Kung ang lahat ng init ay isinulat na isinasaalang-alang ang tanda, kung saan ang "+" ay tumutugma sa pagtanggap ng enerhiya ng katawan, at "-" sa paglabas, kung gayon ang equation ng balanse ng init ay maaaring isulat bilang:

Kapag ginagamit ang form na ito ng pag-record, dapat mong palaging ibawas ang paunang temperatura mula sa huling temperatura. Sa pamamaraang ito, ang tanda ng kanilang pagkakaiba ay "ipapakita" mismo kung ang katawan ay nagbibigay o tumatanggap ng init.

Tandaan mo yan ang katawan ay sumisipsip ng init kung nangyayari:

• Pagpainit,
• natutunaw,
• Pagsingaw.

Ang katawan ay nagbibigay ng init kung nangyayari:

• Paglamig,
• Pagkikristal,
• Kondensasyon,
• Pagkasunog ng gasolina.

Nasa paksang ito na makatuwiran na hindi malutas ang mga problema sa isang pangkalahatang anyo, ngunit agad na palitan ang mga numero.

Mutual na pagbabago ng mekanikal at panloob na enerhiya

Sa panahon ng hindi nababanat na mga epekto, ang mekanikal na enerhiya ay bahagyang o ganap na nagbabago sa panloob na enerhiya ng mga katawan, iyon ay, ang mga katawan ay maaaring uminit at matunaw. Sa pangkalahatan, ang pagbabago sa mekanikal na enerhiya ay katumbas ng dami ng init na inilabas.

Tamang gawain sa gas

Thermodynamics ay ang agham ng thermal phenomena. Sa kaibahan sa molecular kinetic theory, na kumukuha ng mga konklusyon batay sa mga ideya tungkol sa molekular na istraktura ng bagay, ang thermodynamics ay batay sa pinaka-pangkalahatang mga batas ng mga thermal na proseso at mga katangian ng macroscopic system. Ang mga konklusyon ng thermodynamics ay batay sa isang hanay ng mga eksperimentong katotohanan at hindi nakasalalay sa ating kaalaman sa panloob na istraktura ng bagay, bagaman sa ilang mga kaso ang thermodynamics ay gumagamit ng mga molecular kinetic na modelo upang ilarawan ang mga konklusyon nito.

Isinasaalang-alang ng Thermodynamics ang mga nakahiwalay na sistema ng mga katawan sa isang estado thermodynamic equilibrium. Nangangahulugan ito na sa naturang mga sistema ang lahat ng mga nakikitang macroscopic na proseso ay tumigil. Ang isang mahalagang katangian ng isang thermodynamically equilibrium system ay ang pagkakapantay-pantay ng temperatura ng lahat ng bahagi nito.

Kung ang isang thermodynamic system ay sumailalim sa mga panlabas na impluwensya, sa kalaunan ay lilipat ito sa isa pang estado ng balanse. Ang paglipat na ito ay tinatawag na prosesong thermodynamic. Kung ang proseso ay nagpapatuloy nang dahan-dahan (sa limitasyon na walang katapusan na mabagal), kung gayon ang sistema sa bawat sandali ng oras ay lumalabas na malapit sa isang estado ng balanse. Tinatawag ang mga prosesong binubuo ng pagkakasunod-sunod ng mga estado ng ekwilibriyo parang static(o parang nakatigil, isa pang pangalan para sa mga naturang proseso ay punto ng balanse).

Sa isang prosesong isobaric perpektong gawain sa gas maaaring kalkulahin gamit ang mga formula:

Muli nating bigyang-diin: ang pagpapalawak ng isang gas ay maaaring kalkulahin gamit ang mga formula na ito lamang kung ang presyon ay pare-pareho. Ayon sa pormula na ito, kapag lumalawak, ang isang gas ay gumagawa ng positibong trabaho, at kapag nag-compress, negatibong gawain (ibig sabihin, ang gas ay lumalaban sa compression at dapat gawin ito para maganap ito).

Dahil sa katotohanan na ang gawain ng gas ay katumbas ng numero sa lugar sa ilalim ng graph, nagiging malinaw na ang dami ng trabaho ay depende sa kung anong uri ng proseso ang naganap, dahil ang bawat proseso ay may sariling graph, at ang sarili nitong lugar sa ilalim ito. Kaya, ang trabaho ay nakasalalay hindi lamang at hindi gaanong sa paunang at panghuling estado ng gas, ngunit sa proseso kung saan nakamit ang pangwakas na estado.

Panloob na enerhiya

Ang isa sa pinakamahalagang konsepto ng thermodynamics ay panloob na enerhiya mga katawan. Ang lahat ng mga macroscopic na katawan ay may enerhiya na nakapaloob sa loob ng mga katawan mismo. Mula sa punto ng view ng molecular kinetic theory, ang panloob na enerhiya ng isang sangkap ay binubuo ng kinetic energy ng lahat ng mga atomo at molekula at ang potensyal na enerhiya ng kanilang pakikipag-ugnayan sa isa't isa. Sa partikular, ang panloob na enerhiya ng isang perpektong gas ay katumbas ng kabuuan ng mga kinetic energies ng lahat ng mga particle ng gas sa tuluy-tuloy at random na thermal motion. Ang panloob na enerhiya ng isang perpektong gas ay nakasalalay lamang sa temperatura nito at hindi nakasalalay sa dami nito. Panloob na enerhiya Ang monatomic ideal gas ay kinakalkula gamit ang mga formula:

Kaya, ang panloob na enerhiya U ang katawan ay natatanging tinutukoy ng mga macroscopic na parameter na nagpapakilala sa estado ng katawan. Hindi ito nakasalalay sa kung paano natanto ang estadong ito. Karaniwang sinasabi na ang panloob na enerhiya ay isang function ng estado. Nangangahulugan ito na ang pagbabago sa panloob na enerhiya ay hindi nakasalalay sa kung paano inilipat ang sistema mula sa isang estado patungo sa isa pa (ngunit nakasalalay lamang sa mga katangian ng mga paunang at panghuling estado) at palaging, sa anumang proseso para sa isang monatomic ideal na gas, natutukoy. sa pamamagitan ng expression:

Tandaan: ang formula na ito ay totoo lamang para sa isang monatomic gas, ngunit ito ay naaangkop sa lahat ng mga proseso (at hindi lamang sa isobaric, tulad ng formula para sa trabaho). Tulad ng makikita mula sa formula, kung ang temperatura ay hindi nagbabago, kung gayon ang panloob na enerhiya ay nananatiling pare-pareho.

Unang batas ng thermodynamics

Kung ang system ay nagpapalitan ng init sa mga nakapalibot na katawan at gumagana (positibo o negatibo), ang estado ng system ay nagbabago, iyon ay, ang mga macroscopic na parameter nito (temperatura, presyon, dami) ay nagbabago. Dahil panloob na enerhiya U ay natatanging tinutukoy ng mga macroscopic na parameter na nagpapakilala sa estado ng system, sumusunod na ang mga proseso ng pagpapalitan ng init at trabaho ay sinamahan ng pagbabago sa Δ U panloob na enerhiya ng system.

Ang unang batas (simula) ng thermodynamics ay isang paglalahat ng batas ng konserbasyon at pagbabago ng enerhiya para sa isang thermodynamic system. Ito ay binabalangkas tulad ng sumusunod: Baguhin ang Δ U panloob na enerhiya ng isang hindi nakahiwalay na thermodynamic system ay katumbas ng pagkakaiba sa pagitan ng dami ng init Q, inilipat sa system, at ang trabaho A, isang perpektong sistema sa mga panlabas na katawan. Gayunpaman, ang relasyon na nagpapahayag ng unang batas ng thermodynamics ay madalas na nakasulat sa isang bahagyang naiibang anyo:

Ang dami ng init na natanggap ng system ay napupunta upang baguhin ang panloob na enerhiya nito at magsagawa ng trabaho sa mga panlabas na katawan (ang pagbabalangkas na ito ay mas maginhawa at naiintindihan; sa form na ito ay medyo halata na ito ay simpleng batas ng konserbasyon ng enerhiya).

Ang unang batas ng thermodynamics ay isang paglalahat ng mga eksperimentong katotohanan. Ayon sa batas na ito, ang enerhiya ay hindi maaaring likhain o sirain; ito ay ipinapadala mula sa isang sistema patungo sa isa pa at binago mula sa isang anyo patungo sa isa pa. Ang isang mahalagang kinahinatnan ng unang batas ng thermodynamics ay ang pahayag na imposibleng lumikha ng isang makina na may kakayahang magsagawa ng kapaki-pakinabang na gawain nang hindi kumukonsumo ng enerhiya mula sa labas at walang anumang mga pagbabago sa loob ng makina mismo. Ang nasabing hypothetical machine ay tinawag na perpetual motion machine (perpetuum mobile) ng unang uri. Maraming mga pagtatangka na lumikha ng naturang makina ay palaging nauwi sa kabiguan. Ang anumang makina ay maaaring gumawa ng positibong trabaho A sa itaas ng mga panlabas na katawan lamang dahil sa pagtanggap ng isang tiyak na halaga ng init Q mula sa mga nakapalibot na katawan o bumababa Δ U iyong panloob na enerhiya.

Adiabatic (adiabatic) ay isang proseso kung saan ang isang sistema ay hindi nakikipagpalitan ng init sa kapaligiran. Sa isang prosesong adiabatic Q= 0. Samakatuwid: Δ U + A= 0, iyon ay: A = – Δ U. Gumagana ang gas sa pamamagitan ng pagbabawas ng sarili nitong panloob na enerhiya.

Unang batas ng thermodynamics at isoprocesses

Para sa iba't ibang isoprocesses, maaaring isulat ang mga formula kung saan maaaring kalkulahin ang nagresultang init Q, pagbabago sa panloob na enerhiya Δ U at gawaing pang-gas A. Isochoric na proseso ( V= const):

Isobaric na proseso ( p= const):

Isothermal na proseso ( T= const):

Proseso ng Adiabatic ( Q = 0):

Kung ang problema ay hindi tahasang nagsasabi na ang gas ay monatomic (o isa sa mga inert na gas, halimbawa, helium, ay hindi pinangalanan), kung gayon ang mga formula mula sa seksyong ito ay hindi maaaring gamitin.

Mga cycle. Mga thermal machine

Ang isang heat engine ay isang aparato na may kakayahang i-convert ang natanggap na dami ng init sa mekanikal na trabaho. Ang mekanikal na gawain sa mga heat engine ay ginagawa sa proseso ng pagpapalawak ng isang sangkap na tinatawag na working fluid. Ang mga gaseous substance (gasolina vapor, hangin, water vapor) ay kadalasang ginagamit bilang working fluid. Ang gumaganang likido ay tumatanggap (o naglalabas) ng thermal energy sa proseso ng pagpapalitan ng init sa mga katawan na may malaking supply ng panloob na enerhiya. Ang mga katawan na ito ay tinatawag na mga thermal reservoir.

