Статистический и термодинамический методы исследования. Параметры состояния системы. Равновесные состояния. Равновесные процессы

Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Законы поведения огромного числа молекул, являясь статистическими закономерностями, изучаются с помощью статистического метода. Этот метод основан на том, что свойства макроскопической системы в конеч­ном счете определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и усредненными значениями динамических характеристик этих частиц (скорости, энер­гии и т. д.). Например, температура тела определяется скоростью хаотического движе­ния его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Таким образом, макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в слу­чае большого числа молекул.

Термодинамика — раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехо­да между этими состояниями. Термодинамика не рассматривает микропроцессы, кото­рые лежат в основе этих превращений. Этим термодинамический метод отличается от статистического. Термодинамика базируется на двух началах — фундаментальных за­конах, установленных в результате обобщения опытных данных. Термодинамической системой (ТС) называется совокупность макроскопических тел, рассматриваемых методами термодинамики, т.е. с точки зрения обмена энергией между собой и внешней средой.

Примером может служить жидкость и находящийся в соприкосновении с ней пар или газ. В частности, система может состоять из одного твердого, жидкого или газообразного тела.

Термодинамическая система может находиться в различных состояниях, отличающихся температурой, давлением, объемом, плотностью и т.д. Подобные величины, характеризующие состояние системы, называются параметрами состояния.

Параметры состояния не всегда имеют определенные значения для любой области системы. Например, у тела, подогреваемого с одной стороны и охлаждаемого с другой, температура в разных точках будет различной и телу, как целому, нельзя приписать определенное значение температуры.

Состояние, в котором хотя бы один из параметров не имеет определенного значения при неизменных внешних воздействиях, называется неравновесным.

Состояние термодинамической системы будет равновесным, если все параметры состояния имеют равные значения для любых областей системы, не изменяющиеся с течением времени, т.е. сохраняющиеся бесконечно долго при неизменных внешних воздействиях.

Термодинамические системы, которые не могут обмениваться с внешней средой веществом, называются закрытыми. Термодинамические системы, которые не могут обмениваться с внешней средой ни энергией, ни веществом, называются изолированными.

Среди них выделяют замкнутые системы, для которых не возможет обмен энергией с внешней средой путем совершения работы и адиабатные системы, для которых невозможен теплообмен.

Если систему, находящуюся в неравновесном состоянии, изолировать от внешней среды, т.е. предоставить самой себе, то она перейдет в равновесное состояние. Такой переход называется процессом релаксации или просто релаксацией. Время, за которое первоначальное отклонение какой-либо величины от равновесного значения уменьшается в е (e = 2,718) раз, называется временем релаксации. Для каждого параметра состояния время релаксации свое. Наибольшее из этих времен является временем релаксации системы.

РАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ - состояние, в к-рое приходит термодинамич. система при постоянных внеш. условиях. Р. с. характеризуется постоянством во времени термодинамич. параметров и отсутствием в системе потоков вещества и энергии

Равновесным процессом называется термодинамический процесс, представляющий собой непрерывную последовательность равновесных состояний. В таком процессе физические параметры изменяются бесконечно медленно, так что система все время находится в равновесном состоянии. Кроме того, все части системы имеют одинаковые температуру и давление.

 

Законы идеальных газов. Уравнение Менделеева-Клапейрона. Пределы его применимости для реальных газов. Связь между давлением, концентрацией молекул и температурой. Физический смысл молярной газовой постоянной.

На основе зависимости давления газа от концентрации его молекул и температуры можно получить уравнение, связывающее все три макроскопических параметра: давление, объем и температуру - характеризующие состояние данной массы достаточно разреженного газа. Это уравнение называют уравнением состояния идеального газа.

, где - универсальная газовая постоянная

для данной массы газа, следовательно

- уравнение Клапейрона.

Количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра называют газовыми законами. А процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров, - изопроцессами.

Изотермический процесс – процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре.

при Для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется. – закон Бойля - Мариотта.

Изохорный процесс - процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянном объеме.

при Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем газа не меняется. – закон Шарля.

Изобарный процесс - процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянном давлении.

при Для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется. – закон Гей-Люссака.

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.

Молярная газовая постоянная численно равна работе, совершаемой одним молем идеального газа при его изобарическом нагревании на 1 К.