Внутренняя энергия идеального газа. Число степеней свободы. Теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы

Согласно закону Джоуля, выведенному эмпирически, внутренняя энергия идеального газа не зависит от давления или объёма. Исходя из этого факта, можно получить выражение для изменения внутренней энергии идеального газа. По определению молярной теплоёмкости при постоянном объёме.(dU/dT)_v=C_v Так как внутренняя энергия идеального газа является функцией только от температуры, то

. дельта U=интеграл от Т₁ до Т₂*нюС_vdT

 

Эта же формула верна и для вычисления изменения внутренней энергии любого тела, но только в процессах при постоянном объёме (изохорных процессах); в общем случае является функцией и температуры, и объёма.

 

Если пренебречь изменением молярной теплоёмкости при изменении температуры, получим:  C_v(T,V)

где v — количество вещества, дельта Т — изменение температуры.

 

В общем случае, внутренняя энергия U = i/3 VRT, где i - количество степеней свободы.  

Для одноатомного газа она равна 3 (движение по XYZ), для двухатомного 5 (движение по XYZ + вращение вокруг двух осей) и так далее.

 

Термодинамика — наука о наиболее общих свойствах физических макросистем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями [5]. Термодинамика построена на основе фундаментальных начал (законов), которые являются обобщением большого числа наблюдений и выполняются независимо от конкретной природы тел, образующих систему. Однако рассматривая основные понятия термодинамики, мы будем использовать и статистическую интерпретацию.

Число степеней свободы i определяется числом независимых координат и осей, описывающих движение частицы в пространстве. На каждую степень свободы статистической системы приходится одна и та же энергия, равная. В этом состоит суть теоремы о равнораспределении тепловой энергии по степеням свободы. Для сложных молекул, состоящих из нескольких атомов, число степеней свободы увеличивается за счёт вращательных и колебательных. Если пренебречь изменением потенциальной энергии взаимодействия частиц, то молекулы можно рассматривать как «жёсткие». Для жестких двухатомных молекул число степеней свободы i равно 5, из них 3 — поступательных (три независимые координаты х,y,z, описывающие положение частицы в пространстве) и 2 вращательных. (две независимых оси вращения). Для жёстких трёхатомных и многоатомных молекул число степеней свободы равно 6, из них 3 поступательных и 3 вращательных. Для жёстких одноатомных молекул число степеней свободы равно 3 и все они поступательные.

 

Билет

Современная трактовка законов Ньютона. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета.

1й - Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго.

 

 

Закон верен также в ситуации, когда внешние воздействия присутствуют, но взаимно компенсируются (это следует из 2-го закона Ньютона, так как скомпенсированные силы сообщают телу нулевое суммарное ускорение).

2й - В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.

 При подходящем выборе единиц измерения, этот закон можно записать в виде формулы:

a=F/m

где a — ускорение материальной точки;

 F — сила, приложенная к материальной точке;

m— масса материальной точки.

 

3й - Материальные точки попарно действуют друг на друга с силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению:

F_2->1=-F_1->2

Закон отражает принцип парного взаимодействия. То есть все силы в природе рождаются парами.

 

Инерциальная система отсчёта (ИСО) — система отсчёта, в которой справедлив закон инерции: все свободные тела (то есть такие, на которые не действуют внешние силы или действие этих сил компенсируется) движутся прямолинейно и равномерно или покоятся. Эквивалентной является следующая формулировка, удобная для использования в теоретической механике

Неинерциальная система отсчёта — система отсчёта, к которой не применим закон инерции (говорящий о том, что каждое тело, в отсутствие действующих на него сил, движется по прямой и с постоянной скоростью), и поэтому для согласования сил и ускорений в которой приходится вводить фиктивные силы инерции. Всякая система отсчета, движущаяся с ускорением относительно инерциальной, является неинерциальной.