Презентация на тему "Молекулярная физика и термодинамика"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Молекулярная физика и термодинамика

  Курс лекций по общей физике

• 
  Слайд 2

  Методы исследования

  Термодинамический метод исследования Статистический метод исследования разделы физики, изучающие макроскопические процессы в телах, связанные с движением большого количества содержащихся в телах атомов и молекул Молекулярная физика Термодинамика изучает строение и свойства вещества, исходяиз молекулярно-кинетических представлений основные положения МКТ усредненные значения величин изучает общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями Два начала (фундаментальные законы) устанавливает связи между макроскопическими свойствами вещества НЕ изучает микроскопическое строение вещества НЕ изучает механизм явлений

• 
  Слайд 3

  Основные понятия

  T = 273,15 + t Термодинамическая система совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами Термодинамические параметры давление P объем V температура Т Моль количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода 12C NA = 6,022·1023 моль–1 число Авогадро абсолютным нулем температуры – точка нулевого давления газа Реперные точки температура тройной точки воды: лед, вода и пар – в тепловом равновесии в шкале Кельвина 0,01° С 273,16 К

• 
  Слайд 4

  Основные положения МКТ

  Идеальный газ 1. Все тела состоят из молекул Основные положения МКТ Газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия 2. Молекулы непрерывно движутся 3. Молекулы взаимодействуют между собой и со стенками сосуда энергия движения молекул энергия взаимодействия молекул внутренняя энергия газа С достаточной степенью точности газы можно считать идеальными в тех случаях, когда рассматриваются их состояния, далекие от областей фазовых переходов Физическая модель

• 
  Слайд 5

  Основное уравнение МКТ

  Основное уравнение МКТ идеальных газов средняя квадратичная скорость молекул Средние квадратичные скорости молекул при н.у. для О2 - V ≈ 425 м/с, для Н2 - V ≈ 1700 м/с Водяной пар - V≈ 570 м/с Средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа Температура – мера средней кинетической энергии молекул Температура – понятие статистическое ! число степеней свободы молекулы i = iпост+ iвращ+ 2iкол Число степеней свободы

• 
  Слайд 6

  Уравнение состояния идеального газа

  Уравнение Менделеева-Клапейрона М – молярная масса  – количество вещества R=8,31 Дж/(моль∙К) – универсальная газовая постоянная k=R/NA= 1,38 ∙10-23Дж/К– постоянная Больцмана n – концентрация молекул

• 
  Слайд 7

  Внутренняя энергия идеального газа

  Способы изменения внутренней энергии Работа Теплопередача Теплопроводность энергия движения молекул энергия взаимодействия молекул внутренняя энергия газа Q A Конвекция Излучение твердые тела жидкости, газы все тела Q = U + A’ I начало термодинамики для идеального газа U = Q + A

• 
  Слайд 8

  Явления переноса в термодинамически неравновесных системах

  Теплопроводность обусловлена переносом энергии Внутреннее трение обусловлено переносом импульса Диффузия обусловлена переносом массы Необратимые процессы Макроскопическая система, состояние которой с течением времени меняется Термодинамически неравновесная система Явления переноса пространственное перераспределение энергии, массы, импульса происходит Экспериментально полученные соотношения

• 
  Слайд 9

  Теплопроводность

  Обусловлена переносом энергии Закон Фурье Если в одной области газа Ек молекул >, чем в другой выравнивание температур плотностьтеплового потока градиент температур энергия переносится в направлении ↓ Т теплопроводность происходит удельная теплоемкость газа при постоянном объеме количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме энергия, переносимая в форме теплоты в ед-цу времени через единич. площадку,  оси х

• 
  Слайд 10

  Диффузия

  Закон Фука Самопроизвольное проникновениеи перемешивание частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел плотностьпотока массы градиент плотности Для химически однородного газа коэффициент диффузии Обусловлена переносом массы масса вещества, переносимая в ед-цу времени через единич. площадку,  оси х перенос массы – в направлении ↓

• 
  Слайд 11

  Внутреннее трение (вязкость)

  Закон Ньютона Если параллельныеслои жидкости (газа) движутся с различными скоростями плотностьпотока импульса градиент скорости динамическая вязкость Обусловлена переносом импульса полный импульс, переносимый в ед-цу времени через единичную площадку,  оси х перенос импульса – в направлении ↓ обмен молекулами между слоями обмен импульсами торможение быстрого, ускорение медленного

