termodinamics Flashcards
Molekulārfizikas uzdevumi un metodes
Molekulārfizika – fizikas nodaļa, kura pēta parādības, kas ir saistītas ar molekulu kustību un to mijiedarbību. Visi makroskopiskie ķermeņi, kurus veido cietas vielas, šķidrumi un gāzes, sastāv no sīkām daļiņām – molekulām, atomiem vai joniem, un to skaits katrā ķermenī ir ļoti liels.
Makroskopisku ķermeni raksturo visu daļiņu kopuma īpašības.
Molekulārfizika pēta molekulāru sistēmu mikroskopiskās un makroskopiskās īpašības.
Molekulārfizikas pētīšanas modeļobjekts ir ideālā gāze
Ir 2 galvenās pētīšanas metodes:
1.Termodinamiskā metode
2.Statistiskā metode
Molekulāfizika ieved fizikālus lielumus un jēdzienus, kuri attiecas nevis uz atsevišķu molekulu, bet gan uz ļoti daudzu molekulu kopu.
Tātad molekulārfizika operē ar parametru vidējām vērtībām.
Tātad : ļoti daudzu molekulu kopa jeb sistēma pakļaujas statistiskām likumsakarībām un statistiskām likumsakarībām ir varbūtību raksturs.
Ideālās gāzes modelis
Molekulārfizikas pētīšanas modeļobjekts ir ideālā gāze. Ideālai gāzei izved visas likumsakarības un pēc tam pielāgo reālai gāzei, kā arī šķidrumiem un cietām vielām.
Ideālu gāzi raksturo 4 nosacījumi.
1. Makroskopiskais ķermenis jeb sistēma sastāv no daļiņām, kuras kustas pēc klasiskās mehānikas likumiem un to sadursmes notiek saskaņā ar absolūti elastīgu ložu centrālu sadursmju likumiem (impulsa un enerģijas saglabāšanās).(Brauna kustība)
2.Daļiņu izmēri ir daudz mazāki kā attālumi starp tām.
3. Atsevišķas daļiņas mijiedarbojas tikai sadursmju momentos.
4.Sadursmēs notiek enerģijas un impulsu apmaiņa starp daļiņām.
Termodinamikas uzdevumi un metodes
Termodinamika pēta makroskopisku sistēmu īpašības un siltuma parādības. Termodinamikā molekulāras sistēmas raksturo ar 3 termodinamiskiem parametriem. Piem. gāzes stāvokli raksturo 3 parametri: P, V un T.
Termodinamikas pamatā ir 3 termodinamiskie likumi. Šie likumi ir iegūti empīriski.
Termodinamikas metode noskaidro sakarības starp makroskopiskiem parametriem, kas raksturo visas sistēmas stāvokli un tā izmaiņas (P,T,V)
Termodinamika ir aprakstoša teorija, kas nenoskaidro procesu iekšējos mehānismus un to cēloņus.
Termodinamiska sistēma – tas ir ķermenis, kas satur daudz daļiņu, kuras mijiedarbībā var apmainīties ar enerģijām.
Termodinamiskie parametri – makroskopiski fizikāli lielumi, kas viennozīmīgi nosaka sistēmas stāvokli.
Termodinamiskos parametrus saista stāvokļa vienādojums. Piem., ideālai gāzei stāvokļa vienādojums ir:PV = NkT
tas nozīmē, ka vienlaikus patvarīgi nevar mainīt vairākus termodinamiskos parametrus, bet tikai vienu no tiem. Pārējo parametru lielumus nosaka stāvokļa vienādojums.
I. Termodinamikas likums.
Pirmais termodinamikas likums saista sistēmas iekšējās enerģijas maiņu U ar sistēmas veikto izplešanās darbu A un saņemto siltumu Q. Termodinamiskās sistēmas iekšējā enerģija palielinās, saņemot siltumu un pamazinās, veicot izplešanās darbu.
U = Q – A
U ir sistēmas iekšējā enerģija. Tā ir atkarīga no katras molekulas kinētiskās enerģijas
II. Termodinamikas likums.
Lai aprakstītu termodinamiskos procesus ar pirmo termodinamikas likumu nepietiek. Pirmais termodinamikas likums norāda enerģijas nezūdamības likumu un enerģijas pārveidošanos, savukārt, ar to nevar noteikt dabā notiekošo procesu virzienu.
Otrais termodinamikas likums radās analizējot siltumdzinēju darbību. Apskatīsim siltumdzinēja darbības shēmu.
No termostata ar augstāku temperatūru T1, ko sauc par sildītāju, cikla laikā tiek atdots siltuma daudzums Q1, bet termostatam ar zemāku temperatūru T2, tā saucamajam dzesētājam, cikla laikā tiek saņemts siltuma daudzums Q2 un veiktais darbs ir vienāds ar
A = Q1-Q2.
Tas, ka nav iespējams radīt siltuma dzinēju, kas darbotos ar vienu siltuma avotu (tā saucamais otrās kārtas mūžīgais dzinējs), arī ir otrā termodinamikas likuma pamatā Kvīna-Planka formulējumā:
Nav iespējams process, kura vienīgais rezultāts būtu no sildītāja saņemtā siltuma pārveidošanās ekvivalentā darbā.
Izotermiskais process.
Izotermisks process. T= const.
Šajā gadījumā gāzes stāvokļa vienādojums izsakās :PV =(m/M)RT = b, kur b ir konstante. Iegūstam, ka mainoties gāzes tilpumam spiediens pie T = const, ir
P1/P2 = V2/V1
Izotermiskā procesā gāzes spiediens mainās apgriezti proporcionāli tilpumam. To sauc par Boila-Mariota likumu.
Saskaņā ar pirmo termodinamikas likumu, dQ = dA un izotermiskā procesā viss gāzei pievadītais siltums tiek pārvērsts darbā. Darbu A var izteikt sekojoši:
A = (m/M) R T ln(V2/ V1) = (m/M) R T ln(P1/P2);
kur m ir gāzes masa un M ir molmasa.
Izohorisks process.
Izohorisks process. V = const.
Grafiski to attēlojam PV koordinātās un iegūstam taisni, paralēlu P asij.
Saskaņā ar pirmo termodinamiskas likumu Q = U + A un dA = PdV, bet V = const., un tad dV = 0, un arī A = 0. Tātad izohoriskā procesā:
U =Q
Gāzes iekšējo enerģiju maina tikai pievadītais siltums.
Izobārisks process.
Izobārisks process. P = const. Gāzes stāvokļa vienādojums šajā gadījumā ir sekojošs: V = bT, kur b ir konstante.
Izobāriskā procesā gāzes tilpums ir proporcionāls gāzes temperatūrai. Tas ir Gē-Lisaka likums.
Gāzes iekšējo enerģiju maina gan pievadītais siltuma daudzums Q, gan arī veiktais izplešanās darbs A.
Izohorisks process. Uzzīmēt grafikus P(V), P(T) un V(T).
a
Uzzīmēt izotermiska procesa grafikus P(V), P(T) un V(T).
a
Uzzīmēt izobāriska procesa grafikus P(V), P(T) un V(T).
a
Siltummašīnas darbības principi.
Siltumdzinējs ir iekārta, kur darba viela (reāla gāze) saņem ārēju siltumu un veicot cikliskus atkārtotus procesus, daļu no saņemtā siltuma pārvērš darbā (gāzes izplešanās darbā, pārvietojot virzuli).
Tiešo ciklu izmanto siltumdzinējos.
Dzesēšanas mašīnas principi.
Apgriezto ciklu izmanto dzesēšanas iekārtās – periodiskas darbības iekārtās, kurās uz ārējo spēku iedarbības pamata, siltums tiek pārnests ķermenim ar ievērojami augstāku temperatūru.
Molekulas brīvības pakāpe.
i – brīvības pakāpe, neatkarīgu koordinātu skaits.
U = NW = i/2 NkT
Gāzes iekšējā enerģija
U ir sistēmas iekšējā enerģija. Tā ir atkarīga no katras molekulas kinētiskās enerģijas
Iekšējā enerģija U ir atkarīga no sistēmas stāvokļa, un to viennozīmīgi raksturo termodinamiskie parametri (T un N jeb gāzes daudzums).
Tātad iekšējā enerģija U ir termodinamiskās sistēmas stāvokļa funkcija. Termodinamiskai sistēmai pievadītais siltuma daudzums ir vienāds ar sistēmas iekšējās enerģijas pieauguma un tās padarītā darba summu.
Padarītais darbs nevar būt lielāks par pievadīto siltumu. Pretējā gadījumā varētu konstruēt pirmā veida mūžīgo dzinēju.
Gāzes iekšējās enerģijas maiņa, veicot izplešanās darbu - dA = F dx = P s dx = P dV
Darbs ir enerģijas izmaiņas mērs
grafiks
