Шпаргалка по "Физике"

33. термодинамические параметры

Термодинамические параметры.

Термодинамические параметры - температура, плотность, давление, объем, удельное электрическое сопротивление  и другие физические величины:  
- однозначно определяющие термодинамическое состояние системы;  
- не учитывающие молекулярное строение тел; и  
- описывающие их макроскопическое строение. + см. учебник за 9.11.10 
 

34. уравнение состояния идеального газа

Уравнение состояния идеального газа  уравнение Клапейрона или уравнение Клапейрона — Менделеева — формула, устанавливающая зависимость между давлением,молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. Уравнение имеет вид:

где

•  — давление,
•  — молярный объём,
•  — абсолютная температура,К
•  — универсальная газовая постоянная.

Так как  , где   — количество вещества, а  , где   — масса,   — молярная масса, уравнение состояния можно записать:

Эта форма записи носит имя уравнения (закона) Менделеева — Клапейрона.

В случае постоянной массы газа уравнение можно записать в виде:

Последнее уравнение  называют объединённым газовым законом. Из него получаются законы Бойля — Мариотта, Шарля и Гей-Люссака:

 — закон Бойля — Мариотта.

 — Закон Гей-Люссака.

 — закон Шарля (второй закон Гей-Люссака, 1808 г.)

С точки зрения химика этот закон может звучать несколько  иначе: Объёмы вступающих в реакцию  газов при одинаковых условиях (температуре, давлении) относятся друг к другу и к объёмам образующихся газообразных соединений как простые целые числа. Например, 1 объём водородасоединяется с 1 объёмом хлора, при этом образуются 2 объёма хлороводорода:

1 объём азота соединяется с 3 объёмами водорода с образованием 2 объёмов аммиака:

 — закон Бойля — Мариотта.

Закон Бойля — Мариотта назван в честь ирландского физика, химика и философа Роберта Бойля (1627—1691), открывшего его в 1662 г., а также в честь французского физика Эдма Мариотта (1620—1684), который открыл этот закон независимо от Бойля в 1677 году.

В некоторых случаях (в газовой динамике) уравнение состояния идеального газа удобно записывать в форме

где   — показатель адиабаты,   — внутренняя энергия единицы массы вещества.

Эмиль Амага обнаружил, что при высоких давлениях поведение газов отклоняется от закона Бойля — Мариотта. И это обстоятельство может быть прояснено на основании молекулярных представлений.

С одной стороны, в сильно сжатых газах размеры  самих молекул являются сравнимыми с расстояниями между молекулами. Таким образом, свободное пространство, в котором движутся молекулы, меньше, чем полный объём газа. Это обстоятельство увеличивает число ударов молекул в стенку, так как благодаря ему сокращается расстояние, которое должна пролететь молекула, чтобы достигнуть стенки.

С другой стороны, в  сильно сжатом и, следовательно, более  плотном газе молекулы заметно притягиваются  к другим молекулам гораздо большую  часть времени, чем молекулы в  разреженном газе. Это, наоборот, уменьшает  число ударов молекул в стенку, так как при наличии притяжения к другим молекулам молекулы газа движутся по направлению к стенке с меньшей скоростью, чем при отсутствии притяжения. При не слишком больших давлениях. более существенным является второе обстоятельство и произведение   немного уменьшается. При очень высоких давлениях большую роль играет первое обстоятельство и произведение  увеличивается. + см тетрадь 

35. частные случаи  уравнения идеального  газа

Состояние данной массы газа полностью определено, если известны его давление, температура и объем. Эти величины называют параметрами состояния газа. Уравнение, связывающее параметры состояния, называют уравнением состояния. 
     Для произвольной массы газа состояние газа описывается уравнением Менделеева—Клапейрона: pV = mRT/M, где р — давление, V — объем, m — масса, М — молярная масса, R — универсальная газовая постоянная. Физический смысл универсальной газовой постоянной в том, что она показывает, какую работу совершает один моль идеального газа при изобарном расширении при нагревании на 1 К (R = 8,31 ДжДмоль • К)). 
    Уравнение Менделеева—Клапейрона показывает, что возможно одновременное изменение трех параметров, характеризующих состояние идеального газа. Однако многие процессы в газах, происходящие в природе и осуществляемые в технике, можно рассматривать приближенно как процессы, в которых изменяются лишь два параметра. Особую роль в физике и технике играют три процесса: изотермический, изохорный и изобарный. 
      Изопроцессом называют процесс, происходящий с данной массой газа при одном постоянном параметре — температуре, давлении или объеме. Из уравнения состояния как частные случаи получаются законы для изопроцессов. 
    Изотермическим называют процесс, протекающий при постоянной температуре. Т = const. Он описывается законом Бойля—Мариотта: pV = const. 
     Изохорным называют процесс, протекающий при постоянном объеме. Для него справедлив закон Шарля: V = const, p/T = const. 
    Изобарным называют процесс, протекающий при постоянном давлении. Уравнение этого процесса имеет вид V/T = const прир = const и называется законом Гей-Люссака. Все процессы можно изобразить графически (рис. 15). 
    Реальные газы удовлетворяют уравнению состояния идеального газа при не слишком высоких давлениях (пока собственный объем молекул пренебрежительно мал по сравнению с объемом сосуда 
     

в котором находится газ) и при не слишком низких температурах (пока потенциальной энергией межмолекулярного взаимодействия можно пренебречь по сравнению с кинетической энергией теплового движения молекул), т. е. для реального газа это уравнение и его следствия являются хорошим приближением. 
     
36. изотермический процесс в координатах РТ, РV, VТ

37. изобарный процесс в координатах РV, РТ,  VТ
38. изохорный.. (тетрадь)
39. внутренняя энергия идеального газа (тетрадь)

 

40 первое начало  термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Первое начало термодинамики  было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца^[1]. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источниковэнергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существованиявечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника. + см.тетрадь

41. Адиобатный процесс

Адиабатический  процесс — термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не получает и не отдаёт тепловой энергии.

Адиабатический процесс  является частным случаем политропного процесса. Адиабатические процессы обратимы, если их проводить достаточно медленно (квазистатически). В общем случае адиабатический процесс необратим.

Некоторые авторы (в  частности, Л.Д.Ландау) называли адиабатическими только квазистатические адиабатические процессы.^[1]

Линия, изображающая адиабатный процесс на какой-либо термодинамической диаграмме, называется адиабатой.

Основное уравнение термодинамики для адиабатического процесса

Для адиабатического  процесса первое начало термодинамики  в силу отсутствия теплообмена (ΔQ = 0) системы со средой имеет вид

где:

•  — изменение внутренней энергии тела,
•  — работа, совершаемая системой
•  — теплота, полученная системой

 

42. 1. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам 
Рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам, происходящим с идеальным газом. 
     
     В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не меняется. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид:   , т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется. 
     
     В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы:   . 
     
     При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е. А = 0, и уравнение первого закона имеет вид  , т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа. 

43. Применение первого  начала термодинамики  к адиабатному  процессу идеального  газа. 
Уравнение адиабатного процесса

В термодинамике  выводится уравнение адиабатического  процесса для идеального газа. В  координатах (p, V) это уравнение имеет вид

pV^? = const.

Это соотношение  называют уравнением Пуассона. Здесь ? = C_p / C_V – показатель адиабаты, C_p и C_V – теплоемкости газа в процессах с постоянным давлением и с постоянным объемом. Для одноатомного газа  для двухатомного  для многоатомного   

44. цикл Карно 

Цикл  Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно.

Цикл Карно назван в честь французского физика Сади Карно, который впервые его исследовал в1824 году.

Одним из важных свойств  цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

+ см тетрадь  
 

45. тепловые  двигатели.

Машины, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. Во всех типах таких двигателей непрерывное или периодически повторяющееся получение работы возможно только в том случае, когда совершающая работу машина не только получает тепло от какого-то тела (нагревателя), но и отдает часть тепла другому телу (охладителю).Отношение механической работы, совершаемой двигателем, к израсходованной энергии называется коэффициентом полезного действия КПД. Поскольку в тепловом двигателе совершенная работа есть разница между теплотой, полученной от нагревателя и теплотой, отданной охладителю, то:

h=(Q₁-Q₂)/Q₁,

где Q₁ - теплота, полученная рабочим веществом от нагревателя, Q₂ - теплота, отданная рабочим веществом охладителю.В 1824 году француз Сади Карно решил общую задачу об определении КПД любой тепловой машины, использующей произвольный цикл. Конкретный цикл, проанализированный Карно и названный его именем, выглядит следующим образом.Идеальный газ находится в цилиндре, закрытом поршнем. На первом этапе металлическая стенка цилиндра приводится в контакт с нагревателем. Поршню разрешается передвигаться настолько медленно, чтобы температура газа равнялась температуре нагревателя Т₁. Это изотермический процесс (рис. а). Полученное тепло Q₁ превращается в работу A₁, равную площади под графиком.На втором этапе цилиндр изолируется от нагревателя, и газ продолжает адиабатически расширяться, производя работу A₂ (заштрихованная площадь на рис. б). Поскольку притока тепла нет, работа совершается за счет внутренней энергии рабочего тела (газа) и его температура снижается от Т₁ до Т₂.Далее, для того, чтобы выдвинутый поршень вернуть в первоначальное положение, на третьем этапе цилиндр вводится в контакт с находящимся при низкой температуре радиатором. Количество отданной теплоты Q₂ будет равно совершенной над поршнем работе А₃ (заштрихованная площадь на рис. в). Газ при этом будет изотермически сжиматься при температуре Т₂.Последняя стадия - вновь адиабатический процесс, когда над поршнем совершается работа А₄, полностью переходящая во внутреннюю энергию газа. Его температура при этом повышается от Т₂ до Т₁ (рис. г).