Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. Мы с вами изучили довольно большой раздел молекулярной физики, который называется молекулярно-кинетическая теория, а если быть совсем честным, то основы молекулярно-кинетической теории и переходим к следующему разделу молекулярной физики, который тоже назовем достаточно скромно - основы термодинамики. Но перед тем как переходить к изучению новой темы давайте вспомним что мы с вами уже прошли.
И так первая лекция у нас была посвящена основным положениям молекулярно-кинетической теории. Массе и размерам молекул, далее в порядке следования мы прошли опыт Перрена. Масса молекул. Взаимодействие молекул, количество вещества. Молярная масса. Оценка размеров молекул, простейшие задачи на вычисление числа и массы молекул, задачи на вычисление числа и массы молекул, решение экспериментальных задач, идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа, решение задач на уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа, тепловое равновесие. Температура, абсолютная температурная шкала, задачи на тему молекулярно-кинетической теории, средняя кинетическая энергия молекул многоатомного газа, среднеквадратическая скорость молекул. Опыт Штерна, распределение молекул по скоростям. Распределение Максвелла, задачи на вычисления скорости молекул, изучение распределения Максвелла, уравнение состояния идеального газа. Квазистатические процессы. Уравнение идеального газа, изопроцессы и их графики. Частные газовые законы, задачи на газовые законы. 1 часть, задачи на газовые законы. 2 часть, задачи на газовые законы. 3 часть, задачи на газовые законы. 4 часть, построение графиков изопроцессов в различных коородинатах, решение задач на построение графиков процессов в газах, решение различных задач на тему изопроцессов. 1 часть, решение различных задач на тему изопроцессов. 2 часть.
Ну а теперь, как было сказано выше, давайте перейдем к изучению основ термодинамики.
И так...давайте для начала вспомним чем мы занимались при изучении молекулярно-кинетической теории...
При изучении МКТ мы устанавливали связь между:
- макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, такие как: давление, объем, температура
- микроскопическими параметрами.
Это все позволило нам объяснить почему газ оказывает давление на стенки сосуда, что такое температура и т.д. И, кстати, мы записали уравнение состояния идеального газа, но нам все так удалось сравнительно легко потому что мы рассматривали очень простую систему - идеальный газ. В нем отсутствует взаимодействие между молекулами и поэтому нам не нужно учитывать потенциальную энергию взаимодействия молекул и это привело нас к определенным успехам. Однако, если бы мы попытались построить молекулярно-кинетическую теорию реального газа, жидкости или твердого тела, то здесь все было бы крайне сложно или почти невозможно.
Физика жидкостей - сейчас является одним из современных разделов теоретической физики.
Физика твердого тела - достаточно хорошо развита, но еще до конца не построена. Она держится на квантовой механике. И вообщем-то на том, что потенциальная энергия, допустим, электронов в твердом теле, периодически зависит от координат, поскольку мы имеем дело с кристаллами.
А если мы захотим построить молекулярно-кинетическую теорию аморфного тела, то тут тоже будет все очень сложно.
Но существует еще один раздел молекулярной физики, который исходит из совершенно противоположных предпосылок. Есть раздел молекулярной физики, который пытается установить соответствие между макроскопическими параметрами абсолютно не интересуясь тем как устроена система. Т.е это подход с противоположной стороны и этот раздел физики, который изучает свойства тел без учета их молекулярного строения объясняет тепловые явления без учета молекулярного строения тел называется термодинамикой. Давайте сформулируем строго определение термодинамики.
Термодинамика - это раздел физики, который изучает тепловые явления без учета молекулярного строения вещества.
Термодинамика - удивительная наука, она позволяет оперировать с некоторыми величинами, которые могут описать состояние любой системы начиная от булыжника и заканчивая интегральной микросхемой и живым организмом. В термодинамике придумали такие величины, которые не требуют знания строения вещества. И мы многие из этих величин знаем. Например, температура, температурой можно описать состояние такой сложной системы, как человеческий организм и такой простой системы, как допустим, кирпич.