Ang totoong buhay na mga makina ng init (mga makina ng singaw, mga makina ng panloob na pagkasunog, atbp.) ay tumatakbo nang paikot. Ang proseso ng paglipat ng init at pag-convert ng nagresultang dami ng init sa trabaho ay paulit-ulit na pana-panahon. Upang gawin ito, ang gumaganang likido ay dapat sumailalim sa isang pabilog na proseso o thermodynamic cycle, kung saan ang orihinal na estado ay pana-panahong naibalik.

Ang isang karaniwang pag-aari ng lahat ng mga proseso ng pabilog ay hindi sila maaaring isagawa sa pamamagitan ng pagdadala ng gumaganang likido sa thermal contact na may isang thermal reservoir lamang. Kailangan mo ng hindi bababa sa dalawa sa kanila. Ang thermal reservoir na may mas mataas na temperatura ay tinatawag pampainit, at may mas mababang isa – refrigerator. Ang pagsasagawa ng isang pabilog na proseso, ang gumaganang likido ay tumatanggap ng isang tiyak na halaga ng init mula sa pampainit Q 1 > 0 at inililipat ang dami ng init sa refrigerator Q 2 < 0.

Ang kahusayan ng makina ng init maaaring kalkulahin gamit ang formula:

saan: Q 1 - dami ng init na natanggap ng gumaganang likido sa isang cycle mula sa heater, Q 2 – ang dami ng init na inilipat ng working fluid sa refrigerator sa isang cycle. Trabaho na ginawa ng isang heat engine sa isang cycle:

Ang koepisyent ng kahusayan ay nagpapahiwatig kung gaano karami ng thermal energy na natanggap ng gumaganang likido mula sa "mainit" na thermal reservoir ay na-convert sa kapaki-pakinabang na trabaho. Ang natitira (1 – η ) ay "walang silbi" na ibinigay sa refrigerator. Ang kahusayan ng isang heat engine ay palaging mas mababa kaysa sa pagkakaisa ( η < 1).

Pinakamataas na kahusayan sa ibinigay na temperatura ng pampainit T 1 at refrigerator T 2, ay nakakamit kung ang heat engine ay nagpapatakbo ayon sa Ikot ng Carnot. Ang Carnot cycle ay binubuo ng dalawang isotherms at dalawang adiabats. Carnot cycle na kahusayan ay katumbas ng:

Pangalawang batas (pangalawang batas) ng thermodynamics

Ang unang batas ng thermodynamics ay hindi nagtatatag ng direksyon ng mga thermal na proseso. Gayunpaman, tulad ng ipinapakita ng karanasan, maraming mga thermal na proseso ang maaari lamang mangyari sa isang direksyon. Ang ganitong mga proseso ay tinatawag na irreversible. Halimbawa, sa panahon ng thermal contact ng dalawang katawan na may magkakaibang temperatura, ang daloy ng init ay palaging nakadirekta mula sa mas mainit na katawan patungo sa mas malamig. Walang kusang proseso ng paglipat ng init mula sa isang katawan na may mababang temperatura patungo sa isang katawan na may mas mataas na temperatura. Dahil dito, ang proseso ng paglipat ng init sa isang may hangganang pagkakaiba sa temperatura ay hindi maibabalik.

Mga nababaligtad na proseso ay ang mga proseso ng paglipat ng isang sistema mula sa isang estado ng balanse patungo sa isa pa, na maaaring isagawa sa kabaligtaran ng direksyon sa pamamagitan ng parehong pagkakasunud-sunod ng mga intermediate na estado ng ekwilibriyo. Sa kasong ito, ang sistema mismo at ang mga nakapalibot na katawan ay bumalik sa kanilang orihinal na estado.

Hindi maibabalik ay ang mga proseso ng pag-convert ng mekanikal na gawain sa panloob na enerhiya ng isang katawan dahil sa pagkakaroon ng friction, mga proseso ng pagsasabog sa mga gas at likido, mga proseso ng paghahalo ng gas sa pagkakaroon ng isang paunang pagkakaiba sa presyon, atbp. Ang lahat ng mga tunay na proseso ay hindi na mababawi, ngunit maaari nilang lapitan ang mga nababagong proseso nang malapit sa ninanais. Ang mga nababalikang proseso ay mga ideyalisasyon ng mga tunay na proseso.

Ang unang batas ng thermodynamics ay hindi maaaring makilala ang nababaligtad na mga proseso mula sa mga hindi maibabalik. Nangangailangan lamang ito ng isang tiyak na balanse ng enerhiya mula sa isang thermodynamic na proseso at hindi nagsasabi ng anuman tungkol sa kung ang naturang proseso ay posible o hindi. Ang direksyon ng mga kusang nagaganap na proseso ay itinatag ng pangalawang batas ng thermodynamics. Maaari itong mabuo sa anyo ng pagbabawal sa ilang uri ng mga prosesong thermodynamic.

Ang Ingles na physicist na si W. Kelvin ay nagbigay ng sumusunod na pormulasyon ng ikalawang batas noong 1851: Sa isang cyclically operating heat engine, imposible ang isang proseso, ang tanging resulta nito ay ang conversion sa mekanikal na gawain ng buong dami ng init na natanggap mula sa isang nag-iisang reservoir ng init.

Ang hypothetical heat engine kung saan maaaring mangyari ang ganitong proseso ay tinatawag na "perpetual motion machine ng pangalawang uri." Tulad ng dapat na maging malinaw, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nagbabawal sa pagkakaroon ng naturang makina.

Ang German physicist na si R. Clausius ay nagbigay ng isa pang pagbabalangkas ng ikalawang batas ng thermodynamics: Ang isang proseso ay imposible, ang tanging resulta nito ay ang paglipat ng enerhiya sa pamamagitan ng pagpapalitan ng init mula sa isang katawan na may mababang temperatura patungo sa isang katawan na may mas mataas na temperatura. Dapat pansinin na ang parehong mga pormulasyon ng pangalawang batas ng thermodynamics ay katumbas.

Mga kumplikadong problema sa thermodynamics

Kapag nilulutas ang iba't ibang hindi karaniwang mga problema sa thermodynamics, ang mga sumusunod na tala ay dapat isaalang-alang:

• Upang mahanap ang gawaing ginawa ng isang perpektong gas, kinakailangan na bumuo ng isang graph ng proseso sa mga coordinate p(V) at hanapin ang lugar ng figure sa ilalim ng graph. Kung ang isang graph ng proseso ay ibinigay sa mga coordinate p(T) o V(T), pagkatapos ito ay unang muling itinayo sa mga coordinate p(V). Kung ang kundisyon ay tumutukoy ng isang mathematical na relasyon sa pagitan ng mga parameter ng gas, pagkatapos ay hanapin muna ang kaugnayan sa pagitan ng presyon at volume, at pagkatapos ay bumuo ng isang graph p(V).
• Ginagamit ang batas ni Dalton upang mahanap ang gawaing ginawa ng pinaghalong mga gas.
• Kapag pinagsasama ang mga thermally insulated vessel, ang panloob na enerhiya ng buong sistema ay hindi dapat magbago, i.e. Sa pamamagitan ng kung gaano karaming mga joules ang panloob na enerhiya ng isang gas ay tumataas sa isang lalagyan, sa pamamagitan ng kung gaano ito bumababa sa isa pa.
• Sa pangkalahatan, ang presyon at temperatura ng isang gas ay masusukat lamang sa isang estado ng thermodynamic equilibrium, kapag ang presyon at temperatura sa lahat ng mga punto ng sisidlan ay pareho. Ngunit may mga sitwasyon kung ang presyon ay pareho sa lahat ng mga punto, ngunit ang temperatura ay hindi. Ito ay maaaring resulta ng iba't ibang konsentrasyon ng mga molekula sa iba't ibang bahagi ng sisidlan (suriin ang formula: p = nkT).
• Minsan kinakailangan na gumamit ng kaalaman mula sa mechanics sa mga problema sa thermodynamics.

Pagkalkula ng kahusayan sa pag-ikot ayon sa iskedyul

Ang mga problema ng paksang ito ay nararapat na itinuturing na isa sa pinakamahirap na problema sa thermodynamics. Kaya, upang malutas kailangan mong, una, i-convert ang graph ng proseso sa p(V) – mga coordinate. Pangalawa, kinakailangang kalkulahin ang gawain ng gas bawat cycle. Ang kapaki-pakinabang na gawain ay katumbas ng lugar ng figure sa loob ng graph ng cyclic na proseso sa mga coordinate p(V). Pangatlo, kinakailangang malaman kung saan natatanggap ang gas at kung saan ito naglalabas ng init. Upang gawin ito, tandaan ang unang batas ng thermodynamics. Ang panloob na enerhiya ng isang perpektong gas ay nakasalalay lamang sa temperatura nito, at ang trabaho ay nakasalalay sa dami nito. kaya lang, ang gas ay tumatanggap ng init, Kung:

• Parehong pagtaas ng temperatura at dami nito;
• Ang dami ay tumataas, ngunit ang temperatura ay nananatiling pare-pareho;
• Ang temperatura ay tumataas, ngunit ang dami ay nananatiling pare-pareho.

Ang gas ay nagbibigay ng init, Kung:

• Parehong bumababa ang temperatura at dami nito;
• Ang lakas ng tunog ay bumababa, ngunit ang temperatura ay nananatiling pare-pareho;
• Bumababa ang temperatura, ngunit ang volume ay nananatiling pare-pareho.

Kung ang isa sa mga parameter ay tumaas at ang iba ay bumababa, upang maunawaan kung ang gas ay nagbibigay ng init o natatanggap ito, kinakailangan upang direktang kalkulahin ang init gamit ang unang batas ng thermodynamics at tingnan ang tanda nito. Positibong init - tinatanggap ito ng gas. Negatibo - nagbibigay.

Ang unang uri ng mga gawain. SA p(V) - mga coordinate, ang cycle graph ay isang figure na may madaling kalkulahin na lugar, at ang gas ay tumatanggap ng init sa isochoric at isobaric na proseso. Ilapat ang formula:

Pakitandaan na ang denominator ay naglalaman lamang ng init na natanggap ng gas sa isang cycle, iyon ay, init lamang sa mga proseso kung saan natanggap ito ng gas.

Pangalawang uri ng mga gawain. SA p(V) – mga coordinate, ang cycle graph ay isang figure na may madaling kalkulahin na lugar, at ang gas ay nagbibigay ng init sa isochoric at isobaric na proseso. Ilapat ang formula:

Pakitandaan na ang denominator ay naglalaman lamang ng init na ibinibigay ng gas sa isang cycle, iyon ay, init lamang sa mga proseso kung saan ito binigay ng gas.

Ikatlong uri ng mga gawain. Ang gas ay hindi tumatanggap ng init sa isochoric o isobaric na mga proseso na maginhawa para sa pagkalkula sa cycle ay may mga isotherms o adiabats, o "hindi" na mga proseso. Ilapat ang formula:

Mga katangian ng mga singaw. Humidity

Anumang substance sa ilalim ng ilang partikular na kundisyon ay maaaring nasa iba't ibang estado ng pagsasama-sama - mahirap, likido At puno ng gas. Ang paglipat mula sa isang estado patungo sa isa pa ay tinatawag phase transition. Ang evaporation at condensation ay mga halimbawa ng phase transition.

