Швидкості, що характеризують стан газу

Барометри́чна фо́рмула — формула, за якою визначають залежність тиску або густини газу від висоти. Ця залежність зумовлена дією поля тяжіння Землі і тепловим рухом молекул газу (повітря). Припускаючи, що газ є ідеальним газом сталої температури, і вважаючи поле тяжіння Землі однорідним, отримують барометричну формулу такого вигляду:

де p₀ — тиск на нульовому рівні (на рівні вибою в газових свердловинах, біля поверхні Землі або на рівні моря), Па;

p — тиск на висоті h, м над цією поверхнею, Па;

m — маса молекули (для повітря дорівнює масі молекули азоту), кг;

g — прискорення вільного падіння, м/с²;

k — стала Больцмана, Дж/К;

T — абсолютна температура повітря, К.

Больцман довів, що співвідношення справедливе не тільки у випадку потенціального поля сил земного тяжіння, але і в довільному потенціальному полі сил для сукупності довільних однакових частинок, що знаходяться у стані хаотичного теплового руху. Тому вираз називається розподілом Больцмана у зовнішньому потенціальному полі.

Із цього виразу видно, що чим менша потенціальна енергія молекул, тим більша їх концентрація.

Розпо́діл Ма́ксвелла — Бо́льцмана визначає ймовірність того, що частинка ідеального газу перебуває в стані з певною енергією.

Ймовірність того, що частинка перебуває в стані з енергією згідно з розподілом Больцмана визначається формулою:

де μ — хімічний потенціал, T — температура, k_B — стала Больцмана.

Хімічний потенціал μ визначається з умови

де N — число частинок.

Розподіл Больцмана справедливий тільки в тих випадках, коли . Ця умова реалізується при високих температурах.

Термодинамічна система - це якась фізична система, що складається з великої кількості частинок, здатна обмінюватися з навколишнім середовищем енергією і речовиною. Також зазвичай покладається, що така система підпорядковується статистичним закономірностям. Для термодинамічних систем справедливі закони термодинаміки.

Вн́утрішня ене́ргія тіла — повна енергія термодинамічної системи за винятком її кінетичної енергії як цілого і потенціальної енергії тіла в полі зовнішніх сил. Внутрішня енергія складається з кінетичної енергії хаотичного руху молекул, потенціальної енергії взаємодії між ними і внутрішньомолекулярної енергії.

Внутрішня енергія є однозначною функцією рівноважного стану системи. Це означає, що кожний раз, коли система опиняється в даному рівноважному стані, її внутрішня енергія приймає властиве цьому стану значення, незалежно від передісторії системи. Отже, зміна внутрішньої енергії при переході з одного стану в інший буде завжди дорівнювати різниці значень в цих станах, незалежно від шляху, по якому здійснювався перехід. Внутрішню енергію тіла не можна виміряти напряму. Можна визначити тільки зміну внутрішньої енергії:

де — кількість теплоти, передана термодинамічній системі, — робота, виконана над термодинамічною системою^[1] або:

де , робота виконана термодинамічною системою.

Кількість теплоти або кількість тепла - фізична величина, яка характеризує процеси обміну енергією між тілами.

Позначається зазвичай літерою Q, має розмірність енергії. В системі СІ вимірюється в Джоулях, проте доволі популярною залишається позасистемна одиниця вимірювання - калорія.

Кількість теплоти, яка передається тілу, або відбирається від тіла в зворотніх рівноважних процесах, можна визначити із першого закону термодинаміки:

де Q - кількість теплоти, отриманої тілом, - зміна його внутрішньої енергії, A - робота, виконана тілом над іншими тілами.

Ро́бота є однією з основних фізичних величин. В механіці елементарна робота визначається як

де — сила, а — елементарне (нескінченно мале) переміщення.

Елементарна робота термодинамічної системи над зовнішнім середовищем може бути обчислено так:

де — нормаль елементарної (нескінченно малою) майданчики, — тиск і — нескінченно мале збільшення об'єм а.

Робота в процес , таким чином, висловлюється так:

Величина роботи залежить від шляху, по якому термодинамічний система переходить зі стану в стан , і не є функцією стану системи. Такі величини називають функціями процесу.

Пито́ма теплоє́мність — характеристика речовини, яка вказує кількість теплоти, необхідної для нагрівання одиниці маси речовини на 1°C, або ж кількість теплоти, що виділяється при охолодженні одиниці маси речовини.

Позначається здебільшого літерою c (для теплоємності тіла будь-якої маси зазвичай використовується велика літера C). В СІ питома теплоємність вимірюється в Дж/кг·К або Дж/кг·°C.

Використовується також поняття молярної теплоємності - це кількість теплоти, яку необхідно надати молю речовини, щоб нагріти його на один градус.

Кількість теплоти, необхідна для нагрівання будь-якого тіла на один градус називається просто теплоємністю тіла.

Молярна теплоємність - це теплоємність одного моля речовини.

Зв'язок з питомою теплоємністю: