Молекулярная физика Барометрическая формула Второе начало термодинамики Кинетическая теория газа Определение коэффициента внутреннего трения жидкости Получение и измерение вакуума Изучение термодинамики

Второе начало термодинамики.

Подпись:  
Рис.2.7. Круговой процесс (цикл).
Термодинамический процесс называется обратимым, если он может происходить как в прямом, так и в обратном направлении, а в окружающей среде и в системе при этом не происходит никаких изменений. Всякий процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является необратимым.

 Если система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное, то такой процесс называется круговым процессом, или циклом. Циклы лежат в основе работы всех тепловых машин – двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, холодильников. На диаграмме процессов в координатах (р,V) цикл изображается замкнутой кривой, где процесс 1-2 – процесс расширения газа, а 2-1 – процесс сжатия (рис. 2.7.). В результате кругового процесса система может теплоту как получать, так и отдавать. Обозначим полученное количество теплоты Q1, а отданное - Q2. Работа, совершаемая газом за цикл, определяется площадью фигуры, ограниченной кривой 1-2-1. В результате цикла система возвращается в исходное состояние и, следовательно, полное изменение внутренней энергии газа равно нулю, а работа, совершаемая за цикл, равна полученной теплоте Q = Q1 ‑ Q2 = А.

 

 

Энтропия.

Для описания термодинамических процессов одного первого начала термодинамики недостаточно, потому что оно не позволяет определять направление протекания процессов. Например, процесс самопроизвольной передачи теплоты от холодного тела горячему первым началом не запрещен, однако опыты показывают, что он не происходит. Итак, необходимо определить условия, при которых возможны превращения энергии из одного вида в другой, что позволило бы узнать направления протекания процессов.

В термодинамике, кроме внутренней энергии, существует еще несколько функций состояния системы. Особое место среди них занимает энтропия S. Энтропия как раз и является той величиной, которая позволяет прогнозировать возможность и направление протекания процессов. Энтропия (от греч.entropia–поворот, превращение)- понятие, впервые введенное в термодинамике для определения меры необратимого рассеяния энергии немецким физиком Р.Клаузиусом в 1865г.

Пусть δQ – элементарное количество теплоты, сообщаемое системе каким-либо нагревателем с постоянной температурой Т. Если процесс равновесный (обратимый), то температура системы тоже равна Т. Отношение δQ/Т называется приведенным количеством теплоты и равно изменению энтропии при обратимом процессе: δQ/Т = dS. Поскольку Т всегда > 0, из 2-ого начала видно, что δQ и dS имеют один и тот же знак. Это позволяет по характеру изменения энтропии судить о направлении процесса теплообмена и прогнозировать его возможность. При нагревании тела δQ > 0 и его энтропия возрастает (dS > 0), при охлаждении энтропия убывает. Если δQ=0 (обратимый адиабатический процесс), то dS = 0 и S = const, то есть энтропия остается постоянной.

Энтропия, подобно внутренней энергии, является функцией состояния системы. Энтропия системы равна сумме энтропий всех тел, входящих в систему. Для изолированной системы энтропия в любом обратимом процессе не изменяется и S = const. В термодинамике доказывается, что в необратимом процессе энтропия системы может только возрастать: dS  0. Объединяя два последних условия, мы получаем, что энтропия замкнутой системы может либо возрастать, либо оставаться постоянной: dS ≥ 0. Это неравенство Клаузиуса также является формулировкой второго начала термодинамики.

 С точки зрения молекулярной физики, энтропия является мерой разупорядоченности системы, т.е. чем система более хаотична, тем ее энтропия выше. С этой точки зрения второе начало термодинамики утверждает, что в замкнутой системе, при отсутствии внешних воздействий любая система стремится перейти в состоянии максимальной разупорядоченности. Такое состояние является наиболее вероятным, поэтому энтропию S можно связать с вероятностью W состояния системы соотношением Больцмана S=k lnW, а второе начало объяснять стремлением системы находиться в наиболее вероятном состоянии. Явление увеличения беспорядка можно легко наблюдать при добавлении в воду капли туши. Если не воздействовать на такую систему извне, то через небольшое время тушь полностью перемешается с водой, обратный процесс – процесс собирания частичек туши в каплю, хотя в принципе он и возможен, никогда не наблюдается.

 

ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА

Беспорядочность теплового движения молекул газа или жидкости, непрерывные столкновения между ними приводят к постоянному перемешиванию частиц и к изменению их скоростей и энергий. Если в веществе имеется пространственная неоднородность плотности или температуры, то со временем, согласно второму началу термодинамики, происходит обязательное выравнивание этих неоднородностей. В среде возникают потоки энергии, вещества, а также импульса упорядоченного движения частиц. Эти потоки являются физической основой особых процессов, объединенных под общим названием явления переноса. К этим явлениям относится теплопроводность (обусловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы) и внутреннее трение (обусловлено переносом импульса).

 Теплопроводность.

Теплопроводность – это явление переноса внутренней энергии (теплоты) при наличии неоднородности в распределении температуры. Теплопроводность возникает, например, при наличии разности температур, вызванной какими-либо внешними причинами. При этом молекулы газа в разных местах его объема имеют разные средние кинетические энергии. В результате хаотического теплового движения молекулы, попавшие из нагретых частей газа в более холодные, отдают часть своей энергии окружающим частицам. Наоборот, медленно движущиеся молекулы, попадая из холодных частей объема газа в более нагретые, увеличивают свою энергию за счет соударений с молекулами, имеющими большие скорости и энергии. Это приводит к направленному переносу внутренней энергии газа.

В простейшем одномерном случае, когда температура газа меняется только в одном направлении, например, вдоль оси х, перенос внутренней энергии газа путем теплообмена описывается законом Фурье (1822 г.):

 jE = -λdT/dx

где jE - это плотность теплового потока, т.е. величина, равная энергии, переносимой в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х. Величина λ называется теплопроводностью или коэффициентом теплопроводности, dT/dx – градиент температуры, показывающий, как изменяется температура на единицу длины х перпендикулярно рассматриваемой площадке. Знак «минус» показывает, что перенос энергии происходит в направлении убывания температуры. Теплопроводность λ численно равна плотности теплового потока при единичном градиенте температуры.

  В общем случае закон Фурье имеет вид: . Здесь  - вектор плотности теплового потока, направление которого совпадает с направлением переноса энергии. Согласно молекулярно-кинетической теории газов можно вывести выражение для теплопроводности газа λ ═ cV‹ℓ›ρ‹υ›/3, где cV – удельная теплоемкость при постоянном объеме, ρ – плотность газа, ‹υ› - средняя скорость теплового движения молекул, ‹ℓ› - средняя длина свободного пробега молекул (среднее расстояние, которое проходит молекула между двумя последовательными соударениями). Знание теплопроводности различных материалов очень важно, например, при расчете передачи тепла в котлах и нагревателях, а также при создании теплоизоляционных материалов. Например, для теплоизоляции систем от окружающей среды применяются материалы с низкой теплопроводностью – асбест, пенопласт, минеральная вата.

Подпись:  
Рис.3.1. Силы внутреннего трения.

 

 

Внутреннее трение (вязкость).

 Явление внутреннего трения заключается в ускорении и замедлении слоев газа или жидкости вследствие наличия неоднородности скорости. Между слоями, двигающимися параллельно друг другу с различными по величине скоростями, из-за хаотического теплового движения возникает обмен молекулами с разными импульсами. Это приводит к тому, что медленно перемещающиеся слои тормозят более быстро движущиеся слои и наоборот. При этом возникают силы трения или силы вязкости, направленные по касательной к поверхности соприкосновения слоев. В результате этого импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, а движущегося медленнее – увеличивается, что и приводит к торможению быстрого слоя и ускорению медленного. По третьему эакону Ньютона эти силы равны по величине и противоположны по направлению. Формулу для силы внутреннего трения между двумя слоями газа или жидкости предложил также Ньютон:


Здесь η - коэффициент динамической вязкости, dv/dx - градиент скорости, показывающий быстроту изменения скорости в направлении, перпендикулярном движению, S - площадь, на которую действует сила (рис. 3.1.). С другой стороны, согласно второму закону Ньютона


– это плотность потока импульса ( т.е. полный импульс, переносимый в единицу времени в положительном направлении оси х через единичную площадку, перпендикулярную оси ). Знак «минус» указывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости. Из данной формулы видно, что динамическая вязкость численно равна плотности потока импульса при градиенте скорости, равном единице. Согласно молекулярно-кинетической теории газов вязкость газов можно вычислить по формуле: η═‹ℓ›ρ‹υ›/3. Коэффициент вязкости играет большую роль в различных технологических процессах, например, в производстве сахара, при уваривании густого сахарного сиропа в вакуумных аппаратах. Важнейшая характеристика полимеров – показатель текучести расплава (указываемый в марке полимера) – напрямую связан с вязкостью. Для выбора оптимальных режимов переработки полимеров (литье под давлением, экструзия) – необходимо управлять процессами плавления и вязкого течения, что невозможно без знаний коэффициентов вязкости.

Статистический и термодинамический методы Молекулярная физика и термодинамика - разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул. Для изучения этих процессов применяют два принципиально различающихся (но взаимно дополняющих друг друга) метода: статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический.
Нанесение размеров на сборочном чертеже http://fistoe.ru/
Лабораторная работа по физике Поверхностноенатяжение жидкости