Pagsingaw tinatawag na phase transition mula sa isang likido patungo sa isang gas na estado. Mula sa punto ng view ng molecular kinetic theory, ang evaporation ay isang proseso kung saan ang pinakamabilis na molekula ay lumilipad mula sa ibabaw ng isang likido, ang kinetic energy na kung saan ay lumampas sa enerhiya ng kanilang koneksyon sa natitirang mga molekula ng likido. Ito ay humahantong sa isang pagbawas sa average na kinetic energy ng natitirang mga molekula, iyon ay, sa paglamig ng likido (kung walang supply ng enerhiya mula sa mga nakapalibot na katawan).

Pagkondensasyon- Ito ang kabaligtaran na proseso ng pagsingaw. Sa panahon ng paghalay, ang mga molekula ng singaw ay bumalik sa likido.

Sa isang saradong sisidlan, ang likido at ang singaw nito ay maaaring nasa isang estado ng dynamic na equilibrium, i.e. ang bilang ng mga molecule na umaalis sa likido ay katumbas ng bilang ng mga molekula na bumabalik sa likido mula sa singaw, nangangahulugan ito na ang mga rate ng pagsingaw at mga proseso ng condensation ay pareho. Ang ganitong sistema ay tinatawag dalawang yugto. Ang singaw na nasa ekwilibriyo kasama ang likido nito ay tinatawag mayaman.

Ang saturated steam ay may pinakamataas na: presyon, konsentrasyon, density sa isang naibigay na temperatura. Nakasalalay lamang sila sa temperatura ng puspos na singaw, ngunit hindi sa dami nito.

Nangangahulugan ito na kung isinara namin ang sisidlan hindi sa isang takip, ngunit may isang piston, at pagkatapos na maging puspos ang singaw, sinimulan naming i-compress ito, kung gayon ang presyon, density at konsentrasyon ng singaw ay hindi magbabago. Upang maging mas tumpak, ang presyon, density at konsentrasyon ay tataas sa maikling panahon, at ang singaw ay magiging supersaturated. Ngunit kaagad na ang bahagi ng singaw ay magiging tubig, at ang mga parameter ng singaw ay magiging pareho. Kung itataas mo ang piston, ang singaw ay hindi na puspos. Gayunpaman, dahil sa pagsingaw, ito ay magiging puspos muli pagkatapos ng ilang oras. Dapat itong isaalang-alang dito na kung walang tubig sa ilalim ng sisidlan o may kaunti nito, kung gayon ang pagsingaw na ito ay maaaring hindi sapat para sa singaw na maging puspos muli.

• Ang pariralang: "Sa isang saradong sisidlan na may tubig..." ay nangangahulugan na mayroong puspos na singaw sa ibabaw ng tubig.
• Ang pagbagsak ng hamog ay nangangahulugan na ang singaw ay nagiging puspos.

Ganap na kahalumigmigan ρ tawagan ang dami ng singaw ng tubig na nasa 1 m 3 ng hangin (i.e. simpleng density ng singaw ng tubig; ang ratio ng masa sa dami ay ipinahayag mula sa Clapeyron-Mendeleev equation at ang sumusunod na formula ay nakuha):

saan: R- bahagyang presyon ng singaw ng tubig, M- molar mass, R- pangkalahatang gas constant, T- ganap na temperatura. SI unit ng absolute humidity [ ρ ] = 1 kg/m3, bagaman karaniwang ginagamit ang 1 g/m3.

Kamag-anak na kahalumigmigan φ tinatawag na absolute humidity ratio ρ sa dami ng singaw ng tubig ρ 0, na kinakailangan upang mababad ang 1 m3 ng hangin sa isang naibigay na temperatura:

Ang kamag-anak na kahalumigmigan ay maaari ding tukuyin bilang ratio ng presyon ng singaw ng tubig R sa puspos na presyon ng singaw R 0 sa isang naibigay na temperatura:

Ang pagsingaw ay maaaring mangyari hindi lamang mula sa ibabaw, kundi pati na rin sa bulk ng likido. Ang mga likido ay laging naglalaman ng maliliit na bula ng gas. Kung ang presyon ng singaw ng isang likido ay katumbas o mas malaki kaysa sa panlabas na presyon (iyon ay, ang presyon ng gas sa mga bula), ang likido ay sumingaw sa mga bula. Ang mga bula na puno ng singaw ay lumalawak at lumutang sa ibabaw. Ang prosesong ito ay tinatawag kumukulo. Kaya, ang pagkulo ng isang likido ay nagsisimula sa isang temperatura kung saan ang presyon ng puspos na singaw nito ay nagiging katumbas ng panlabas na presyon.

Sa partikular, sa normal na presyon ng atmospera, kumukulo ang tubig sa temperaturang 100°C. Nangangahulugan ito na sa temperatura na ito ang presyon ng saturated water vapor ay 1 atm. Mahalagang malaman na ang kumukulo na punto ng isang likido ay nakasalalay sa presyon. Ang isang likido ay hindi maaaring kumulo sa isang ermetikong selyadong sisidlan, dahil... Sa bawat halaga ng temperatura, ang equilibrium ay itinatag sa pagitan ng likido at ang puspos na singaw nito.

Pag-igting sa ibabaw

Ang mga molekula ng isang sangkap sa isang likidong estado ay matatagpuan halos malapit sa isa't isa. Hindi tulad ng mga solidong mala-kristal na katawan, kung saan ang mga molekula ay bumubuo ng mga nakaayos na istruktura sa buong volume ng kristal at maaaring magsagawa ng mga thermal vibrations sa paligid ng mga nakapirming sentro, ang mga likidong molekula ay may higit na kalayaan. Ang bawat molekula ng isang likido, tulad ng sa isang solid, ay "na-sandwich" sa lahat ng panig ng mga kalapit na molekula at sumasailalim sa mga thermal vibrations sa paligid ng isang tiyak na posisyon ng equilibrium. Gayunpaman, paminsan-minsan, ang anumang molekula ay maaaring tumalon sa isang kalapit na bakanteng lugar. Ang ganitong mga pagtalon sa mga likido ay madalas na nangyayari; samakatuwid, ang mga molekula ay hindi nakatali sa mga tiyak na sentro, tulad ng sa mga kristal, at maaaring lumipat sa buong dami ng likido. Ipinapaliwanag nito ang pagkalikido ng mga likido.

Dahil sa siksik na pag-iimpake ng mga molekula, ang compressibility ng mga likido, iyon ay, ang pagbabago sa dami na may pagbabago sa presyon, ay napakaliit; ito ay sampu at daan-daang libong beses na mas mababa kaysa sa mga gas.

Ang pinaka-kagiliw-giliw na tampok ng mga likido ay ang pagkakaroon ng isang libreng ibabaw. Ang likido, hindi tulad ng mga gas, ay hindi pinupuno ang buong dami ng lalagyan kung saan ito ibinuhos. Ang isang interface ay nabuo sa pagitan ng likido at gas (o singaw), na nasa mga espesyal na kondisyon kumpara sa natitirang bahagi ng likido. Ang mga molekula sa boundary layer ng isang likido, hindi katulad ng mga molekula sa lalim nito, ay hindi napapalibutan ng iba pang mga molekula ng parehong likido sa lahat ng panig. Ang mga puwersa ng intermolecular na interaksyon na kumikilos sa isa sa mga molekula sa loob ng isang likido mula sa mga kalapit na molekula ay, sa karaniwan, kapwa nabayaran. Ang anumang molekula sa boundary layer ay naaakit ng mga molekula na matatagpuan sa loob ng likido (ang mga puwersang kumikilos sa isang partikular na molekula ng likido mula sa mga molekula ng gas (o singaw) ay maaaring mapabayaan). Bilang resulta, lumilitaw ang isang tiyak na resultang puwersa, na nakadirekta nang malalim sa likido. Kung ang isang molekula ay gumagalaw mula sa ibabaw patungo sa likido, ang mga puwersa ng intermolecular na pakikipag-ugnayan ay gagawa ng positibong gawain. Sa kabaligtaran, upang hilahin ang isang tiyak na bilang ng mga molekula mula sa kalaliman ng likido hanggang sa ibabaw (iyon ay, upang madagdagan ang lugar ng ibabaw ng likido), kinakailangan na gumastos ng positibong gawain ng mga panlabas na puwersa Δ A panlabas, proporsyonal sa pagbabago Δ S ibabaw na lugar.

Dahil dito, ang mga molekula ng ibabaw na layer ng isang likido ay may labis na potensyal na enerhiya kumpara sa mga molekula sa loob ng likido. Potensyal na enerhiya E p likidong ibabaw proporsyonal sa lawak nito:

Coefficient σ tinawag koepisyent ng pag-igting sa ibabaw (σ > 0). Kaya, ang koepisyent ng pag-igting sa ibabaw ay katumbas ng gawaing kinakailangan upang madagdagan ang ibabaw na lugar ng isang likido ng isang yunit sa pare-parehong temperatura. Sa SI, ang koepisyent ng pag-igting sa ibabaw ay sinusukat sa joules per square meter (J/m2) o sa newtons per meter (1 N/m = 1 J/m2).

Alam mula sa mekanika na ang mga estado ng ekwilibriyo ng isang sistema ay tumutugma sa pinakamababang halaga ng potensyal na enerhiya nito (ang anumang katawan ay palaging may posibilidad na gumulong pababa sa isang bundok, sa halip na umakyat dito). Ito ay sumusunod na ang libreng ibabaw ng likido ay may posibilidad na bawasan ang lugar nito. Para sa kadahilanang ito, ang isang libreng patak ng likido ay tumatagal ng isang spherical na hugis. Ang likido ay kumikilos na parang ang mga puwersang kumikilos nang tangential sa ibabaw nito ay kumukuha (humihila) sa ibabaw na ito. Ang mga puwersang ito ay tinatawag mga puwersa ng pag-igting sa ibabaw. Ang pagkakaroon ng mga puwersa ng pag-igting sa ibabaw ay ginagawang ang ibabaw ng likido ay parang isang nababanat na nakaunat na pelikula. Ang puwersa ng pag-igting sa ibabaw na kumikilos sa isang seksyon ng likidong hangganan ng haba L kinakalkula ng formula:

Kaya, ang koepisyent ng pag-igting sa ibabaw σ ay maaaring tukuyin bilang ang modulus ng puwersa ng pag-igting sa ibabaw na kumikilos sa bawat yunit ng haba ng linya na nagde-delimitar sa ibabaw.

Mga phenomena ng capillary tinatawag na pagtaas o pagbagsak ng likido sa maliliit na diameter na tubo - mga capillary. Ang mga basang likido ay tumataas sa pamamagitan ng mga capillary, ang mga hindi basang likido ay bumababa. Kung saan taas ng likidong haligi sa capillary:

Kapag ganap na basa θ = 0°, cos θ = 1. Sa kasong ito, ang taas ng likidong haligi sa capillary ay magiging katumbas ng:

Sa website na iyon. Upang gawin ito, wala kang kailangan, lalo na: maglaan ng tatlo hanggang apat na oras araw-araw sa paghahanda para sa CT sa pisika at matematika, pag-aaral ng teorya at paglutas ng mga problema. Ang katotohanan ay ang CT ay isang pagsusulit kung saan hindi sapat na malaman lamang ang pisika o matematika, kailangan mo ring mabilis at walang kabiguan na malutas ang isang malaking bilang ng mga problema sa iba't ibang mga paksa at sa iba't ibang kumplikado. Ang huli ay matututuhan lamang sa pamamagitan ng paglutas ng libu-libong problema.

Alamin ang lahat ng mga formula at batas sa pisika, at mga formula at pamamaraan sa matematika. Sa katunayan, ito ay napaka-simpleng gawin ay mayroon lamang mga 200 kinakailangang mga pormula sa pisika, at kahit na mas kaunti sa matematika. Sa bawat isa sa mga paksang ito mayroong humigit-kumulang isang dosenang mga karaniwang pamamaraan para sa paglutas ng mga problema ng isang pangunahing antas ng pagiging kumplikado, na maaari ding matutunan, at sa gayon, ganap na awtomatiko at walang kahirapan sa paglutas ng karamihan sa CT sa tamang oras. Pagkatapos nito, kailangan mo lamang isipin ang mga pinakamahirap na gawain.

Dumalo sa lahat ng tatlong yugto ng rehearsal testing sa physics at mathematics. Ang bawat RT ay maaaring bisitahin ng dalawang beses upang magpasya sa parehong mga pagpipilian. Muli, sa CT, bilang karagdagan sa kakayahang mabilis at mahusay na malutas ang mga problema, at kaalaman sa mga pormula at pamamaraan, dapat mo ring maayos na magplano ng oras, mamahagi ng mga puwersa, at higit sa lahat, tama na punan ang form ng sagot, nang walang nakakalito sa bilang ng mga sagot at problema, o sarili mong apelyido. Gayundin, sa panahon ng RT, mahalagang masanay sa istilo ng pagtatanong sa mga problema, na maaaring mukhang hindi karaniwan sa isang hindi handa na tao sa DT.

Ang matagumpay, masigasig at responsableng pagpapatupad ng tatlong puntong ito ay magbibigay-daan sa iyo na magpakita ng isang mahusay na resulta sa CT, ang maximum ng kung ano ang iyong kaya.

Nakahanap ng pagkakamali?

Kung sa tingin mo ay nakakita ka ng error sa mga materyales sa pagsasanay, mangyaring sumulat tungkol dito sa pamamagitan ng email. Maaari ka ring mag-ulat ng error sa social network (). Sa liham, ipahiwatig ang paksa (physics o mathematics), ang pangalan o numero ng paksa o pagsusulit, ang bilang ng problema, o ang lugar sa teksto (pahina) kung saan, sa iyong palagay, mayroong pagkakamali. Ilarawan din kung ano ang pinaghihinalaang error. Ang iyong liham ay hindi mapapansin, ang pagkakamali ay itatama, o ipapaliwanag sa iyo kung bakit ito ay hindi isang pagkakamali.

Ang mga batas ng thermodynamics ay tinatawag ding mga prinsipyo nito. Sa katunayan, ang simula ng thermodynamics ay hindi hihigit sa isang set ng ilang mga postulate na sumasailalim sa kaukulang seksyon ng molecular physics. Ang mga probisyong ito ay itinatag sa panahon ng siyentipikong pananaliksik. Kasabay nito, napatunayan sila sa eksperimento. Bakit tinatanggap ang mga batas ng thermodynamics bilang postulates? Ang buong punto ay na sa ganitong paraan ang thermodynamics ay maaaring itayo sa isang axiomatic na paraan.

Mga pangunahing batas ng thermodynamics

Medyo tungkol sa structuring. Ang mga batas ng thermodynamics ay nahahati sa apat na grupo, na ang bawat isa ay may tiyak na kahulugan. Kaya, ano ang masasabi sa atin ng mga prinsipyo ng thermodynamics?

Una at pangalawa

Sasabihin sa iyo ng unang simula kung paano inilalapat ang batas ng konserbasyon ng enerhiya na may kaugnayan sa isang partikular na thermodynamic system. Ang pangalawang batas ay naglalagay ng ilang mga paghihigpit na nalalapat sa mga direksyon ng mga prosesong thermodynamic. Higit na partikular, ipinagbabawal nila ang kusang paglipat ng init mula sa hindi gaanong init patungo sa mas mainit na katawan. Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay mayroon ding alternatibong pangalan: ang batas ng pagtaas ng entropy.

Pangatlo at pang-apat

Inilalarawan ng ikatlong batas ang pag-uugali ng entropy malapit sa ganap na zero na temperatura. May isa pang simula, ang huli. Tinatawag itong "zero law of thermodynamics." Ang kahulugan nito ay ang anumang saradong sistema ay darating sa isang estado ng thermodynamic equilibrium at hindi na makakalabas dito nang mag-isa. Bukod dito, ang paunang estado nito ay maaaring anuman.

Bakit kailangan ang mga prinsipyo ng thermodynamics?

Ang mga batas ng thermodynamics ay pinag-aralan upang ilarawan ang mga macroscopic na parameter ng ilang mga system. Kasabay nito, ang mga partikular na panukala na may kaugnayan sa microscopic device ay hindi inilalagay. Ang isyung ito ay pinag-aralan nang hiwalay, ngunit sa pamamagitan ng isa pang sangay ng agham - statistical physics. Ang mga batas ng thermodynamics ay independyente sa bawat isa. Ano kaya ang ibig sabihin nito? Dapat itong maunawaan sa paraang imposibleng makuha ang alinmang prinsipyo ng thermodynamics mula sa isa pa.

Unang batas ng thermodynamics

Tulad ng nalalaman, ang isang thermodynamic system ay nailalarawan sa pamamagitan ng ilang mga parameter, kabilang ang panloob na enerhiya (na tinutukoy ng titik U). Ang huli ay nabuo mula sa kinetic energy na mayroon ang lahat ng mga particle. Ito ay maaaring ang enerhiya ng translational, pati na rin ang oscillatory at rotational motion. Sa puntong ito, tandaan natin na ang enerhiya ay maaaring hindi lamang kinetiko, ngunit potensyal din. Kaya, sa kaso ng mga ideal na gas, ang potensyal na enerhiya ay napapabayaan. Iyon ang dahilan kung bakit ang panloob na enerhiya U ay bubuo lamang ng kinetic energy ng molecular motion at depende sa temperatura.

Ang dami na ito - panloob na enerhiya - ay tinatawag sa ibang salita ang function ng estado, dahil ito ay tinutukoy ng estado ng thermodynamic system. Sa aming kaso, ito ay tinutukoy ng temperatura ng gas. Dapat pansinin na ang panloob na enerhiya ay hindi nakasalalay sa kung ano ang paglipat sa estado. Ipagpalagay natin na ang isang thermodynamic system ay sumasailalim sa isang pabilog na proseso (isang cycle, gaya ng tawag dito sa molecular physics). Sa madaling salita, ang sistema, na umalis sa paunang estado, ay sumasailalim sa ilang mga proseso, ngunit bilang isang resulta ay bumalik sa pangunahing estado. Kung gayon hindi mahirap hulaan na ang pagbabago sa panloob na enerhiya ay magiging katumbas ng 0.

Paano nagbabago ang panloob na enerhiya?

Mayroong dalawang mga paraan upang baguhin ang panloob na enerhiya ng isang perpektong gas. Ang unang pagpipilian ay gawin ang trabaho. Ang pangalawa ay upang magbigay ng sistema ng isang tiyak na halaga ng init. Ito ay lohikal na ang pangalawang paraan ay nagsasangkot hindi lamang sa pagbibigay ng init, kundi pati na rin sa pag-alis nito.

Pahayag ng unang batas ng thermodynamics

Maaaring may ilan sa mga ito (mga pormulasyon), dahil ang lahat ay gustong magsalita nang iba. Ngunit sa katunayan ang kakanyahan ay nananatiling pareho. Ito ay bumagsak sa katotohanan na ang dami ng init na ibinibigay sa thermodynamic system ay ginugugol sa pagsasagawa ng mekanikal na gawain ng isang perpektong gas at pagbabago ng panloob na enerhiya. Kung pinag-uusapan natin ang formula o notasyong matematika ng unang batas ng thermodynamics, ganito ang hitsura: dQ = dU + dA.

Ang lahat ng mga dami na bahagi ng formula ay maaaring magkaroon ng iba't ibang mga palatandaan. Walang pumipigil sa kanila na maging negatibo. Ipagpalagay natin na ang isang halaga ng init Q ay ibinibigay sa sistema Pagkatapos ang gas ay magpapainit. Ang pagtaas ng temperatura, na nangangahulugang ang panloob na enerhiya ng gas ay tumataas din. Ibig sabihin, parehong magkakaroon ng positibong halaga ang Q at U. Ngunit kung ang panloob na enerhiya ng gas ay tumaas, nagsisimula itong kumilos nang mas aktibo at lumawak. Samakatuwid, ang gawain ay magiging positibo rin. Masasabi natin na ang gawain ay ginagawa ng system mismo, ang gas.

Kung ang isang tiyak na halaga ng init ay kinuha mula sa system, ang panloob na enerhiya ay bumababa at ang gas ay nagkontrata. Sa kasong ito, maaari na nating sabihin na ang gawain ay ginagawa sa system, at hindi sa mismong sistema. Ipagpalagay muli na ang ilang thermodynamic system ay sumasailalim sa isang cycle. Sa kasong ito (tulad ng nabanggit kanina), ang pagbabago sa panloob na enerhiya ay magiging katumbas ng 0. Nangangahulugan ito na ang gawaing ginawa ng o sa gas ay magiging numerically katumbas ng init na ibinibigay o inalis sa system.

Ang mathematical notation ng kahihinatnan na ito ay tinatawag na isa pang pagbabalangkas ng unang batas ng thermodynamics. Ito ay halos ganito: "Sa kalikasan, imposible para sa isang makina ng unang uri na umiral, iyon ay, isang makina na gagawa ng trabaho na lampas sa init na natanggap mula sa labas."

Pangalawang batas ng thermodynamics

Hindi mahirap hulaan na ang thermodynamic equilibrium ay katangian ng isang sistema kung saan ang mga macroscopic na dami ay nananatiling hindi nagbabago sa paglipas ng panahon. Ito, siyempre, ay ang presyon, dami at temperatura ng gas. Ang kanilang immutability ay maaaring itayo sa ilang mga kondisyon: ang kawalan ng thermal conductivity, mga reaksiyong kemikal, pagsasabog at iba pang mga proseso. Kung, sa ilalim ng impluwensya ng mga panlabas na kadahilanan, ang sistema ay kinuha sa labas ng thermodynamic equilibrium, ito ay babalik dito sa paglipas ng panahon. Ngunit kung wala ang mga salik na ito. At ito ay kusang mangyayari.

