Средняя квадратичная скорость молекул — среднее квадратическое значение модулей скоростей всех молекул рассматриваемого количества газа

Постоя́нная Бо́льцмана ( или ) — физическая постоянная, определяющая связь между температурой и энергией. Названа в честь австрийского физика Людвига Больцмана, сделавшего большой вклад в статистическую физику, в которой эта постоянная играет ключевую роль. Её экспериментальное значение в Международной системе единиц (СИ) равно:

Дж/К^[1].

Число соударений молекул обратно пропорционально свободному объему между молекулами, следовательно, и вязкость жидкостей обратно пропорциональна этому свободному объему. [ 2 ]

Число соударений молекул, происходящих в единицу времени, зависит от скорости движения молекул и пропорционально концентрации реагирующих веществ, поскольку от концентрации зависит расстояние между молекулами. В силу этого число соударений в единицу времени увеличивается при увеличении температуры и давления в системе. [ 3 ]

Число соударений молекул очень велико (порядка Ю28 в 1 см3 / сек при обычных условиях), поэтому если бы все столкновения кончались взаимодействием, все реакции проходили бы со скоростью взрыва. Большая же часть наблюдаемых нами в жизни реакций им ет конечную скорость. [ 4 ]

Длина свободного пробега молекулы — это среднее расстояние (обозначаемое ), которое частица пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до следующего.

Длина свободного пробега каждой молекулы различна, поэтому в кинетической теории вводится понятие средней длины свободного пробега (<λ>). Величина <λ> является характеристикой всей совокупности молекул газа при заданных значениях давления и температуры.

, где — эффективное сечение молекулы, — концентрация молекул.

22 С тех пор она называется функцией распределения молекул по скоростям или законом Максвелла.

Аналитически она выражается формулой

где m – масса молекулы, k – постоянная Больцмана.

Наиболее вероятная скорость – это скорость, вблизи которой на единичный интервал скоростей приходится наибольшее число молекул. Она рассчитывается по формуле:

1 Теплопроводность. Если в первой области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем во второй, то вследствие постоянных столкновений молекул с течением времени происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул, т. е., выравнивание температур. Перенос энергии в форме теплоты подчиняется закону Фурье:

(1)

где j_E — плотность теплового потока — величина, которая определяется энергией, переносимой в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х, λ — теплопроводность, — градиент температуры, равный скорости изменения температуры на единицу длины х в направлении нормали к этой площадке. Знак минус говорит о том, что во время теплопроводности энергия перемещается в направлении убывания температуры (поэтому знаки j_E и – противоположны). Теплопроводность λ равна плотности теплового потока при градиенте температуры, равном единице.

2 Диффузия.

Явление диффузии для химически однородного газа подчиняется закону Фика:

(3)

где j_m — плотность потока массы — величина, определяемая массой вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х, D — диффузия (коэффициент диффузии), dρ/dx — градиент плотности, который равен скорости изменения плотности на единицу длины х в направлении нормали к этой площадке. Знак минус говорит о том, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности (поэтому знаки j_m и dρ/dx противоположны). Диффузия D численно равна плотности потока массы при градиенте плотности, равном единице. Согласно кинетической теории газов,

3 Внутреннее трение Как известно, сила внутреннего трения между двумя слоями газа (жидкости) подчиняется закону Ньютона:

(5)

где η — динамическая вязкость (вязкость), d ν /dx — градиент скорости, который показывает быстроту изменения скорости в направлении х, перпендикулярном направлению движения слоев, S — площадь, на которую действует сила F.

24 Термодинамика – один из разделов физики, состоящих из наиболее общих физических теорий. Её метод исследования и законы используются в самых разнообразных отраслях науки: в теоретической физике и физике твердого тела, в физической химии, металлургии и металловедении, в теории тепловых машин и в биологии.

Метод термодинамического исследования заключается в применении законов термодинамики к различным процессам и в их логическом развитии с использованием математического аппарата.

Термодинамические системы[править | править вики-текст]

В термодинамике изучаются физические системы, состоящие из большого числа частиц и находящиеся в состоянии термодинамического равновесия или близком к нему. Такие системы называются термодинамическими системами.