Но на самом деле термодинамика появилась как раздел инженерного дела. Когда появились первые тепловые машины люди захотели сделать их максимально эффективными. Но первые тепловые машины были крайне не эффективными, они потребляли большое количество топлива и при этом совершали совсем не большую работу. И вообще до 1712 года, когда Томас Ньюкомен придумал первую тепловую машину, которую еще называют атмосферной машиной, которая выкачивала воду из шахты, до этого существовали рычаги, наклонные плоскости, устройства для преобразования одного вида механической энергии в другой. Например, если мы стреляем из пружинного пистолета или, например, из какой-нибудь баллисты во время каких-нибудь Римских войн, то потенциальная энергия при этом переходит в кинетическую, кинетическая в потенциальную, и начиная с 1712 года научились преобразовывать энергию, содержащуюся в топливе в механическую энергию.
Эти устройства преобразующие, то что мы называли когда-то еще раньше внутренней энергией топлива в механическую работу - это и есть тепловые машины. Вообще-то считается, что первой тепловой машиной была паровая машина в 1774 году и ее придумал Джеймс Уатт, но это вопрос спорный...но в любом случае и в Ньюкомановской машине и в паровой машине Ватта происходило преобразование внутренней энергии топлива, т.е тепловой энергии в механическую работу и поэтому понятие внутренней энергии является одним из центральных понятий в термодинамике, точно так же как и работа. А раз так, то мы начинаем изучать основы термодинамики именно с изучения этих понятий: внутренней энергии и работы.
Что такое внутренняя энергия мы уже с вами знаем, правда, наши представления о ней у нас были немного упрощенные и на этой лекции мы немного подкорректируем формулировки. Давайте вспомним из чего складывается внутренняя энергия тела?
Внутренняя энергия тела - складывается из кинетической энергии хаотического движения молекул и потенциальной энергии взаимодействия молекул.
При этом стоит добавить, на примере, что если мы возьмем школьный кусочек мела и бросим его, то хаотическое движение молекул в нем не прекратится, он будет двигаться как одно целое, а внутри этого кусочка мела будет происходить хаотическое движение молекул. Но, нам при этом нужно как-то исключить упорядоченное движение молекул в теле, когда оно движется относительно какого-то наблюдателя. Внутренняя энергия кусочка мела не зависит от того летит он, падает или он, просто, лежит. Как в этом случае исключить кинетическую энергию упорядоченного движения? Для этого необходимо выбрать правильную систему отсчета. И как вы думаете относительно какой системы отсчета кинетическая энергия молекул кусочка мела будет состоять из энергии только хаотического движения? Конечно, относительно центра масс. Значит, в нашем определении внутренней энергии нужно говорить о кинетической энергии хаотического движения молекул относительно центра масс. И еще...если мы наш кусочек мела поднимем, то его потенциальная энергия увеличится и так же увеличится потенциальная энергия всех молекул, потому что они взаимодействуют с Землей, но внутренняя энергия при этом должна остаться прежней. Поэтому о потенциальной энергии какого взаимодействия мы с вами должны говорить, когда обсуждаем внутреннюю энергию? Мы должны говорить о взаимодействии частичек мела только между собой. И учитывая эти два обстоятельства давайте сейчас уже строго сформулируем, что называется внутренней энергией тела.
Внутренняя энергия тела - это сумма кинетической энергии хаотического движения молекул относительно центра масс тела и потенциальной энергии взаимодействия молекул друг с другом (но не с молекулами других тел).
И так мы дали определение внутренней энергии тела и теперь давайте попытаемся рассчитать эту внутреннюю энергию. Но, прежде давайте ответим на вопрос. Какую простейшую систему мы с вами изучаем? Мы с вами изучаем идеальный газ. Если у нас речь идет об идеальном газе, то внутренняя энергия у нас будет складываться исключительно из кинетической энергии движения его молекул, потому что взаимодействие между молекулами в идеальном газе не существует.
И так мы вывели формулу внутренней энергии идеального газа. А теперь давайте обратим внимание на то от чего зависит внутренняя энергия идеального газа. Во-первых от числа степеней свободы. Почему? Потому что молекула может, если это молекула одноатомная, только участвовать в поступательном движении, а если молекула многоатомная, то во внутреннюю энергию так же еще будет входить энергия и вращательного движения. И чем больше вращательных степеней свободы, при этом поступательных степеней свободы всегда три, тем больше будет внутренняя энергия. Понятно, что внутренняя энергия прямо-пропорциональна массе вещества. Потому что, если мы возьмем в два раза большую массу, то в ней будет в два раза больше молекул, значит, будет и в два раза больше внутренняя энергия. Почему, чем больше молярная масса, тем внутренняя энергия меньше? Чем массивнее молекула, тем в одном килограмме этого вещества молекул будет меньше. А внутренняя энергия определяется количеством молекул, так как в формуле присутствует такая величина, как количество вещества. Но а самое главное для нас - это то, что внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, если взять данную массу данного газа. Для идеального газа внутренняя энергия, как говорят, есть функция только температуры. А для остальных систем? А что такое остальные системы? Это все кроме идеального газа. Т.е это все кроме системы молекулы, которой друг с другом не взаимодействуют. Если у нас другие системы, то, значит, у нас есть потенциальная энергия взаимодействия и поэтому во внутреннюю энергию ее тоже необходимо включить. А от чего зависит потенциальная энергия взаимодействия? Она зависит от расстояния между молекулами. А как можно изменить расстояние между молекулами вещества? Давлением? А к чему это приведет? Давление - это, так сказать, технология. А к чему это приведет? Это приведет к уменьшению объема. Ведь можно как-нибудь исхитриться, так чтобы изменять объем не изменяя давления. Например, можно ли изменять объем не изменяя давления. Да, можно, изменяя при этом температуру. Да, потенциальная энергия при этом будет меняться, но при этом будет меняться и кинетическая энергия. Но нас сейчас интересует именно изменение потенциальной энергии. Поэтому для того, чтобы изменить расстояние между молекулами нам необходимо любой ценой, любыми средствами изменить объем. Поэтому внутренняя энергия будет зависеть от температуры и от объема. И видите, что у нас само собой промелькнуло давление и возникает вопрос зависит ли от давления внутренняя энергия? Непосредственно нет...Она зависит от давления потому что от давления зависит объем. Потому что от объема зависит расстояние между молекулами, а значит и потенциальная энергия их взаимодействия. Т.е связь давления с объемом и температурой она есть через уравнение состояния, но это связь не не посредственная. Поэтому будем помнить, что:
- в идеальном газе - зависимость внутренней энергии только от температуры,
- в остальных системах - внутренняя энергия зависит, как от температуры так и от объема.
И так продолжаем...термодинамика появилась тогда, когда люди за счет внутренней энергии захотели получить механическую работу. Что значит за счет внутренней энергии? Значит, внутренняя энергия должна уменьшаться, но при этом работа должна совершаться. Давайте обсудим вопрос как можно изменять внутреннюю энергию тела.
Давайте запишем еще раз что такое теплопередача.
Теплопередача - это такой способ изменения внутренней энергии тела без совершения работы.
А теперь давайте попробуем ответить на такой вопрос, каковы запасы внутренней энергии по порядку величины и для этого давайте решим в качестве примера следующую задачу. И так задача на определение внутренней энергии системы, состоящей из 1 килограмма воздуха при нормальных условиях.
И в конце лекции давайте убедимся в том, что совершение работы это действительно приводить к увеличению внутренней энергии.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, подпишись на канал и поддержи автора.