Tatahakin namin ang isang bahagyang naiibang landas, naiiba sa inirerekomenda ng maraming aklat-aralin. Una, kilalanin natin ang pangalawang batas ng thermodynamics, at pagkatapos ay malalaman natin kung anong uri ng mga dami ang kasama dito at kung ano ang ibig sabihin nito. Kaya, sa isang saradong sistema, sa pagkakaroon ng anumang mga proseso na nagaganap dito, ang entropy ay hindi bumababa. Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nakasulat tulad ng sumusunod: dS >(=) 0. Dito ang > sign ay iuugnay sa isang hindi maibabalik na proseso, at ang = sign sa isang nababaligtad.

Ano ang tinatawag na reversible process sa thermodynamics? At ito ay isang proseso kung saan ang system ay bumalik (pagkatapos ng isang serye ng mga proseso) sa orihinal nitong estado. Bukod dito, sa kasong ito, walang mga pagbabago na nananatili alinman sa system o sa kapaligiran. Sa madaling salita, ang isang nababaligtad na proseso ay isang proseso kung saan posible na bumalik sa paunang estado sa pamamagitan ng mga intermediate na estado na kapareho ng direktang proseso. Napakakaunting mga ganitong proseso sa molecular physics. Halimbawa, ang paglipat ng init mula sa isang mas pinainit na katawan patungo sa isang hindi gaanong pinainit ay hindi na maibabalik. Ang parehong ay totoo sa kaso ng pagsasabog ng dalawang sangkap, pati na rin ang pagkalat ng gas sa buong volume.

Entropy

Ang entropy, na nangyayari sa ikalawang batas ng thermodynamics, ay katumbas ng pagbabago sa init na hinati sa temperatura. Formula: dS = dQ/T. Ito ay may ilang mga katangian.

Ang Thermodynamics (Griyego θέρμη - "init", δύναμις - "puwersa") ay isang sangay ng pisika na nag-aaral sa mga pinaka-pangkalahatang katangian ng mga macroscopic system at mga paraan ng paglilipat at pagbabago ng enerhiya sa naturang mga sistema.

Sa thermodynamics, pinag-aaralan ang mga estado at proseso, upang ilarawan kung aling konsepto ng temperatura ang maaaring ipakilala. Ang Thermodynamics (T.) ay isang phenomenological na agham batay sa mga generalization ng mga eksperimentong katotohanan. Ang mga prosesong nagaganap sa mga thermodynamic system ay inilalarawan ng mga macroscopic na dami (temperatura, presyon, konsentrasyon ng mga bahagi), na ipinakilala upang ilarawan ang mga sistemang binubuo ng malaking bilang ng mga particle at hindi naaangkop sa mga indibidwal na molekula at atomo, hindi katulad, halimbawa, ang dami na ipinakilala sa mechanics o electrodynamics.

Ang modernong phenomenological thermodynamics ay isang mahigpit na teorya na binuo batay sa ilang mga postulate. Gayunpaman, ang koneksyon ng mga postulate na ito sa mga katangian at batas ng pakikipag-ugnayan ng mga particle kung saan binuo ang mga thermodynamic system ay ibinibigay ng statistical physics. Ginagawa rin ng statistic physics na linawin ang mga limitasyon ng pagkakalapat ng thermodynamics.

Ang mga batas ng thermodynamics ay pangkalahatan sa kalikasan at hindi nakadepende sa mga partikular na detalye ng istruktura ng bagay sa atomic level. Samakatuwid, matagumpay na nailapat ang thermodynamics sa isang malawak na hanay ng mga isyu sa agham at teknolohiya, tulad ng enerhiya, heat engineering, phase transition, kemikal na reaksyon, transport phenomena at kahit black hole. Ang Thermodynamics ay mahalaga para sa isang malawak na iba't ibang mga lugar ng pisika at kimika, kemikal na teknolohiya, aerospace engineering, mechanical engineering, cell biology, biomedical engineering, mga materyales sa agham, at kahit na nahahanap ang aplikasyon nito sa mga lugar tulad ng ekonomiya.

Mahahalagang taon sa kasaysayan ng thermodynamics

• Ang pinagmulan ng thermodynamics bilang isang agham ay nauugnay sa pangalan ni G. Galilei, na nagpakilala ng konsepto ng temperatura at nagdisenyo ng unang aparato na tumugon sa mga pagbabago sa temperatura ng kapaligiran (1597).
• Di-nagtagal, ang G. D. Fahrenheit (1714), R. Reaumur (1730) at A. Celsius (1742) ay lumikha ng mga sukat ng temperatura alinsunod sa prinsipyong ito.
• Ipinakilala na ni J. Black noong 1757 ang mga konsepto ng latent heat of fusion at heat capacity (1770). At ipinakilala ni Wilcke (J. Wilcke, 1772) ang kahulugan ng calorie bilang ang dami ng init na kinakailangan upang magpainit ng 1 g ng tubig ng 1 °C.
• Lavoisier (A. Lavoisier) at Laplace (P. Laplace) ay nagdisenyo ng calorimeter noong 1780 (tingnan ang Calorimetry) at sa unang pagkakataon ay eksperimento na natukoy ang beat. kapasidad ng init ng isang bilang ng mga sangkap.
• Noong 1824, inilathala ni S. Carnot (N. L, S. Carnot) ang isang gawaing nakatuon sa pag-aaral ng mga prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga heat engine.
• B. Ipinakilala ni Clapeyron ang isang graphical na representasyon ng mga thermodynamic na proseso at binuo ang paraan ng infinitesimal cycles (1834).
• Nabanggit ni G. Helmholtz ang unibersal na kalikasan ng batas ng konserbasyon ng enerhiya (1847). Kasunod nito, sistematikong binuo nina R. Clausius at W. Thomson (Kelvin; W. Thomson) ang theoretical apparatus ng thermodynamics, na nakabatay sa unang batas ng thermodynamics at sa pangalawang batas ng thermodynamics.
• Ang pagbuo ng ika-2 prinsipyo ay humantong kay Clausius sa kahulugan ng entropy (1854) at ang pagbabalangkas ng batas ng pagtaas ng entropy (1865).
• Simula sa gawain ni J. W. Gibbs (1873), na nagmungkahi ng paraan ng mga potensyal na thermodynamic, nabuo ang teorya ng thermodynamic equilibrium.
• Sa 2nd half. ika-19 na siglo Ang mga pag-aaral ng mga tunay na gas ay isinagawa. Ang isang espesyal na papel ay nilalaro ng mga eksperimento ni T. Andrews, na unang natuklasan ang kritikal na punto ng sistema ng likido-singaw (1861), ang pagkakaroon nito ay hinulaang ni D. I. Mendeleev (1860).
• Sa pagtatapos ng ika-19 na siglo. mahusay na mga hakbang ang ginawa sa pagkuha ng mababang temperatura, bilang isang resulta kung saan ang O2, N2 at H2 ay natunaw.
• Noong 1902, inilathala ni Gibbs ang isang gawain kung saan ang lahat ng mga pangunahing thermodynamic na relasyon ay nakuha sa loob ng balangkas ng statistical physics.
• Ang koneksyon sa pagitan ng kinetic mga katangian ng katawan at ang thermodynamic nito. ang mga katangian ay itinatag ni L. Onsager (L. Onsager, 1931).
• Noong ika-20 siglo masinsinang pinag-aralan ang thermodynamics ng solids, pati na rin ang quantum liquids at liquid crystals, kung saan nagaganap ang magkakaibang phase transition.
• Si L. D. Landau (1935-37) ay bumuo ng pangkalahatang teorya ng mga phase transition batay sa konsepto ng spontaneous symmetry breaking.

Mga seksyon ng thermodynamics

Ang modernong phenomenological thermodynamics ay karaniwang nahahati sa equilibrium (o classical) thermodynamics, na nag-aaral ng equilibrium thermodynamic system at mga proseso sa naturang mga system, at nonequilibrium thermodynamics, na nag-aaral ng nonequilibrium na mga proseso sa mga system kung saan ang deviation mula sa thermodynamic equilibrium ay medyo maliit at nagbibigay-daan pa rin para sa thermodynamic paglalarawan.

Equilibrium (o klasikal) thermodynamics

Sa equilibrium thermodynamics, ang mga variable tulad ng panloob na enerhiya, temperatura, entropy, at potensyal na kemikal ay ipinakilala. Ang lahat ng mga ito ay tinatawag na thermodynamic parameters (dami). Pinag-aaralan ng klasikal na thermodynamics ang mga ugnayan ng mga thermodynamic na parameter sa isa't isa at sa mga pisikal na dami na ipinakilala sa iba pang mga sangay ng pisika, halimbawa, sa gravitational o electromagnetic field na kumikilos sa system. Kasama rin sa pag-aaral ng klasikal na thermodynamics ang mga reaksiyong kemikal at mga phase transition. Gayunpaman, ang pag-aaral ng mga thermodynamic system kung saan ang mga pagbabagong kemikal ay gumaganap ng isang mahalagang papel ay ang paksa ng kemikal na thermodynamics, at ang thermal engineering ay tumatalakay sa mga teknikal na aplikasyon.

Kasama sa klasikal na thermodynamics ang mga sumusunod na seksyon:

• mga prinsipyo ng thermodynamics (minsan tinatawag ding mga batas o axiom)
• mga equation ng estado at mga katangian ng mga simpleng thermodynamic system (ideal na gas, real gas, dielectrics at magnets, atbp.)
• mga proseso ng equilibrium na may mga simpleng sistema, mga thermodynamic cycle
• mga prosesong nonequilibrium at ang batas ng hindi bumababa na entropy
• thermodynamic phase at phase transition

Bilang karagdagan, kabilang din sa modernong thermodynamics ang mga sumusunod na lugar:

• isang mahigpit na mathematical formulation ng thermodynamics batay sa convex analysis
• hindi malawak na thermodynamics

Sa mga system na wala sa estado ng thermodynamic equilibrium, halimbawa, sa isang gumagalaw na gas, ang lokal na equilibrium approximation ay maaaring gamitin, kung saan ipinapalagay na ang equilibrium thermodynamic na relasyon ay nasiyahan nang lokal sa bawat punto ng system.

Nonequilibrium thermodynamics

Sa nonequilibrium thermodynamics, ang mga variable ay itinuturing na lokal hindi lamang sa espasyo, kundi pati na rin sa oras, iyon ay, ang oras ay maaaring tahasang pumasok sa mga formula nito. Tandaan natin na ang klasikong gawa ni Fourier na "Analytical Theory of Heat" (1822), na nakatuon sa mga isyu ng thermal conductivity, ay nauna hindi lamang sa paglitaw ng nonequilibrium thermodynamics, kundi pati na rin sa gawa ni Carnot na "Reflections on the driving force of fire and on mga makinang may kakayahang bumuo ng puwersang ito” (1824), na karaniwang itinuturing na panimulang punto sa kasaysayan ng klasikal na termodinamika.