Термодинамическое равновесие[править | править вики-текст]

Фундаментальным для классической термодинамики является понятие термодинамического равновесия, которое тоже плохо поддаётся логическому определению и формулируется как обобщение экспериментальных фактов. Утверждается, что любая замкнутая термодинамическая система, для которой внешние условия остаются неизменными, с течением времени переходит в равновесное состояние, в котором прекращаются все макроскопические процессы.

Термодинамические параметры[править | править вики-текст]

Термодинамика не рассматривает особенности строения тел на молекулярном уровне. Равновесные состояния термодинамических систем могут быть описаны с помощью небольшого числа макроскопических параметров, таких как температура, давление, плотность, концентрации компонентов и т. д., которые могут быть измерены макроскопическими приборами.

Термодинамические процессы[править | править вики-текст]

При изменении внешних параметров или при передаче энергии в систему в ней могут возникать сложные процессы на макроскопическом и молекулярном уровне, в результате которых система переходит в другое состояние. Равновесная термодинамика не занимается описанием этих переходных процессов, а рассматривает состояние, устанавливающееся после релаксации неравновесностей.

25. Теплоёмкость тела (обычно обозначается латинской буквой C) — физическая величина, определяемая отношением бесконечно малого количества теплоты δ Q, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры δ T:

Закон Джо́уля — Ле́нца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Математически может быть выражен в следующей форме:

где — мощность выделения тепла в единице объёма, — плотность электрического тока, — напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды, а точкой обозначено скалярное произведение.

В интегральной форме этот закон имеет вид

где dQ — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени dt, I — сила тока, R — сопротивление, Q — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t₁ до t₂. В случае постоянных силы тока и сопротивления:

Формула Майера для удельных теплоёмкостей:

или

СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ
Импульсный метод измерения теплоемкости металлов(проводников).
В импульсном методе измерения теплоемкости,через испытуемый образец
металла, пропускают электрический ток известной силы. При пропускании
через образец импульсов тока прямоугольной формы наблюдается
пилообразное изменение температуры металла. Линейность процессов
нагревания и остывания достигается использованием образцов малой массы
и объема.Выяснено, что метод обеспечивает высокую точность, и основной
вклад в погрешность измерений вносят погрешности приборов,
несовершенство прямоугольных импульсов. Суммарная погрешность
составляет 6%.

КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ
ТЕПЛОЕМКОСТИ.
Действия по измерению теплоемкости с помощью калориметра.Сводятся к
вводу в калориметр известного количества теплоты и измерению вызванного
этим изменения температуры изучаемого вещества.

26. Обратимые и необратимые процессы, пути изменения состояния термодинамической системы. Процесс называют обратимым, если он допускает возвращение рассматриваемой системы из конечного состояния в исходное через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимую в обратном порядке. При этом в исходное состояние возвращается не только система, но и среда. Обратимый процесс возможен, если и в системе, и в окружающей среде он протекает равновесно. При этом предполагается, что равновесие существует между отдельными частями рассматриваемой системы и на границе с окружающей средой. Обратимый процесс - идеализированный случай, достижимый лишь при бесконечно медленном изменении термодинамических параметров. Скорость установления равновесия должна быть больше, чем скорость рассматриваемого процесса. Если невозможно найти способ вернуть и систему, и тела в окружающей среде в исходное состояние, процесс изменения состояния системы называют необратимым. Необратимые процессы могут протекать самопроизвольно только в одном направлении; таковы диффузия,теплопроводность, вязкое течение и другое. Для химической реакции применяют понятия термодинамической и кинетической обратимости, которые совпадают только в непосредственной близости к состоянию равновесия.

Совокупность тел любой физической природы и любого химического состава, характеризуемая некоторым числом макроскопических параметров, называется термодинамической системой. Для описания состояния простейшей термодинамической системы необходимо знать ее температуру t, объем V и давление р, так называемые термодинамические (макроскопические) параметры.

Опыт показывает, что система, предоставленная самой себе, по прошествии некоторого промежутка времени приходит в состояние, в котором каждый параметр имеет одинаковое значение во всех точках системы и остается неизменным с течением времени. Такое состояние называется равновесным или состоянием термодинамического равновесия.

Возможны и такие состояния системы, в которых какой-либо из параметров имеет неодинаковые значения в ее различных точках, т.е. не существует единого значения данного параметра для всей системы. В этом случае равновесие еще не установилось, и такое состояние называется неравновесным.

