Прямая доставка чая из Китая

Гуманитарные науки

Гуманитарные науки

Студенческий файлообменник

Студенческий файлообменник

Выполнение 
работ на заказ. Контрольные, курсовые и дипломные работы

Выполнение работ на заказ. Контрольные, курсовые и дипломные работы

Занимайтесь онлайн 
        с опытными репетиторами

Занимайтесь онлайн
с опытными репетиторами

Приглашаем к сотрудничеству преподователей

Приглашаем к сотрудничеству преподователей

Готовые шпаргалки, шпоры

Готовые шпаргалки, шпоры

Отчет по практике

Отчет по практике

Приглашаем авторов для работы

Авторам заработок

Решение задач по математике

Закажите реферат

Закажите реферат

Кинематика Механические передачи Молекулярная физика и термодинамика Ядерная физика

Лабораторная работа по физике. Практические занятия

ТЕРМОДИНАМИКА

Предмет термодинамики: объекты и явления физики и химии, которые являются макроскопическим результатом событий в микромире, например диффузия, растворение, охлаждение, нагревание, плавление, испарение и т. д.

Метод термодинамики: из большого числа добытых опытом истин избираются только две-три, но зато наиболее достоверные, основные по своему значению и общности, а затем методом чисто логического вывода следствий из них устанавливают множество частных закономерностей, позволяющих точно предугадать ход различных процессов и свойства различных веществ. В качестве таких истин используются 0-е, 1-е, 2-е и 3-е начала (или законы) термодинамики.

Термодинамическая система – вещество, взятое в определенном объеме и характеризующееся некоторой плотностью, упругостью, степенью нагретости, степенью наэлектризованности, степенью намагниченности и другими, непосредственно или косвенно устанавливаемыми признаками, имеющими объективную меру.

Эти признаки называют термодинамическими параметрами состояния системы. Основные теоремы электродинамики Принцип предельного поглощения и условия излучения на бесконечность Рассмотрели при формулировании условия единственности решения внешних задач электродинамики (уравнений Максвелла). Лемма Лоренца

Термодинамическое состояние системы – совокупность всех признаков (параметров), характеризующих все, чем-либо различающиеся друг от друга области системы.

В дальнейшем будут рассмотрены лишь те системы, состояние которых может быть описано следующими четырьмя параметрами: масса (m), объем (V), давление (p), температура (Т°K).

Если первые три параметра известны из механики, то для введения понятия температуры необходимо принять

НУЛЕВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ:

Всякая изолированная от окружающего мира термодинамическая система с течением времени самопроизвольно приходит в такое состояние, в котором ее параметры, приняв определенное значение,  более не меняются.

Такое состояние называется тепловым равновесием.

В дальнейшем (если это специально не оговорено) будут рассматриваться только равновесные процессы – процессы, при которых система проходит через ряд непрерывно следующих друг за другом равновесных состояний. Условия равновесности: 1). воздействия, производимые на систему, не должны изменяться резко, крупным скачком; 2). процесс должен протекать в высшей степени медленно.

Тогда разность температур – мера отклонения тел от теплового равновесия друг с другом, и температуру можно определить, задав уровень отсчета, единицу и способ измерения:

Температура эмпирическая - мера отклонения тела от состояния теплового равновесия с тающим льдом, находящимся под давлением в одну атмосферу.

Прибор для измерения температуры – термометр: сосуд с узким горлом, заполненный термометрической жидкостью и снабженный шкалой для измерения ее объема. Тогда температура по шкале Цельсия:

t°C  = ((Vx - V тающий лед ) / (V кипящая вода - V тающий лед))´100°C [град C]

Vx - объем термометрической жидкости, находящейся в тепловом равновесии с телом, температуру которого определяют.

V кипящая вода и V тающий лед - объемы термометрической жидкости, находящейся в тепловом равновесии с водой в соответствующем агрегатном состоянии,

1°C - изменение температуры, происходящее при изменении объема термометрической жидкости, равном 0,01(Vкипящая вода - Vтающий лед).

Другие температурные шкалы:

n°C(шкала Цельсия) = (0,8n)°R (шкала Реомюра) = (1,8n + 32)°F (шкала Фаренгейта) = (n + 273)°К (шкала Кельвина)

ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Тела, обладая некоторым запасом энергии (вследствие своего движения и взаимодействия с другими телами, а так же вследствие движения и взаимодействия элементов, составляющих эти тела), могут, взаимодействуя, ею обмениваться.

РАБОТА

Если этот обмен происходит на макроскопическом уровне (например, изменение скорости тела, его деформация и др.), то говорят, что сила действующая со стороны одного тела на другое, совершает над ним работу. Количественной мерой такого процесса является физическая величина работа (лучше – количество работы), по определению:

[Дж]

В этой формуле  - сила, действующая на тело, - перемещение под действием этой силы, a - угол между силой и перемещением. Единица измерения – 1джоуль: работа, совершаемая силой в 1Н при перемещении тела на 1м ().

ТЕПЛООБМЕН

Если этот обмен является совокупностью микроскопических актов обмена (например, столкновение молекул или излучение атомом фотона), то говорят, что между телами идет процесс теплообмена, количественной мерой которого является физическая величина количество теплоты (Q [кал Þ Дж]).

Приняв в качестве единицы измерения количества теплоты такое ее количество, которое необходимо для нагревания 1г воды на 1°С (1калория), легко измерить количество теплоты, передаваемое в любом процессе теплообмена: достаточно одним из обменивающихся энергией тел сделать воду известной массы и следить за изменениями ее температуры при помощи термометра.

Результаты огромного количества экспериментов позволяет сделать следующие выводы:

Систему можно перевести из одного состояния в другое () разными способами.

И работа, которую надо произвести над системой, и количество теплоты, которое ей надо сообщить,  для этого перехода существенно зависят от способа перехода.

Если при каком-либо способе перехода необходимое количество теплоты больше на n кал, чем при некотором другом, то работы при этом способе необходимо произвести на 4,186´n Дж меньше, и наоборот.

Пример: Пусть тело нагрели на несколько градусов путем теплообмена, сообщив ему 1кал теплоты. Тот же результат может быть достигнут в результате работы силы трения, причем ее величина должна быть равна 4,186Дж.

Таким образом, если измерять количество теплоты в джоулях (1кал = 4,186Дж), можно высказать следующее предположение: при переходе системы из одного состояния в другое сумма количества теплоты, переданного при этом системе и работы, совершенной над ней внешними силами, не зависит от способа перехода.

На основании этого предположения вводится новая физическая величина – внутренняя энергия системы.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

Внутренняя энергия системы – сумма работы, которую надо совершить, и количества теплоты, которое надо сообщить системе, чтобы перевести ее из начального состояния (произвольно выбранное состояние, внутренняя энергия системы в котором принимается равной нулю) в заданное состояние:

Следствия:

Внутренняя энергия – однозначная функция состояния системы, а значит параметров состояния:

Cумма работы, которую надо совершить, и количества теплоты, которое надо сообщить системе при циклическом процессе (начальное и конечное состояния совпадают) равна нулю.

ВЫВОД

Главный вывод из вышесказанного следующий:

Внутренняя энергия системы может быть изменена только двумя способами: совершением работы и теплообменом.

ß

Любое изменение внутренней энергии данной системы есть результат равного по величине и противоположного по знаку изменения внутренней энергии в системах, совершающих работу над данной системой или обменивающихся с ней теплом.

ß

Возможен лишь энергообмен, но не возникновение или уничтожение энергии. Этот вывод – суть первого начала термодинамики:

ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ:

Невозможно возникновение или уничтожение энергии.

Введем понятие вечного двигателя:

Вечный двигатель (perpetuum mobile) первого рода - двигатель, который, повторяя произвольное число раз один и тот же процесс, был бы способен производить работу в количестве, большем по сравнению с тем количеством энергии, которое он поглощает извне.

Тогда первое начало термодинамики может быть сформулировано следующим образом:

Перпетум мобиле первого рода невозможно.

ПРИМЕР

Описанные выше процессы могут быть реализованы на установке, состоящей из цилиндрического сосуда с поршнем, содержащим газ, причем стенки сосуда не проводят тепло, а через дно возможен теплообмен с нагревателем или холодильником.

В соответствии с данными выше определениями элементарная работа () газа при сдвиге поршня на расстояние:

Вся работа при расширении газа из состояния 1 в состояние 2:

В этих соотношениях n - число элементарных изменений объема, на протяжении которых давление может считаться неизменным. При n ® ¥ сумма элементарных работ (А) равна площади под кривой 1®2, или, как выяснится в 11 классе:

Эта работа – работа газа, т. е. самой системы, а работа внешних сил, фигурирующая в первом начале – работа внешних сил, равная

Полученные результаты могут быть распространены на произвольное изменение объема тела любой формы.

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Это начало может быть сформулировано следующим образом:

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ:

Невозможен процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу.

Эта формулировка требует некоторых пояснений:

Система, описываемая в этом процессе, состоит минимум из двух тел: нагреватель, отдающий энергию в форме тепла и рабочее тело, получающее эту энергию в форме тепла и отдающее ее в форме работы.

Имеющийся в виду единственный результат:

1). убывает энергия нагревателя (например, он охлаждается);

2). за счет работы, совершенной рабочим телом, возрастает запас механической (или какой-либо другой) энергии каких-либо тел, причем термодинамическое состояние самого рабочего тела не изменяется.

Второе начало термодинамики утверждает невозможность осуществления процесса с таким единственным результатом: процесс должен привести еще к каким-либо другим, дополнительным результатам, например к изменению термодинамического состояния еще по крайней мере одного тела, вовлеченного в процесс.

Пример: Установка, описанная ранее (см. I начало термодинамики), позволяет провести процесс расширения газа при постоянной температуре. Для этого нагреватель должен будет передать газу некоторое количество теплоты. Внутренняя энергия нагревателя уменьшится, при этом газом будет совершена работа, равная этому уменьшению. Но будет и дополнительный результат: термодинамическое состояние газа изменится - его объем увеличится.

Отсюда можно сделать вывод о некоторой асимметрии преобразований теплота Û работа:

При преобразовании работаÞтеплота дело может ограничиться изменением термодинамического состояния одного лишь теплополучающего тела (например, нагревание трением), а при преобразовании теплотаÞработа наряду с охлаждением теплоотдающего тела непременно происходит изменение термодинамического состояния еще хотя бы одного тела.

Введем понятие вечного двигателя второго рода:

Вечный двигатель (perpetuum mobile) второго рода - двигатель, который, повторяя произвольное число раз один и тот же процесс, был бы способен целиком превращать в работу все тепло, отбираемое им у какого-нибудь тела или тел.

Тогда второе начало термодинамики может быть сформулировано следующим образом:

Перпетум мобиле второго рода невозможно.

При изучении новых явлений большую роль всегда играло знание величин, сохраняющихся в процессах, происходящих в изолированных системах. Огромное значение для развития механики и электричества имело открытие законов сохранения энергии, импульса и момента импульса. Поэтому естественно, что усилия исследователей тепловых закономерностей были направлены на обнаружение величин, сохраняющихся в термодинамических процессах, хотя качественное отличие термодинамики от механики очевидно: Процессы, в которых присутствует самопроизвольное выравнивание термодинамических параметров, обладают свойством необратимости, в то время как все чисто механические (без участия сил трения) процессы полностью обратимы.

Поскольку в термодинамике, наряду с необратимыми процессами, в принципе возможны также и обратимые процессы, то поиск функции, позволяющей измерить степень хаотичности состояния термодинамической системы, естественно начать с рассмотрения полностью обратимых процессов в изолированных системах. В силу полной обратимости процессов и замкнутости систем степень хаотичности состояния таких систем не должна изменяться, и, следовательно, надо искать функцию, сохраняющуюся в замкнутых системах при всех обратимых тепловых процессах (в том числе при преобразованиях теплоты в работу). Это означает, что изменение этой функции у любого из тел, включенных в замкнутую систему, должно компенсироваться равным по величине, но противоположным по знаку суммарным изменением этой функции у других тел этой изолированной системы.

По своему смыслу искомая функция должна быть функцией состояния системы. В противном случае, проводя циклически (в нужном направлении цикла) термодинамическую систему в начальное состояние с другим, меньшим значением этой функции, можно было бы, многократно повторяя цикл, свести к нулю хаотичность состояния, что противоречит невозможности всю теплоту преобразовать в работу. Следовательно, в циклических процессах, при возвращении термодинамической системы в первоначальное состояние (вне зависимости от пути возвращения и даже без требования замкнутости системы и обратимости процессов) полное изменение этой функции должно быть равно нулю.

 Поиск функции состояния термодинамической системы, сохраняющейся в обратимых процессах в замкнутых (полностью изолированных от любых внешних воздействий) термодинамических системах, привел немецкого физика Рудольфа Клаузиуса к величине, первоначально получившей название «приведенная теплота». Понять, что это такое, можно из рассмотрения рабочего цикла все той же идеальной тепловой машины Карно.

Обратим внимание, что все сохраняющиеся величины носят экстенсивный характер, но сразу отметим, что ранее рассмотренная экстенсивная величина, характеризующая тепловые процессы, то есть теплота, передаваемая рабочему телу в цикле Карно, явным образом не сохраняется, несмотря на обратимость всех этапов цикла.

У нас уже есть соотношение (4.4): Q1/Q2 = T1/T2, утверждающее равенство отношения теплоты, полученной от нагревателя, к теплоте, отданной холодильнику, отношению температур нагревателя и холодильника. Уравнение можно переписать в виде отношения

 Q1/T1 = Q2/T2.

 Или, с учетом различия знаков для теплоты, получаемой или отдаваемой рабочим телом, Q1/T1 = - Q2/T2 , что может быть записано как Q1/T1 + Q2/T2 = 0. Отношение переданной телу теплоты к его температуре получило название приведенной теплоты. 

Уравнение 

 Q1/T1 + Q2/T2 = 0

означает сохранение приведенной теплоты в цикле Карно.


Деление кристаллов на диэлектрики, металлы и полупроводники