Pangunahing konsepto ng thermodynamics

Thermodynamic system- isang katawan o grupo ng mga katawan na nakikipag-ugnayan, sa isip o aktwal na nakahiwalay sa kapaligiran.

Homogeneous na sistema– isang sistema sa loob kung saan walang mga ibabaw na naghihiwalay sa mga bahagi ng system (mga yugto) na naiiba sa mga katangian.

Heterogenous system- isang sistema kung saan may mga ibabaw na naghihiwalay sa mga bahagi ng system na naiiba sa mga katangian.

Phase– isang hanay ng mga homogenous na bahagi ng isang heterogenous na sistema, magkapareho sa pisikal at kemikal na mga katangian, na pinaghihiwalay mula sa iba pang mga bahagi ng system sa pamamagitan ng nakikitang mga interface.

Nakahiwalay sistema- isang sistema na hindi nagpapalitan ng alinman sa bagay o enerhiya sa kapaligiran.

sarado sistema- isang sistema na nakikipagpalitan ng enerhiya sa kapaligiran, ngunit hindi nagpapalit ng bagay.

Bukas sistema- isang sistema na nagpapalitan ng bagay at enerhiya sa kapaligiran.

Ang kabuuan ng lahat ng pisikal at kemikal na katangian ng isang sistema ay nagpapakilala dito termodinamikong estado. Ang lahat ng mga dami na nagpapakilala sa anumang macroscopic na pag-aari ng system na isinasaalang-alang ay mga parameter ng katayuan. Eksperimento na itinatag na upang hindi malabo na makilala ang isang naibigay na sistema ay kinakailangan na gumamit ng isang tiyak na bilang ng mga parameter na tinatawag na malaya; ang lahat ng iba pang mga parameter ay itinuturing bilang mga function ng mga independiyenteng parameter. Ang mga parameter na maaaring direktang masukat, tulad ng temperatura, presyon, konsentrasyon, atbp., ay karaniwang pinipili bilang mga independiyenteng parameter ng estado. Anumang pagbabago sa termodinamikong estado ng isang sistema (pagbabago sa hindi bababa sa isang parameter ng estado) ay prosesong thermodynamic.

Nababaligtad na proseso- isang proseso na nagpapahintulot sa system na bumalik sa orihinal nitong estado nang walang anumang pagbabagong natitira sa kapaligiran.

Proseso ng ekwilibriyo– isang proseso kung saan ang isang sistema ay dumadaan sa tuluy-tuloy na serye ng mga estado ng ekwilibriyo.

Enerhiya– isang sukatan ng kakayahan ng system na gumawa ng trabaho; isang pangkalahatang sukat ng husay ng paggalaw at pakikipag-ugnayan ng bagay. Ang enerhiya ay isang mahalagang pag-aari ng bagay. Ang isang pagkakaiba ay ginawa sa pagitan ng potensyal na enerhiya, na sanhi ng posisyon ng isang katawan sa isang larangan ng ilang mga puwersa, at kinetic na enerhiya, na sanhi ng pagbabago sa posisyon ng katawan sa kalawakan.

Panloob na enerhiya ng system– ang kabuuan ng kinetic at potensyal na enerhiya ng lahat ng mga particle na bumubuo sa system. Maaari mo ring tukuyin ang panloob na enerhiya ng isang sistema bilang kabuuang enerhiya nito na binawasan ang kinetic at potensyal na enerhiya ng system sa kabuuan.

Mga anyo ng paglipat ng enerhiya

Ang mga anyo ng paglipat ng enerhiya mula sa isang sistema patungo sa isa pa ay maaaring nahahati sa dalawang grupo.

1. Ang unang pangkat ay kinabibilangan lamang ng isang anyo ng paglipat ng paggalaw sa pamamagitan ng magulong banggaan ng mga molekula ng dalawang nakikipag-ugnay na katawan, i.e. sa pamamagitan ng thermal conduction (at sa parehong oras sa pamamagitan ng radiation). Ang sukat ng paggalaw na ipinadala sa ganitong paraan ay init. Ang init ay isang anyo ng paglipat ng enerhiya sa pamamagitan ng hindi maayos na paggalaw ng mga molekula.
2. Kasama sa pangalawang pangkat ang iba't ibang anyo ng paglipat ng paggalaw, ang karaniwang tampok nito ay ang paggalaw ng masa na sumasaklaw sa napakalaking bilang ng mga molekula (i.e., macroscopic na masa) sa ilalim ng impluwensya ng anumang pwersa. Ito ay ang pag-angat ng mga katawan sa isang gravitational field, ang paglipat ng isang tiyak na halaga ng kuryente mula sa isang mas mataas na potensyal na electrostatic sa isang mas maliit, ang pagpapalawak ng isang gas sa ilalim ng presyon, atbp. Ang pangkalahatang sukatan ng paggalaw na ipinadala ng mga naturang pamamaraan ay trabaho - isang anyo ng paglipat ng enerhiya sa pamamagitan ng nakaayos na paggalaw ng mga particle.

Ang init at trabaho ay nagpapakilala sa qualitative at quantitatively ng dalawang magkaibang anyo ng paglipat ng paggalaw mula sa isang partikular na bahagi ng materyal na mundo patungo sa isa pa. Ang init at trabaho ay hindi maaaring taglayin sa katawan. Ang init at trabaho ay bumangon lamang kapag may naganap na proseso, at nailalarawan lamang ang proseso. Sa ilalim ng mga static na kondisyon, walang init at trabaho. Ang pagkakaiba sa pagitan ng init at trabaho, na tinatanggap ng thermodynamics bilang panimulang posisyon, at ang pagsalungat ng init sa trabaho ay makatuwiran lamang para sa mga katawan na binubuo ng maraming molekula, dahil para sa isang molekula o para sa isang koleksyon ng ilang mga molekula, ang mga konsepto ng init at trabaho ay nawawalan ng kahulugan. Samakatuwid, ang thermodynamics ay isinasaalang-alang lamang ang mga katawan na binubuo ng isang malaking bilang ng mga molecule, i.e. tinatawag na macroscopic system.

Tatlong prinsipyo ng thermodynamics

Ang mga prinsipyo ng thermodynamics ay isang set ng mga postulate na pinagbabatayan ng thermodynamics. Itinatag ang mga probisyong ito bilang resulta ng siyentipikong pananaliksik at napatunayang eksperimento. Ang mga ito ay tinatanggap bilang mga postulate upang ang thermodynamics ay mabuo ng axiomatically.

Ang pangangailangan para sa mga prinsipyo ng thermodynamics ay dahil sa ang katunayan na ang thermodynamics ay naglalarawan ng mga macroscopic na parameter ng mga system na walang tiyak na mga pagpapalagay tungkol sa kanilang mikroskopiko na istraktura. Ang istatistikal na pisika ay tumatalakay sa mga isyu ng panloob na istraktura.

Ang mga prinsipyo ng thermodynamics ay independyente, ibig sabihin, wala sa mga ito ang maaaring makuha mula sa iba pang mga prinsipyo. Ang mga analogue ng tatlong batas ni Newton sa mekanika ay ang tatlong prinsipyo sa thermodynamics, na nag-uugnay sa mga konsepto ng "init" at "trabaho":

• Ang zero na batas ng thermodynamics ay nagsasalita ng thermodynamic equilibrium.
• Ang unang batas ng thermodynamics ay tungkol sa pagtitipid ng enerhiya.
• Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay tungkol sa mga daloy ng init.
• Ang ikatlong batas ng thermodynamics ay tungkol sa hindi maaabot ng absolute zero.

Pangkalahatang (zero) na batas ng thermodynamics

Ang pangkalahatang (zero) na batas ng thermodynamics ay nagsasaad na ang dalawang katawan ay nasa isang estado ng thermal equilibrium kung maaari nilang ilipat ang init sa isa't isa, ngunit hindi ito nangyayari.

Hindi mahirap hulaan na ang dalawang katawan ay hindi naglilipat ng init sa isa't isa kung ang kanilang mga temperatura ay pantay. Halimbawa, kung susukatin mo ang temperatura ng katawan ng tao gamit ang isang thermometer (sa dulo ng pagsukat, ang temperatura ng tao at ang temperatura ng thermometer ay magiging pantay), at pagkatapos, gamit ang parehong thermometer, sukatin ang temperatura ng tubig sa banyo, at lumalabas na ang parehong temperatura ay nag-tutugma (may thermal equilibrium sa pagitan ng tao at thermometer at isang thermometer na may tubig), masasabi natin na ang isang tao ay nasa thermal equilibrium na may tubig sa paliguan.

Mula sa itaas, maaari nating bumalangkas ang zero na batas ng thermodynamics tulad ng sumusunod: dalawang katawan na nasa thermal equilibrium na may isang pangatlo ay nasa thermal equilibrium din sa isa't isa.

Mula sa pisikal na pananaw, ang zero na batas ng thermodynamics ay nagtatakda ng reference point, dahil walang daloy ng init sa pagitan ng dalawang katawan na may parehong temperatura. Sa madaling salita, maaari nating sabihin na ang temperatura ay hindi hihigit sa isang tagapagpahiwatig ng thermal equilibrium.

Unang batas ng thermodynamics

Ang unang batas ng thermodynamics ay ang batas ng konserbasyon ng thermal energy, na nagsasaad na ang enerhiya ay hindi nawawala nang hindi nag-iiwan ng bakas.

Ang system ay maaaring sumipsip o maglabas ng thermal energy Q, habang ang system ay gumaganap ng trabaho W sa mga nakapalibot na katawan (o ang mga nakapalibot na katawan ay gumaganap ng trabaho sa system), at ang panloob na enerhiya ng system, na may paunang halaga na Uninit, ay magiging katumbas ng Uend:

Uend-Ustart = ΔU = Q-W

Tinutukoy ng thermal energy, trabaho at panloob na enerhiya ang kabuuang enerhiya ng system, na isang pare-parehong halaga. Kung ang isang tiyak na halaga ng thermal energy Q ay inilipat sa (kinuha) mula sa system, sa kawalan ng trabaho, ang halaga ng panloob na enerhiya ng system U ay tataas (bumababa) ng Q.

Pangalawang batas ng thermodynamics

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nagsasaad na ang thermal energy ay maaaring lumipat lamang sa isang direksyon - mula sa isang katawan na may mas mataas na temperatura patungo sa isang katawan na may mas mababang temperatura, ngunit hindi sa kabaligtaran.

Ikatlong batas ng thermodynamics

Ang ikatlong batas ng thermodynamics ay nagsasaad na ang anumang proseso na binubuo ng isang may hangganan na bilang ng mga yugto ay hindi papayag na maabot nito ang temperatura ng absolute zero (bagaman ito ay maaaring lapitan nang malaki).

Mga pangunahing formula ng thermodynamics at molecular physics na magiging kapaki-pakinabang sa iyo.
Isa pang magandang araw para sa mga hands-on na aralin sa pisika. Ngayon ay pagsasama-samahin natin ang mga formula na kadalasang ginagamit upang malutas ang mga problema sa thermodynamics at molecular physics.

So, tara na. Subukan nating ipakita nang maikli ang mga batas at formula ng thermodynamics.

Tamang gas

Tamang gas ay isang ideyalisasyon, tulad ng isang materyal na punto. Ang mga molekula ng naturang gas ay mga materyal na punto, at ang mga banggaan ng mga molekula ay ganap na nababanat. Pinapabayaan namin ang pakikipag-ugnayan ng mga molekula sa malayo. Sa mga problema sa thermodynamics, ang mga tunay na gas ay madalas na itinuturing na perpekto. Mas madaling mamuhay sa ganitong paraan, at hindi mo kailangang harapin ang maraming bagong termino sa mga equation.

Kaya, ano ang mangyayari sa mga molekula ng isang perpektong gas? Oo, gumagalaw sila! At makatwirang itanong, sa anong bilis? Siyempre, bilang karagdagan sa bilis ng mga molekula, interesado din kami sa pangkalahatang estado ng aming gas. Anong presyur P ang ibinibigay nito sa mga dingding ng sisidlan, anong dami ng V ang sinasakop nito, ano ang temperatura nito T.

Upang malaman ang lahat ng ito, mayroong perpektong equation ng gas ng estado, o Clapeyron-Mendeleev equation

Dito m - masa ng gas, M – ang molekular na timbang nito (nakikita natin ito mula sa periodic table), R – universal gas constant na katumbas ng 8.3144598(48) J/(mol*kg).

Ang unibersal na gas constant ay maaaring ipahayag sa mga tuntunin ng iba pang mga constants ( Boltzmann's constant at Avogadro's number )

Ang misasa , sa turn, ay maaaring kalkulahin bilang produkto densidad At dami .

Pangunahing equation ng molecular kinetic theory (MKT)

Tulad ng nasabi na natin, ang mga molekula ng gas ay gumagalaw, at kung mas mataas ang temperatura, mas mabilis. May kaugnayan sa pagitan ng presyon ng gas at ang average na kinetic energy E ng mga particle nito. Ang koneksyon na ito ay tinatawag pangunahing equation ng molecular kinetic theory at may anyo:

Dito n - konsentrasyon ng mga molekula (ang ratio ng kanilang bilang sa dami), E - average na kinetic energy. Maaari silang matagpuan, pati na rin ang root mean square speed ng mga molekula, nang naaayon, gamit ang mga formula:

Palitan ang enerhiya sa unang equation, at makakakuha tayo ng isa pang anyo ng pangunahing equation MKT

Ang unang batas ng thermodynamics. Mga formula para sa isoprocesses

Ipaalam sa amin ipaalala sa iyo na ang unang batas ng thermodynamics ay nagsasaad: ang dami ng init na inilipat sa gas ay napupunta upang baguhin ang panloob na enerhiya ng gas U at upang maisagawa ang gawain A ng gas Ang formula ng unang batas ng thermodynamics ay nakasulat bilang sumusunod:

Tulad ng alam mo, may nangyayari sa gas, maaari naming i-compress ito, maaari naming init ito. Sa kasong ito, interesado kami sa mga proseso na nangyayari sa isang pare-parehong parameter. Tingnan natin kung ano ang hitsura ng unang batas ng thermodynamics sa bawat isa sa kanila.

Siya nga pala! Mayroon na ngayong diskwento para sa lahat ng aming mga mambabasa 10% sa .

Isothermal proseso nangyayari sa isang pare-parehong temperatura. Ang batas ng Boyle-Mariotte ay nalalapat dito: sa isang isothermal na proseso, ang presyon ng isang gas ay inversely proportional sa volume nito. Sa isang isothermal na proseso:

nagpapatuloy sa pare-parehong dami. Ang prosesong ito ay nailalarawan sa batas ni Charles: Sa pare-parehong dami, ang presyon ay direktang proporsyonal sa temperatura. Sa isang prosesong isochoric, ang lahat ng init na ibinibigay sa gas ay napupunta upang baguhin ang panloob na enerhiya nito.

tumatakbo sa pare-parehong presyon. Ang batas ng Gay-Lussac ay nagsasaad na sa patuloy na presyon ng gas, ang dami nito ay direktang proporsyonal sa temperatura. Sa isang prosesong isobaric, ang init ay napupunta kapwa upang baguhin ang panloob na enerhiya at upang gawin ang gawain ng gas.

. Ang proseso ng adiabatic ay isang proseso na nangyayari nang walang pagpapalitan ng init sa kapaligiran. Nangangahulugan ito na ang formula ng unang batas ng thermodynamics para sa isang proseso ng adiabatic ay ganito ang hitsura:

Panloob na enerhiya ng isang monatomic at diatomic na ideal na gas

Kapasidad ng init

Tiyak na init katumbas ng dami ng init na kinakailangan upang mapainit ang isang kilo ng isang sangkap sa pamamagitan ng isang degree Celsius.

Bilang karagdagan sa tiyak na kapasidad ng init, mayroong kapasidad ng init ng molar (ang dami ng init na kinakailangan upang mapainit ang isang nunal ng isang sangkap sa pamamagitan ng isang degree) sa pare-parehong dami, at kapasidad ng init ng molar sa patuloy na presyon. Sa mga formula sa ibaba, ang i ay ang bilang ng mga antas ng kalayaan ng mga molekula ng gas. Para sa isang monatomic gas i=3, para sa isang diatomic gas - 5.

Mga thermal machine. Formula ng kahusayan sa thermodynamics

Init na makina , sa pinakasimpleng kaso, ay binubuo ng isang pampainit, isang refrigerator at isang gumaganang likido. Ang pampainit ay nagbibigay ng init sa gumaganang likido, gumagana ito, pagkatapos ay pinalamig ito ng refrigerator, at ang lahat ay umuulit. O v. Ang isang tipikal na halimbawa ng isang heat engine ay isang panloob na combustion engine.

Kahusayan Ang heat engine ay kinakalkula ng formula

Kaya nakolekta namin ang mga pangunahing formula ng thermodynamics na magiging kapaki-pakinabang sa paglutas ng mga problema. Siyempre, ito ay hindi lahat ng mga formula mula sa paksa ng thermodynamics, ngunit ang pag-alam sa mga ito ay talagang makakapagsilbi sa iyo ng mabuti. At kung mayroon kang anumang mga katanungan, tandaan serbisyo ng mag-aaral, na ang mga espesyalista ay handang tumulong sa anumang oras.

Equation ng estado ng isang ideal na gas:

saan p- presyon;

V- dami;

M- molar mass;

m- timbang;

T

R=8.31 ​​​​J/(mol K)

n- konsentrasyon;

k=1.38 · 10 -23 J/K Boltzmann constant.

Equation ng estado ng van der Waals gas (para sa isang nunal):

,

saan V M – dami ng molar na inookupahan sa p At T;

a, b– van der Waals constants, na nauugnay sa kritikal na temperatura Tk, kritikal na presyon p k at kritikal na dami Vk ratios:

, .

Batas ni Dalton:

p=p 1 +p 2 +…+p n,

saan p– presyon ng pinaghalong mga ideal na gas;

p 1 , p 2 , …, p n – bahagyang presyon ng mga gas na pumapasok sa pinaghalong.

Root mean square speed ng mga molekula:

,

saan R- pangkalahatang gas constant;

T- temperatura ng thermodynamic;

M- molar mass.

Ang enerhiya ng thermal motion ng mga molekula (panloob na enerhiya) ng isang gas:

saan R- pangkalahatang gas constant;

m- masa ng gas;

M- molar mass ng gas;

T- temperatura ng thermodynamic;

i– bilang ng mga antas ng kalayaan ng mga molekula:

para sa monatomic gas i=3;

para sa diatomic gas i=5;

para sa polyatomic gas i=6.

Equation ng adiabatic na proseso (Poisson equation):

pV γ = const ,

kung saan γ=с p/c V– adiabatic index.

Equation ng isang polytropic na proseso (Poisson equation):

pV n = const ,

saan n- polytropic index.

Relasyon sa pagitan ng molarSAat tiyakSamga kapasidad ng init:

saan M- molar mass.

Kapasidad ng init ng molar sa pare-parehong dami:

Sa V = R,

saan i- bilang ng mga antas ng kalayaan ng mga molekula;

R- pangkalahatang gas constant.

Kapasidad ng init ng molar sa pare-parehong presyon:

C p =C V +R.

Molar heat capacity ng gas sa panahon ng polytropic na proseso (pV n=const):

,

saan n- polytropic index;

γ – adiabatic index.

Batas ng pamamahagi ng bilis ng molekular (batas ni Maxwell):

,

kung saan Δ N– ang bilang ng mga molekula na ang mga kamag-anak na bilis ay nasa hanay mula sa u hanggang Δ u:

u=v/v sa- kamag-anak na bilis, v– binigay na bilis, v sa = – ang pinaka-malamang na bilis ng mga molekula;

Δ ikaw - pagitan ng mga kamag-anak na bilis, maliit kumpara sa bilis u;

N- kabuuang bilang ng mga molekula.

Pamamahagi ng mga molekula ayon sa konsentrasyon:

,

saan n – konsentrasyon ng mga molekula sa taas h;

n 0- konsentrasyon ng mga molekula sa taas h=0;

U– potensyal na enerhiya ng isang molekula sa isang gravitational field;

k– Boltzmann pare-pareho;

T

Barometric formula:

saan p 0– presyon sa altitude h=0.

M- molar mass ng hangin;

h- taas;

R- pangkalahatang gas constant;

T- thermodynamic na temperatura.

Average na libreng landas ng mga molekula ng gas:

,

kung saan ang σ ay ang epektibong diameter ng molekula;

n – bilang ng mga molekula bawat dami ng yunit (konsentrasyon ng molekula).

Unang batas ng thermodynamics:

Q=Δ U+A,

saan Q – dami ng init;

Δ U – pagtaas ng panloob na enerhiya ng system;

A– gawaing ginawa ng gas.

Panloob na enerhiya ng isang perpektong gas:

saan m- masa ng gas;

M- molar mass ng gas;

T- temperatura ng thermodynamic;

C V– kapasidad ng init ng molar sa pare-parehong dami.

Trabaho na ginawa sa pamamagitan ng gas:

saan V 1- paunang dami;

V- huling dami;

p – presyon ng gas;

d V– pagbabago sa volume.

Kahusayan ng isang heat engine:

saan Q 1 - init na natanggap ng gumaganang likido;

Q 2 – init na binigay.

Kahusayan ng Carnot cycle:

saan T 1 - temperatura ng pampainit;

T 2 – temperatura ng refrigerator.

Entropy ng system:

saan k– Boltzmann pare-pareho;

W– istatistikal na timbang (thermodynamic probability).

Pagtaas ng entropy ng system:

kung saan ang δQ ay elementary heat;

T- thermodynamic na temperatura.

2.2. Mga konsepto at kahulugan ng molecular physics at thermodynamics

? Ilista ang mga pangunahing probisyon ng ICT.

1. Lahat ng katawan ay binubuo ng maliliit na particle.

2. Ang mga particle-molekula ay nasa tuluy-tuloy na thermal motion.

3. May mga puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga molekula, ang likas na katangian ng mga puwersa ay electromagnetic.