Изопроцессы — термодинамические процессы, во время которых количество вещества и ещё одна из физических величин — параметров состояния: давление, объём илитемпература — остаются неизменными. Так, неизменному давлению соответствует изобарный процесс, объёму — изохорный, температуре — изотермический, энтропии —изоэнтропийный (например, обратимый адиабатический процесс). Линии, изображающие данные процессы на какой-либо термодинамической диаграмме, называются изобара,изохора, изотерма и адиабата соответственно. Изопроцессы являются частными случаями политропного процесса.

Изобарный процесс (др.-греч. ισος, isos — «одинаковый» + βαρος, baros — «вес») — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении ()

Изохорный процесс[править | править вики-текст]

Основная статья: Изохорный процесс

Изохорный процесс (от греч. хора — занимаемое место) — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объёме (). Для идеальных газов изохорический процесс описывается законом Шарля: для данной массы газа при постоянном объёме, давление прямо пропорционально температуре:

Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, проходя через ряд состояний, возвращается в первоначальное. На диаграмме цикл изображается замкнутой кривой (рис. 1). Цикл, который совершает идеальный газ, можно разбить на процессы расширения (1—2) и сжатия (2—1) газа. Работа расширения (равна площади фигуры 1a2V2V11) положительна (dV>0), работа сжатия (равна площади фигуры 2b1V₁V₂2) отрицательна (dV<0). Следовательно, работа, которую совершает газ за цикл, равен площади, охватываемой замкнутой кривой. Если за цикл совершается положительная работа A=∫pdV>0 (цикл идет по часовой стрелке), то он называется прямым (рис. 1, а), если за цикл осуществляется отрицательная работа A=∫pdV<0 (цикл идет против часовой стрелки), то он называется обратным (рис. 1, б).

Рис.1

Прямой цикл применяется в тепловых двигателях — периодически действующих двигателях, которые совершают работу за счет полученной извне теплоты. Обратный цикл применяется в холодильных машинах — периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переходит к телу с более высокой температурой.

27. адиаба́тный проце́сс (от др.-греч. ἀδιάβατος — «непроходимый») — термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается теплотой с окружающим пространством. первое начало термодинамики в этом случае приобретает вид^[7]^{[Комм 1]}

где — изменение внутренней энергии тела, — работа, совершаемая системой.

Изменения энтропии S системы в обратимом адиабатическом процессе вследствие передачи тепла через границы системы не происходит^[8]:

Здесь — температура системы, — теплота, полученная системой. Благодаря этому адиабатический процесс может быть составной частью обратимого цикла^].

Уравне́ние Пуассо́на — эллиптическое дифференциальное уравнение в частных производных, которое описывает

· электростатическое поле,

· стационарное поле температуры,

· поле давления,

· поле потенциала скорости в гидродинамике.

Оно названо в честь знаменитого французского физика и математика Симеона Дени Пуассона.

Это уравнение имеет вид:

где — оператор Лапласа или лапласиан, а — вещественная или комплексная функция на некотором многообразии.

В трёхмерной декартовой системе координат уравнение принимает форму:

В декартовой системе координат оператор Лапласа записывается в форме и уравнение Пуассона принимает вид:

Если f стремится к нулю, то уравнение Пуассона превращается в уравнение Лапласа (уравнение Лапласа — частный случай уравнения Пуассона):

Политропный процесс, политропический процесс — термодинамический процесс, во время которого удельная теплоёмкость газа остаётся неизменной.

В соответствии с сущностью понятия теплоёмкости , предельными частными явлениями политропного процесса являются изотермический процесс () иадиабатный процесс ().

В случае идеального газа, изобарный процесс и изохорный процесс также являются политропными (удельные теплоёмкости идеального газа при постоянном объёме и постоянном давлении соответственно равны и ( и не меняются при изменении термодинамических параметров).

Для идеального газа уравнение политропы может быть записано в виде:

pVn = const

где величина называется показателем политропы.

28. В термодинамике цикл Карно́ или процесс Карно — это обратимый круговой процесс, состоящий из двух адиабатических и двухизотермических процессов^[1]. В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обмениваетсятеплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой — холодильником. Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой , холодильника с температурой ирабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх обратимых стадий, две из которых осуществляются при постоянной температуре (изотермически), а две — при постоянной энтропии (адиабатически). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T (температура) и S (энтропия).

КПД

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно