Механика, молекулярная физика и термодинамика

                            .                                             

По функции Максвелла можно определить долю молекул, скорости которых принадлежат заданному интервалу скоростей или превышают некоторое значение скорости, например, вторую космическую, что определяет рассеяние атмосферы.

                                            .                              

1.4.2. Распределение Больцмана

Тепловое движение частиц тела приводит к тому, что положение их в пространстве изменяется случайным образом. Поэтому можно ввести функцию распределения частиц по координатам, определяющую вероятность обнаружения частицы в том или ином месте пространства.

где -плотность вероятности т.е. вероятность обнаружения частицы в единичном объеме вблизи точки с радиус-вектором r.

 При отсутствии внешних силовых полей существует равномерное распределение частиц идеального газа по координатам, при этом функция распределения

                            ,                          

где n-концентрация частиц, N-полное число частиц газа.

Внешнее силовое поле изменяет пространственное распределение частиц, при этом концентрация частиц и функция распределения зависят от координат. Если внешнее силовое поле является потенциальным, то концентрация частиц вблизи точки пространства с радиус-вектором r, зависит от потенциальной энергии частиц в данном месте.

где  no-концентрация частиц в том месте, где Ep=0.

В этом случае вероятность обнаружить частицу в объеме dV, вблизи точки с радиус-вектором r, определяется выражением

                             .                                

Этот закон называется распределением Больцмана.

Для идеального газа давление связано с концентрацией соотношением Р=nkT. В поле земного тяготения концентрация изменяется с высотой над поверхностью Земли и, если газ находится в равновесном состоянии при температуре Т, то изменение давления с высотой происходит по закону

                                           .                                          

Последнее соотношение называется барометрической формулой.

В действительности земная атмосфера не находится в равновесном состоянии, ее температура меняется с высотой, и барометрическую формулу следует применять к участкам атмосферы, в пределах которых изменением температуры можно пренебречь. Из барометрической формулы следует, что давление различных газов изменяется с высотой по разному.

На рис.14 показано изменение давления газа с высотой для различных газов при      T = const, а на рис. 15 – изменение концентрации молекул газа (m = const) при разных темпе­ра­ту­рах.

1.5. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул

Молекулы газа, находясь в состоянии хаотического движения, непрерывно сталкиваются друг с другом. Расстояния, которые проходят молекулы между двумя последовательными столкновениями, изменяются случайным образом. Поэтому можно говорить о средней длине свободного пробега молекул <l>. 

Минимальное расстояние, на которое сближаются центры молекул, называется эффективным диаметром молекулы d. Он зависит от скорости сталкивающихся молекул, т.е. от температуры. За 1 с молекула проходит путь, равный <u>, и, если <z> - среднее число столкновений за единицу времени, то

.

Молекула, которая движется по центру цилиндра (рис. 16), сталкивается только с теми молекулами, центры которых находятся внутри цилиндра радиусом 2r=d.

                                                      ,

более точно  - при учете движения других молекул.

                                                       Рис. 16

                                          .                               

1.6. Явления переноса в газах.

В газе, находящемся в неравновесном состоянии, возникают необратимые процессы, называемые явлениями переноса. В ходе этих процессов происходит пространственный перенос вещества (диффузия), энергии (теплопроводность), импульса направленного движения (вязкое трение). Если течение процесса не изменяется со временем, то такой процесс называется стационарным. В противном случае это нестационарный процесс. Стационарные процессы возможны только в стационарных внешних условиях. В термодинамически изолированной системе могут возникать только нестационарные явления переноса, направленные на установление равновесного состояния.

Диффузия, теплопроводность, вязкость являются необратимыми процессами, возникающими самопроизвольно вследствие теплового движения при отклонении вещества (газа) от равновесного состояния. Это отклонение заключается, соответственно, в неоднородном распределении вещества, его температуры, в различии скоростей направленного движения макроскопических частей  среды.

Диффузия

Под диффузией обычно понимается взаимопроникновение вещества в различных смесях, сопровождающееся направленным переносом массы вещества из мест с высокой плотностью в места с меньшей плотностью. Перенос массы вещества подчиняется закону Фика «плотность потока вещества (масса, переносимая за единицу времени через единичную площадку) прямо пропорциональна градиенту плотности»:

где D – коэффициент диффузии. Знак минус показывает, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности.

Масса М вещества, перенесенная в результате стационарной диффузии через площадь S за время t:

                                           .                                    

Согласно кинетической теории газов,

Теплопроводность

Если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных столкновений молекул температура выравнивается. Процесс передачи энергии в форме тепла подчиняется закону Фурье «плотность потока тепла (количество теплоты, переносимое за единицу времени через единичную площадку) прямо пропорционально градиенту температуры». 

                                                           ,                                          

 где k - коэффициент теплопроводности. Знак минус показывает, что при теплопроводности энергия переносится в сторону убывания температуры. Количество тепла, переносимое в стационарном процессе теплопроводности (стационарное пространственное распределение температуры) через площадь S за время t

                                           .                                      

Для идеального газа

где cv – удельная теплоемкость газа при постоянном объеме, r - плотность газа.

Вязкость

Вязкое трение в газе или жидкости это результат переноса импульса направленного движения. Механизм возникновения внутреннего трения между слоями газа (жидкости), движущимися с различными скоростями, заключается в том, что из-за хаотического теплового движения происходит обмен молекулами между слоями, в результате чего импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, движущегося медленнее - увеличивается, что приводит к появлению сил вязкого трения. Внутреннее трение подчиняется закону Ньютона «плотность потока импульса направленного движения (равная силе вязкого трения, действующей на единичную площадку, перпендикулярную направлению переноса) пропорциональна градиенту скорости направленного движения 

                                           ,                                                    

где h - динамическая вязкость (коэффициент вязкости),  - градиент скорости направленного движения. Знак минус указывает, что сила трения направлена против скорости u. Коэффициент вязкости для идеального газа

                                           .                                                   

Сила F, действующая на площадь S, пропорциональна этой площади и градиенту скорости 

                                           .                                                        

Коэффициенты переноса связаны между собой простыми соотношениями

1.                 Основы термодинамики

2.1. Первое начало термодинамики

Внутренняя энергия макроскопической системы качественно отличается от механической энергии, образующих систему частиц. Это проявляется в существовании двух форм изменения внутренней энергии – работы и теплопередачи (теплообмена). Работа совершается в тех случаях, когда при взаимодействии системы с окружающими телами, возникает какое – либо упорядоченное движение. В, частности, газ совершает работу только при изменении его объема. В процессе теплопередачи также может происходить изменение внутренней энергии, обусловленное изменением энергии, образующих систему частиц, и не связанное с совершением работы. Изменение внутренней энергии в этом случае измеряется количеством тепла.

Закон сохранения энергии, в котором учитывается особая форма передачи энергии путем теплопередачи, является фундаментальным законом физики и называется первым началом термодинамики.

«Количество тепла, полученное системой, расходуется на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами (системами)»

Первое начало сформулировано на основании обобщения опытных фактов и справедливо для всех тепловых процессов. Последнее соотношение является термодинамическим определением внутренней энергии системы.

«Внутренняя энергия системы является функцией ее состояния, определенной с точностью до произвольной постоянной, приращение которой равно разности между количеством тепла, полученным системой и работой, совершенной системой в ходе теплового процесса».

 Изменение внутренней энергии зависит только от начального и конечного состояний системы. Работа и количество тепла зависят  от вида процесса, переводящего систему из начального состояния в конечное, т.е. они не являются функциями состояния системы.

Если система периодически возвращается в первоначальное состояние, то DU=0 и A=Q, т.е. нельзя построить вечный двигатель, который совершал бы большую по величине работу, чем количество сообщенной ему извне энергии.

По форме обмена энергией можно выделить три вида систем:

1)                                                                       изолированные (dQ=0, dA=0),

2)                                                                       теплоизолированные (адиабатические) (dQ=0, dA¹0),

3)                                                                       тепловые резервуары (dA=0, dQ¹0).

2.2. Работа газа при изменении его объема

Найдем работу, совершаемую газом при изменении его объема. Рассмотрим газ, находящийся под поршнем в цилиндрическом сосуде (рис. 17).

Если газ, расширяясь, передвигает поршень на расстояние dx, то он производит работу против сил внешнего давления ре

                                                   ,

 где S - площадь поршня, dV - изменение объема газа. Полная работа А12 , совершаемая газом при изменении его объема от V1 до V2

                                           .                                                       

Если процесс расширения газа является равновесным, т.е. идущим без перепадов давлений и температур, то работа может быть вычислена через давление самого газа (ре=р). Графически работа газа равна площади под кривой процесса в диаграмме PV (рис.18). Если газ совершает круговой процесс (цикл), то работа будет равна площади цикла.

Работа газа при изопроцессах:

1.                 Изохорический

V=const, dV=0, A12=0.

2.                 Изотермический

T=const, .                                                                           

3.                                                                                                                                                     Изобарический

P=const,                                                            

2.3. Теплоемкость

Теплоемкость тела или системы - скалярная физическая величина, характеризующая процесс теплообмена и равная количеству тела, полученному системой при изменении его температуры на один кельвин.

Теплоемкость можно отнести к одному молю или к единице массы вещества. Соответствующие теплоемкости называются молярной Сm или удельной с. Единицами измерения теплоемкостей являются: полной –Дж/К, молярной – Дж/(моль)×К, удельной - Дж/кг×К. Зная теплоемкости можно вычислить количество тепла, полученное системой:
                                                     Q=CDT, Q=nCmDT, Q=cMDT.                          

Теплоемкость, как и количество тепла, зависит от вида теплового процесса. Различают теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме, если в процессе нагревания вещества поддерживаются постоянными соответственно давление и объем. Если газ нагревается при постоянном объеме, то работа внешних сил равна нулю и сообщенная газу извне теплота идет на увеличение его внутренней энергии

Используя первое начало термодинамики можно показать, что молярная теплоемкость газа при постоянном объеме CmV  и молярная теплоемкость газа при постоянном давлении CmP связаны соотношением: . Это соотношение называется уравнением Майера.

При рассмотрении тепловых процессов важно знать характерное для каждого газа отношение CP к CV:

                                           .                                                    

Из последних формул следует, что молярные теплоемкости не зависят от температуры в тех областях, где g = const.

2.4. Применение  первого начала термодинамики к изопроцессам

                   Изохорический процесс. (V = const). Газ не совершает рабо­ту, т.е. dA=0. Из первого начала термодинамики следует, что вся теплота, сообщаемая газу, идет на увеличение его внутренней энергии:

                                           .                                           

          Изобарический процесс (p = const). Теплота, сообщенная газу, идет на приращение внутренней энергии и на совершение работы над внешними телами

                                                                  .         

                   Изотермический процесс (T = const). Внутренняя энергия газа не изменяется и все количество тепла, сообщаемое газу, расходуется на совершение им работы против внешних сил:

                                      .                 

2.5. Адиабатический процесс

Адиабатическим называется процесс, при котором отсутствует теплообмен
(dQ = 0) между физической системой и окружающей средой. Близкими к адиа­ба­ти­ческим являются все быстропротекающие процессы. Из первого начала термодинамики для адиабатического процесса следует, что , т.е. работа совершается за счет убыли внутренней энергии системы. Используя первое начало термодинамини и соотношение (44) можно получить уравнения адиабатического процесса

                                            .                                                  

Вычислим работу, совершаемую газом в адиабатическом процессе. Если газ расширяется от объема V1 до V2, то его температура падает от T1 до T2 и работа расширения идеального газа

                                    .                              

Это выражение для работы при адиабатическом процессе можно преобразовать к виду

                            .                     

2.6.          Обратимые и необратимые процессы. Коэффициент полезного действия теплового двигателя.

К обратимым процессам относятся процессы, после проведения которых в прямом и обратном направлениях в окружающих систему телах не остается никаких изменений. Для обратимых процессов характерно следующее: если в ходе прямого процесса система получила количество тепла Q и совершила работу А, то в ходе обратного процесса система отдает количество тепла Q¢=-Q и над ней совершается работа А¢=-А. К обратимым процессам относятся все равновесные процессы. В случае необратимого процесса, после возвращения системы в исходное состояние, в окружающих систему телах остаются изменения (изменяются положения тел и их температуры). Все реальные процессы в большей или меньшей степени необратимы.

В процессе преобразования тепла в работу используется тепловой двигатель, работающий по какому либо круговому процессу (циклу). Коэффициент полезного действия такого двигателя (термический К.П.Д.) определяет долю тепла, превращаемую в работу.

                                           ,                                    

где  А - работа, совершенная двигателем за цикл, Q1- количество тепла, полученного двигателем, Q¢2- количество тепла, отданного двигателем в окружающую среду.

Работу теплового двигателя можно представить на диаграмме состояний в виде некоторого теплового кругового процесса (рис.19).

    Общая работа А определяется площадью цикла 1а2в1. Если за цикл совершается А>0, то цикл называется прямым, и если А<0,  – обратным.

Прямой цикл используется в тепловом двигателе, совершающем работу за счет получения извне теплоты. Обратный цикл используется в холодильных машинах, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой (рис.20).

Важной задачей термодинамики является изучение процессов преобразования тепла в работу и установления возможных границ повышения термического К.П.Д.

2.7.          Второе начало термодинамики

Анализ выражения для К.П.Д. показывает, что максимальный К.П.Д. равный 1 возможен, если двигатель все получаемое количество тепла будет преобразовывать в работу. Все опытные факты свидетельствуют о невозможности создания такого двигателя (вечный двигатель второго рода) и это было сформулировано  в виде второго начала термодинамики.

«Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара»

Вильям Томсон (лорд Кельвин).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7