? Isulat ang pangunahing MKT equation. Ano ang molecular kinetic na kahulugan ng temperatura?

( - presyon, n-konsentrasyon, m 0 - molekular na masa, v- bilis ng molekular). Ang temperatura ay isang katangian ng enerhiya.

? Ano ang antas ng kalayaan ng isang molekula? Bumuo ng batas ng pare-parehong pamamahagi ng mga molekula sa antas ng kalayaan.

Ang bilang ng mga independiyenteng coordinate na ganap na naglalarawan sa posisyon ng molekula sa espasyo ay tinatawag na mga antas ng kalayaan ng molekula. Para sa isang statistical system sa isang estado ng thermodynamic equilibrium, para sa bawat translational at rotational degrees ng kalayaan mayroong isang kinetic energy na katumbas ng (- Boltzmann's constant, - temperature).

? Ipaliwanag ang konsepto ng "ideal gas". Isulat ang equation ng estado para sa isang ideal na gas. Ano ang alam mo tungkol sa isoprocesses?

Isang perpektong gas - ang dami ng mga molekula ay hindi gaanong maliit kumpara sa dami ng sisidlan, walang mga puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga molekula, ang mga banggaan ng mga molekula sa bawat isa at sa mga dingding ng sisidlan ay ganap na nababanat. Equation: ( -presyon, V-volume, m- masa ng gas, M- molar mass, R- pare-pareho ang gas, T-temperatura). Ang Isoprocess ay isang proseso na nagaganap sa isang sistema na may pare-pareho ang masa sa isang pare-parehong halaga ng isa sa mga parameter (temperatura, presyon, dami)

? Anong proseso ang tinatawag na adiabatic process? Isulat ang equation ni Poisson.

Isang proseso kung saan walang palitan ng init sa kapaligiran. Ang equation: V g = const ( - presyon, V-volume, g-adiabatic index)

? Ano ang kapasidad ng init ng isang katawan? Tukoy at molar na kapasidad ng init?

Kapasidad ng init ng isang katawan - ang dami ng init na kinakailangan upang magpainit ng isang katawan ng 1 degree K. Specific heat - ang halaga ng init na kinakailangan upang magpainit ng 1 kg ng isang substance ng 1 degree K. Molar heat capacity - ang halaga ng init na kinakailangan upang painitin ang 1 mole ng isang substance ng 1 degree TO.

? Trabaho ng isang perpektong gas. Panloob na enerhiya ng katawan. Panloob na enerhiya ng isang perpektong gas.

Magtrabaho sa thermodynamics: ( A-trabaho, -presyon, D V-pagbabago ng volume). Ang panloob na enerhiya ng isang thermodynamic system ay ang kabuuan ng kinetic energy ng thermal motion ng mga molekula (atoms) at ang potensyal na enerhiya ng kanilang pakikipag-ugnayan. Sa isang perpektong gas, ang potensyal na enerhiya ng pakikipag-ugnayan ay 0, samakatuwid (para sa isang nunal, U- panloob na enerhiya, i- mga antas ng kalayaan, R- pare-pareho ang gas, T-temperatura).

? Sabihin ang unang batas ng thermodynamics. Ang aplikasyon nito sa isoprocesses.

Ang dami ng init na ibinibigay sa system ay ginugugol sa pagbabago ng panloob na enerhiya ng system at pagsasagawa ng trabaho ng system.

Isothermal na proseso: Q=A.

Isobaric na proseso: Q=D U+A.

Isochoric na proseso Q=D U.

Proseso ng Adiabatic Q=0.

? Sabihin ang pangalawang batas ng thermodynamics.

Sinasalamin ang pagiging one-sidedness ng mga thermal na proseso - ang init ay hindi maaaring lumipat sa sarili nito mula sa isang malamig na katawan patungo sa isang mainit nang hindi gumagawa ng trabaho.

? Ang perpektong makina ng init. Kahusayan ng isang perpektong heat engine.

Ang perpektong makina ng init ay isang makina na walang mga pagkalugi dahil sa mekanikal na alitan at nagpapatakbo sa isang espesyal na circular cycle - ang Carnot cycle. Kahusayan ng isang perpektong heat engine (T 1 - temperatura ng pampainit, T 2 - refrigerator).

? Entropy sa thermodynamics. Mga katangian ng entropy.

(S- entropy ng system, - pagbabago nito). Sa thermodynamics: ang entropy ng isang closed system ay hindi bumababa. Mayroon itong pag-aari ng additivity - ang entropy ng system ay katumbas ng kabuuan ng mga entropies ng mga katawan na kasama sa system).

? Sabihin ang ikatlong batas ng thermodynamics (Nernst's theorem).

Ang entropy ng lahat ng mga katawan sa isang estado ng balanse ay may posibilidad na zero habang ang temperatura ay lumalapit sa zero Kelvin.

? Apat na pangunahing thermodynamic function. Ang prinsipyo ng pinakamababang libreng enerhiya, potensyal na thermodynamic.

Sa thermodynamics, posible na makakuha ng impormasyon tungkol sa isang solidong sistema gamit ang paraan ng thermodynamic function na nagpapakilala sa mga thermodynamic na katangian ng mga katawan. Mayroong 4 sa kanila: panloob na enerhiya - W, enthalpy – N, libreng Enerhiya - F, potensyal na thermodynamic - G. Ang prinsipyo ng minimum na libreng enerhiya - kung ang isang kusang hindi maibabalik na proseso ay nangyayari sa isang sistema sa ilalim ng mga kondisyon ng pare-pareho ang dami at pare-pareho ang temperatura, pagkatapos ay ang libreng enerhiya ng system ay bumababa at, kapag naabot ang balanse, tumatagal ng isang minimum na halaga (). Ang prinsipyo ng minimum na potensyal na thermodynamic - kung ang isang kusang hindi maibabalik na proseso ay nangyayari sa isang sistema sa ilalim ng mga kondisyon ng pare-pareho ang presyon at pare-pareho ang temperatura, pagkatapos ay ang thermodynamic potensyal ng system ay bumababa at, kapag naabot ang balanse, ay tumatagal ng isang minimum na halaga. ().

? Mga totoong gas. Van der Waals isotherms.

Ang mga molekula ng mga tunay na gas, hindi katulad ng mga ideal na gas, ay sumasakop sa isang tiyak na dami. May atraksyon sa pagitan nila. Ang mga additives na isinasaalang-alang ang mga salik na ito ay kasama sa van der Waals equation. Ang teoretikal na mga dependence na naaayon sa equation na ito sa iba't ibang temperatura ay tinatawag na van der Waals isotherms.

? Mga phase at phase na pagbabago.

Ang phase ay isang thermodynamically equilibrium state ng isang substance na naiiba sa pisikal na katangian mula sa iba pang posibleng equilibrium states ng parehong substance. Ang paglipat ng yugto ay nauugnay sa mga pagbabago sa husay sa estado ng isang sangkap. Ang isang phase transition ng 1st kind ay sinamahan ng pagpapalabas o pagsipsip ng init, at isang phase transition ng 2nd kind ay sinamahan ng isang biglang pagbabago ng kapasidad ng init.

? Ano ang alam mo tungkol sa transference phenomena? (pagsasabog, lagkit, thermal conductivity).

Nagaganap ang mga proseso ng paglipat sa mga sistemang thermodynamically nonequilibrium, kapag imposibleng magtalaga ng ilang mga thermodynamic na parameter sa system. Ang pagsasabog ay ang paglipat ng masa ng isang sangkap sa ilalim ng impluwensya ng isang gradient (pagkakaiba) sa konsentrasyon nito. Viscosity (internal friction) - paglipat ng momentum (dahil sa gradient ng bilis). Ang thermal conductivity ay ang paglipat ng enerhiya dahil sa mga pagbabago sa temperatura.

? Ano ang alam mo tungkol sa bilis ng pamamahagi ng mga molekula (pamamahagi ni Maxwell)?

Hinulaan ni Maxwell, gamit ang probability theory, ang batas ng pamamahagi ng mga ideal na molekula ng gas ayon sa bilis, i.e. isang pormula na tumutukoy kung anong relatibong bilang ng mga molekula ang nahuhulog sa isang tiyak na hanay ng bilis para sa isang sistema na binubuo ng isang malaking bilang ng magkaparehong mga particle. Ang temperatura ng system ay hindi nagbabago, ang mga patlang ng puwersa ay hindi gumagana.

? Isulat ang barometric formula. Ano ang pamamahagi ng Boltzmann?

. Dito R 0 - presyon sa antas ng dagat, M- molar mass, g-pagpabilis ng grabidad, h- taas sa ibabaw ng dagat, R- pare-pareho ang gas, T-temperatura, R- pagbabago sa presyon sa altitude. Ipinapalagay ni Boltzmann na ang mga molekula ay nasa gravitational field ng Earth, ang temperatura ay hindi nagbabago sa taas. Pamamahagi ng Boltzmann para sa isang panlabas na potensyal na larangan: ( n 0 - konsentrasyon ng mga molekula sa zero na taas, n- konsentrasyon sa altitude h, Upang- Boltzmann pare-pareho, T-temperatura, P- potensyal na enerhiya ng isang molekula ng gas).

? Anong mga pisikal na bagay ang inilalarawan ng mga istatistika ng Fermi – Dirac. Ano ang Fermi energy?

Ang perpektong gas ng mga fermion—Fermi gas—ay inilalarawan ng mga istatistika ng quantum ng Fermi–Dirac. Ang mga fermion ay mga particle na may half-integer na spin; Ang kabuuan ng lahat ng mga numero ng trabaho ay dapat na katumbas ng bilang ng mga particle sa system. Sa mataas na temperatura, ang isang "quantum" na gas ay kumikilos tulad ng isang perpektong gas. Ang pag-uugali ng naturang gas sa mababang temperatura at mataas na densidad ay naiiba sa ideal, kaya naman tinatawag itong degenerate. Temperatura ng pagkabulok T T>>T

Fermi energy - ang pinakamataas na kinetic energy na maaaring magkaroon ng conduction electron sa isang metal, sa zero K ay tinatawag na Fermi energy.

? Anong mga pisikal na bagay ang inilalarawan ng mga istatistika ng Bose–Einstein. Ang kanilang mga katangian.

Ang perpektong gas ng boson - isang Bose gas - ay inilarawan ng Bose - Einstein quantum statistics. Ang mga boson ay mga particle na may zero o integer spin; Ang pag-uugali ng naturang gas sa mababang temperatura at mataas na densidad ay naiiba sa ideal, kaya naman tinawag itong degenerate. Temperatura ng pagkabulok T Ang 0 ay ang temperatura sa ibaba kung saan ang mga quantum properties ng isang ideal na gas, dahil sa pagkakakilanlan ng mga particle, ay malinaw na nagpapakita ng kanilang mga sarili. Kung T>>T 0, kung gayon ang pag-uugali ng gas ay inilarawan ng mga klasikal na batas.

Electrodynamics