Термодинамика идеального газа

Термодинамика идеального газа

Термодинамика идеального газа

Любая система, поставленная и находящиеся в определенных внешних условиях, рано или поздно приходит в новое, термодинамическое состояние равновесия. Это научное утверждение можно рассматривать как один из главных постулатов статистической физики.

Рисунок 1. Термодинамические свойства газов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В понятие основных внешних условий входит задание положений координат внешних по отношению к концепции тел, определяющих частицы и их силы. Эти показатели внешних тел называются внешними параметрами идеального газа.

В случае изотропной равномерной системы вместо показаний координат, внутри которых заключены все движущиеся элементы, в качестве внешней величины часто используется просто объем концепции.

В определенных случаях, когда внешние физические тела создают протяженные поля (электрические, магнитные и гравитационные) в качестве величин выбираются напряженности самих полей.

Замечание 1

Наряду с внешними показателями различают внутренние величины, характеризующие ключевые свойства самой системы.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Например, давление на физическое тело, которое зависит от температуры и энергетического объема при отсутствии внешних полей. К числу внутренних параметров ученые относят уровень диссоциации молекулярного газа, зависящий от его плотности и объема. Другими словами, внутренние критерии идеальных газов вполне самостоятельны и не зависят от внешних параметров.

В состоянии термодинамического и прямолинейного равновесия системы ее величины имеют, при правильно заданных показателях и температуре (энергии), конкретные численные значения.

Термодинамические параметры и идеальный газ

Рисунок 2. Уравнение состояния идеального газа. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Определение 1

Идеальный газ – это особое вещество, при изучении свойств которого соблюдаются определенные условия взаимодействия элементарных частиц.

К таким условиям относят:

  • постоянное соударения молекул такого газа происходят, как удары упругих шаров, размеры которых ничтожно малы;
  • от столкновения до столкновения атомы движутся прямолинейно и равномерно;
  • не учитываются силы взаимодействия между молекулами.

Реальные газы при нахождении в помещение комнатной температуре и нормальном давлении будут вести себя как идеальные газы. Такими элементами системы могут водород, гелий, свойства которых уже при привычных условиях отвечают всем закономерностям идеального газа.

Состояние определенной массы идеального газа будет с точностью определяться значениями трех показателей: $P, V, T$. Эти физические величины, которые описывают состояние газа, называются параметрами макросостояния, закономерно связанные друг с другом, поэтому изменение одного элемента влечет за собой изменение другого.

Соотношение, дающее взаимосвязь между основными параметрами материального тела, называется в физике уравнением состояния. Следовательно, такое соотношение выступает в качестве главного уравнения состояния идеального газа. Основными процессами в термодинамике идеальных газов, важными в прикладном и теоретическом отношениях, являются:

  • изохорный — протекающий при постоянном и равномерном объеме;
  • изобарный- возникающий при стабильном давлении;
  • изотермический – функционирующий при постоянной температуре;
  • адиабатный — процесс, в котором отсутствует теплообмен с окружающей средой.

Методы исследования физических процессов, не зависящие от их характеристик, выполняют важную роль, вычисляя работу изменения общего объема газа и определяя количество возможной теплоты, подведенной к элементу в процессе. Также с помощью термодинамических способов возможно установить наличие внутренней энергии системы и изменить энтропию концепции.

Калорические параметры состояния идеального газа

Рисунок 3. Уравнение адиабаты для идеального газа. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

К калорическим основным параметрам состояния исследуемого физического элемента относятся следующие термодинамические величины:

  1. Энтропия. Согласно этому показателю теплота элементарной частицы не является функцией состояния, так как количество теплового процесса зависит от взаимодействия движущихся в системе элементов.
  2. Энтальпия. Данный критерий представляет собой сумму внутренней энергии материального тела и произведения давления на его объем. Удельная энтальпия может определять отношение вещества к собственной массе, следовательно, можно определить количество теплоты, участвующее в процессе
  3. Внутренняя энергия. Эта величина демонстрирует калорический параметр общего состояния, поэтому ее изменение не зависит от термодинамического процесса, а определяется исключительно начальными и конечными состояниями концепции.

При детальном исследовании указанных процессов возможно определить уравнение системы в координатах и связь между основными параметрами состояния идеального газа, измерение внутреннего энергетического потенциала, а также реальную величину внешней работы и количество поглощенной теплоты.

Теплоемкость идеальных газов

Рисунок 4. Теплоемкость идеального газа. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Экспериментально измеренные теплоемкости идеальных газов при обычных внешних условиях практически идеально согласуются с другими постулатами классической термодинамики.

Однако, в целом классическая гипотеза теплоемкости данных веществ не может считаться вполне удовлетворительной и подходящей для всех систем. Существует много различных примеров весомых расхождений между экспериментом и теорией.

Это обуславливается тем, что существующая теория не в состоянии в полной мере учесть энергию, непосредственно связанную с внутренними движениями в самой молекуле.

Гипотезу о равномерном и прямолинейном распределении тепловой энергии по степеням свободы возможно применить и к движению частиц в твердом теле. Атомы, которые входят в состав кристаллической решетки, совершают определенные колебания возле положений равновесия. Энергетический потенциал таких вибраций представляет собой внутреннюю силу физического вещества.

Замечание 2

Опыт доказывает, что практически все идеальные газы имеют молярную теплоемкость, возникающую при обычных температурах.

Но, при нулевой температуре сразу появляются значительные расхождения между движущимися элементами. Следует отметить, что «количество теплоты» и «теплоемкость» — достаточно неудачные термины. Они достались современной науке в наследство от устаревших принципов теории теплорода, которая господствовала в начале XVIII столетия.

Эта гипотеза рассматривала теплоту и энергию идеальных газов как универсальное невесомое вещество, содержащееся во всех физических телах. Считалось, что такие параметры не могут быть ни созданы, ни уничтожены. Нагревание материальных веществ объяснялось увеличением, а охлаждение – уменьшением содержащегося внутри них теплорода.

Однако теория теплорода не совсем состоятельна. Она не может описать, почему одинаковые изменения внутренней энергии тела возможно получить, передавая ему абсолютно разное количество теплоты в зависимости от совершаемой системой работы.

Поэтому лишено физического смысла и само утверждение, что «в физическом теле содержится определенный запас теплоты».

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/termodinamika/termodinamika_idealnogo_gaza/

2. Термодинамика идеального газа

Термодинамика идеального газа

МЧС России

Санкт-Петербургскийуниверситет государственной противопожарнойслужбы

Утверждаю

Начальник кафедрыфизики и теплотехники, полковник вн.сл.Иванов А.Н.

(должность,звание, ФИО)

«13» октября 2008 года

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине«Физика»

Специальность 280104.65 — Пожарная безопасность

Заочное отделение,6 лет

Тема № 7 «Основымолекулярной физики и термодинамики»

Обсуждена назаседании кафедры

Протокол № 2/10 от

«13» октября 2008года

Санкт- Петербург

2008

I.Цели занятия

1.Образовательная – изучение понятийи законов раздела основы молекулярнойфизики и термодинамики

2.воспитательные

-применение рассмотренных явлений впожарной безопасности

-повышение квалификации сотрудниковГПС

II.Расчёт учебного времени

и порядок проведения занятия

Время, мин.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Учебные вопросы

1. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа.

2. Термодинамика идеального газа

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5

170

80

90

5

III.Литература

Основная:

1.Трофимова Т.И. Курс физики. — М.: Высшаяшкола, 2003, с.81-118.

Дополнительная:

Савельев И.В. Курс общей физики. — М.: Наука, 1989, Т.1.

ТрубилкоА.И., Звонов В.С., Поляков А.С., ДятченкоА.А. Электричество. Пособие длясамостоятельной работы — СПб.: СПбИПБ МВД России, 1998.

IV.Учебно-материальное обеспечение

  1. Технические средства обучения: мультимедийный проектор, интерактивная доска.

V.Текст лекции

Вводнаячасть. Ставятся цели занятия.

Учебные вопросы

1. Основноеуравнение молекулярно-кинетическойтеории идеального газа.

Различаюттри агрегатных состояния вещества твердое, жидкое и газообразное.Газообразное состояние является наиболеепростым, т. к. в этом случае силы,действующие между молекулами, оченьмалы, и при определенных условиях имиможно пренебречь.

В настоящем курсемолекулярной физики в основномрассматриваются свойства газов. Приэтом сначала мы будем полагать, чтомежмолекулярные силы в них не толькомалы, но и полностью отсутствуют.Пренебрежем также размерами молекул,т. е. будем считать их материальнымиточками.

При таких допущениях молекулыгаза должны считаться совершенносвободными. Это означает, что, как итела, не подверженные действию каких-либосил, они движутся прямолинейно иравномерно. Следовательно, каждаямолекула ведет себя так, как будто другихмолекул в сосуде нет.

Газ, обладающийтакими же свойствами, как и совокупностьневзаимодействующих материальныхточек, называется идеальнымгазом. Болеестрого: под идеальнымгазом понимаетсясистема, в которой можно пренебречьэнергией взаимодействия частиц (атомовили молекул) по сравнению с их кинетическойэнергией.

В такой системе частицы восновном движутся прямолинейно иравномерно, испытывая кратковременныестолкновения друг с другом и со стенкамисосуда, в котором газ заключен.

Уравнение,связывающее три величины давление ,объеми температуругаза, для данной его массы называетсяуравнениемсостояния.В общем виде оно может быть записаноследующим образом: .Это значит, что состояние газа определяетсятолько двумя независимыми параметрами(например, давлением и объемом), третийпараметр однозначно определяется двумядругими.

Всякий газ, еслион достаточно разрежен, подчиняетсязакону Клапейрона

. (1)

Здесьмасса газа, молекулярный вес, универсальная газовая постоянная.Величина

(2)

представляетсобой число киломолей в данной массегаза. Если ввести понятие молярногообъема .т. е. объема, приходящегося на одинкиломоль газа

, (3)

то уравнение (1.1)примет вид

, (4)

универсальныйдля всех сортов газов. Уравнение (1) (или(4)) представляет собой уравнениесостояния идеального газа.

Единицы измерения:

,

,

,

,

,

.

Отсюдавытекает размерность газовой постоянной:и численное значение в системе единицСИ:

. (5)

Из (1.4) легко получитькак частный случай известные законыидеальных газов.

1)Закон БойляМариотта

При .

. (6)

Это – изотермы При малых объемах газ в действительностиперестает быть идеальным.

2)ЗаконГей-Люссака Шарля

При .

(7)

Это – изобары.График изобары имеет вид прямой, исходящейиз начала координат

3)ЗаконГей-Люссака

При .

(8)

Процесс,происходящий при постоянном объеме,называется изохорическим.График изохоры, как и график изобары,представляет собой прямую, исходящуюиз начала координат

Изменение состояния и работа.Возьмемкакое-либо физическое тело. Будемназывать его системой. С точки зренияфизики система характеризуется своимсостоянием. Состояние характеризуетсясовокупностьюпараметров (внешнихи внутренних).

Всякая система, поставленная в определенныевнешние условия, рано или поздно приходитв состояние термодинамического(статистического) равновесия.Этоутверждение можно рассматривать какодин из основных постулатов статистическойфизики.

В понятие определенных внешних условийвходит, во-первых, задание положений(координат) внешних по отношению ксистеме тел, определяющих силы, действующиена частицы системы. Эти координаты(положения) внешних тел называютсявнешними параметрами.

В случаеоднородной изотропной системы вместозадания координат стенок сосуда, внутрикоторого заключена система, в качествевнешнего параметра можно ввести простообъем системы.

В тех случаях, когда внешние тела создаютв системе протяженные полямагнитные, электрические, гравитационные,в качестве внешнихпараметров выбираются напряженностисамих полей.

Наряду с внешними параметрами будемразличать внутренние параметрывеличины, характеризующие свойствасамой системы.

Например, к их числуотносится давление, которое для однороднойи изотропной системы при отсутствиивнешних полей зависит от объема итемпературы (или энергии) системы.

Кчислу внутренних же параметров принадлежитстепень диссоциации молекулярногогаза, зависящая от его плотности (объема)и температуры. Вообще говоря, внутренниепараметры зависят от внешних параметрови температуры (или энергии) системы.

В состоянии термодинамическогоравновесиясистемы ее внутренниепараметры имеют, при заданных внешнихпараметрах и температуре (энергии),определенные численные значения(с точностью до малых флуктуаций, обусловленных молекулярной структурой системы).

Рассмотрим простейшую систему идеальный газ. Если считать массу газазаранее заданной, например,,то параметрами, характеризующимисостояние этой системы, будут давление,объеми температура.Они связаны уравнением состоянияидеального газа (1.4):.Таким образом, независимыми будут любыедва из них. Варьируя параметры можноприводить систему в разные состояния.

1.Опыты Джоуля показали, что припереходе механической работы в тепло1) одинаковое количество работывсегдадает одинаковое количество тепла; 2)тепло пропорционально работе.

4,184 дж1калория, (9)

где1 калорияколичество тепла, нагревающего 1гводы в интервале температур отдо.

Замечание:количество тепла измеряетсяпри этом исходя из формулы:.

2.

Если мы будем переводить систему(газ) из состояния 1 в 2 и учитывать приэтом не только работу (зависящую от путиперехода), но и переданное тепло (тожезависящее от пути перехода), то в суммесовершенная над газом работа и сообщенноеему тепло не зависят от пути перехода.Значит, их сумма является функцией,зависящей только от состояний 1 и 2.Этаоднозначнаяфункция состояниявнутренняя энергиясистемы

Отсюда мы приходим к первому началутермодинамики, которое являетсяобобщением закона сохранения механическойэнергии: при любых возможных способахперехода из состояния 1 в 2 суммамеханических эквивалентов всех внешнихвоздействий остается неизменной.

В дифференциальной форме:

, (10)

здесьработа,совершаемая внешними силами над газом,а- теплота, сообщаемая газу.

Таким образом, при феноменологическомразвитии термодинамики 1-ое началопостулируетдля системы существованиенекоторой функции состояния,называемой внутренней энергией, котораяможет меняться как за счет работы,совершаемой над системой, так и за счеттеплоты,ей передаваемой .

Источник: https://studfile.net/preview/5676154/

Booksm
Добавить комментарий