• 
  Слайд 12

  Вязкость

  Вязкость(внутреннее трение) Свойство жидкостей (газов) оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой Градиент скорости показывает, как быстро меняется скорость при переходе от слоя к слою в направлении х, направлению движения слоев  – коэффициент пропорциональности зависит от: химических свойств жидкости температуры (для жидкостей зависимость обратная,для газов – прямая пропорциональность) Динамическая вязкость (вязкость) [] = Па∙с 1 Пас – динамическая вязкости среды,в которой при ламинарном течении и градиенте скорости, равным 1 м/с на 1 м,возникает сила внутреннего трения 1 Н на 1 м2 поверхности касания слоев (1 Пас= 1 Нс/м2)

• 
  Слайд 13

  Первое начало термодинамики

  U1 V1 T1 или Q > 0 Количество теплотыподводится к системе Q 0 А

• 
  Слайд 14

  Работа газа при изменении его объема

  Р S dl Q справедливо при любых изменениях объема твердых, жидких и газообразных тел Графически можно изображать только равновесные процессы (последовательности равновесных состояний) Все реальные процессы неравновесны !

• 
  Слайд 15

  Теплоемкость

  Удельная теплоемкость вещества Численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг вещества на 1 К Теплоемкость при постоянном объеме Теплоемкость при постоянном давлении [с] = Дж/(кг∙К) Молярная теплоемкость вещества Численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 моля вещества на 1 К [С] = Дж/(моль∙К) Различают для 1 моля Теплоемкость тела Численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания тела на 1 К

• 
  Слайд 16

  Изопроцессы

  Изотермический Изобарный Изохорный V=const =0 Молярная теплоемкость при постоянном объеме С учетом Р=const Все количество теплоты, полученное телом, идет на изменение внутренней энергии равная Q, необходимому для нагревания 1 моль вещества на 1 К =CV =R работа при изобарном нагревании 1 моля на 1 К Жозеф Луи Гей-Люссак, 1862 г. Роберт Бойль, 1662 г. Эдм Мариотт, 1676 г. Жак Александр Сезар Шарль, 1808 г. уравнение Майера Т=const =0 Для того, чтобы при расширении газа Т не понижалась, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить Q, эквивалентное внешней работе расширения

• 
  Слайд 17

  Адиабатический процесс

  Процесс, проходящий без теплообмена с окружающей средой показатель адиабаты Адиабатический (адиабатный) Q = 0 Уравнение Пуассона

• 
  Слайд 18

  Термодинамический цикл

  Круговой процесс (термодинамический цикл) Периодически повторяющийся процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу Коэффициент полезного действия рабочее тело нагреватель холодильник расширение сжатие работа за цикл показывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от нагревателя, превратилась в полезную работу энергетическая схема тепловой машины

• 
  Слайд 19

  Использование циклов

  рабочее тело Тепловой двигатель устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу Цикл Отто в бензиновом карбюраторном двигателе Цикл Дизеля в дизельном двигателе смесь паров бензина смесь дизельного топлива с воздухом изохора адиабата адиабата изохора изобара   30%   40% к.п.д

• 
  Слайд 20

  Цикл Карно

  Цикл Карно изотерма адиабата 1-2: изотермическое расширение газполучает тепло газ совершает работу A12=Q1 2-3: адиабатическое расширение газ совершает работу A23>0 температура падает до T2 3-4: изотермическое сжатие газотдает тепло Q2

• 
  Слайд 21

  Использование цикла Карно

  холодильник Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной Обход цикла по часовой стрелке некоторое Q отбирается от холодного резервуара и передается нагревателю за счет совершения внешней работы тепловой двигатель Обход цикла против часовой стрелки холодильная машина рабочее тело нагреватель

• 
  Слайд 22

  Второе начало термодинамики

  Клаузиус: Невозможен самопроизвольный процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой II начало ТД замкнутая система приближается к состоянию термодинамического равновесия Общее свойство необратимых процессов Кельвин: В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара

• 
  Слайд 23

  Энтропия

  Энтропия мера неупорядоченности, мера статистического беспорядка Закон возрастания энтропии При любых процессах, протекающихв термодинамических изолированных системах, энтропия не уменьшается указывает направление самопроизвольно протекающих процессов В 1878 году Л. Больцман дал вероятностную трактовку понятия энтропии энтропия системы и термодинамическая вероятность связаны между собой следующим образом принцип возрастания энтропии начало термодинамики можно сформулировать как закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой необратимый процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает. тепловой смерти Вселенной dS=dQ/T dQ=0 в замкнутой системе dS=0S=const