Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Работа совершаемая газом

A = p∆V

При расширении ∆V>0, при сжатии ∆V<0

Первый закон термодинамики – количество теплоты, подведенное в к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы

Q = ∆U + A

Первый закон термодинамики при изопроцессах

- изохорный процесс Q = ∆U

- изотермический процесс Q = A

- изобарный процесс Q = ∆U + A

- адиабатный процесс A = - ∆U

Адиабатный процесс – термодинамический процесс в теплоизолированной системе (Q=0)

Тепловые двигатели – устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Наличие нагревателя и холодильника – необходимые условия для непрерывной работы теплового двигателя.

Замкнутый цикл – совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние.

Для циклического процесса требуется сжатие газа, которое не может происходить самопроизвольно. Необходимое уменьшение объема газа возможно при его охлаждении.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя – отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя

η =

Цикл Карно – цикл работы теплового двигателя, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов.

В цикле Карно исключена теплопередача без совершения работы, поэтому его КПД максимален

ηmax = =

Т1 – температура нагревателя, Т2 – температура холодильника

Второй закон термодинамики:

в циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, полученной от нагревателя, в механическую работу.

Второй закон термодинамики – следствие необратимости тепловых процессов.

Необратимый процесс – процесс, обратный которому самопроизвольно не происходит.

Второй закон термодинамики определяет статистическую направленность изменения состояния системы, состоящий из большого числа частиц.

Статистическая формулировка второго закона термодинамики:

замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное (или из менее вероятного в более вероятное состояние)

ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ
ТЕМПЕРАТУРА И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ(уч.10кл.стр.239-241)

Равновесное стационарное состояние газа (уч.10кл.стр.239)

Температура – определение

Единица термодинамической температуры – Кельвин

Абсолютный нуль.

Абсолютная температурная шкала

Шкалы Цельсия и Фаренгейта.

Соотношения шкал

ДОБАВИТЬ ПРО ТЕРМОМЕТРЫ

Скорость теплового движения молекул

Молярная газовая постоянная

Основное уравнение МКТ для идеального газа устанавливает связь легко измеряемого макроскопического параметра – давления – с такими микроскопическими параметрами газа, как средняя кинетическая энергия и концентрация молекул. Но, измерив только давление, мы не можем узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужны измерения еще какой-то физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул.

Такой величиной является температура.

В результате большого числа столкновений между молекулами газа устанавливается стационарное равновесное состояние – состояние, при котором число молекул в заданном интервале скоростей остается постоянным.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.

Тепловое равновесие – это такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными.

Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

Температура — скалярная физическая величина, описывающая состояние тер­модинамического равновесия (состояния, при кото­ром не происходит изменения микроскопических па­раметров).

Как термодинамическая величина температура характеризует тепловое состояние системы и измеряется степенью его отклонения от принятого за нулевое, как молекулярно-кинетическая величина характеризует интенсивность хаотического движения молекул и измеряется их средней кинетической энергией.

Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины в зависимости от температуры: объема, давления, электрического сопротивления и т.д.

Чаще всего на практике используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры.

При градуировке термометра обычно за начало отсчета (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении (шкала Цельсия).

Так как различные жидкости расширяются при нагревании неодинаково, то установленная таким образом шкала будет до некоторой степени зависеть от свойств данной жидкости.

Конечно, 0 и 100°С будут совпадать у всех термометров, но 50°С совпадать не будут.

В отличие от жидкостей все разреженные газы расширяются при нагревании одинаково и одинаково меняют свое давление при изменении температуры. Поэтому в физике для установления рациональной температурной шкалы используют изменение давления определенного количества разреженного газа при постоянном объеме или изменение объема газа при постоянном давлении.

Такую шкалу иногда называют идеальной газовой шкалой температур.

При тепловом равновесии средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул всех газов одинакова. Давление прямо пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул: p = n

При тепловом равновесии, если давление газа данной массы и его объем фиксированы, средняя кинетическая энергия молекул газа должна иметь строго определенное значение, как и температура. Т.к. n = , то p =  или = .

Обозначим = Θ.

Величина Θ растет с повышением температуры и ни от чего, кроме температуры не зависит. Следовательно, ее можно считать естественной мерой температуры.

Важнейшим макроскопическим параметром, характеризующим стационарное равновесное состояние любого тела, является температура.

Температура – мера средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул. тела.

Средняя кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул пропорциональна термодинамической (или абсолютной температуре):

= kT

k = 1,38*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана

Постоянная Больцмана является коэффициентом, переводящим температуру из градусной меры (К) в энергетическую (Дж) и обратно.

Она связывает температуру в Θ в энергетических единицах (Дж) с температурой Т в Кельвинах.

Единица термодинамической температуры – К (Кельвин)

1 К = 1оС

Кинетическая энергия не может быть отрицательной. Следовательно не может быть отрицательной и термодинамическая температура. Она обращается в нуль, когда кинетическая энергия молекул становится равной нулю.

Абсолютный нуль (0К) – температура, при которой должно прекратиться движение молекул.

Для оценки скорости теплового движения молекул в газе рассчитаем средний квадрат скорости:

= = =

Произведение kNa = R = 8,31 Дж/(моль*К) называется молярной газовой постоянной

Средняя квадратичная скорость молекул:

vср.кв. = =

Эта скорость близка по значению к средней и наиболее вероятной скорости и дает представление о скорости теплового движения молекул в идеальном газе.

При одинаковой температуре скорость теплового движения молекул газа тем выше, чем ниже его М.

Шкала Цельсия – опорная точка – температура таяния льда 0оС, температура кипения воды – 100оС

Шкала Кельвина - опорная точка – абсолютный нуль – 0оК (-273,15оС)

tоК = tоС -273

Шкала Фаренгейта – опорная точка – наименьшая температура, которую Фаренгейту удалось получить из смеси воды, льда и морской соли – 0оF , верхняя опорная точка – температура тела человека - 96 оF УТОЧНИТЬ

АБСОЛЮТНАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА(уч.10кл.стр.239-241)

Температура См.выше (уч.10кл.стр.239-241)

Температура — скалярная физическая величина, описывающая состояние тер­модинамического равновесия (состояния, при кото­ром не происходит изменения микроскопических па­раметров).

Как термодинамическая величина температура характеризует тепловое состояние системы и измеряется степенью его отклонения от принятого за нулевое, как молекулярно-кинетическая величина характеризует интенсивность хаотического движения молекул и измеряется их средней кинетической энергией.

При тепловом равновесии средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул всех газов одинакова. Давление прямо пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул: p = n

При тепловом равновесии, если давление газа данной массы и его объем фиксированы, средняя кинетическая энергия молекул газа должна иметь строго определенное значение, как и температура. Т.к. n = , то p =  или = .

Обозначим = Θ.

Величина Θ растет с повышением температуры и ни от чего, кроме температуры не зависит. Следовательно, ее можно считать естественной мерой температуры.

Будем считать величину Θ, измеряемую в энергетических единицах, прямо пропорциональной температуре , выражаемой в градусах:

Θ = kT

где k - коэффициент пропорциональности.

Постоянная Больцмана k = 1,38*10-23 Дж/К (в честь австрийского физика Л.Больцмана)

Она связывает температуру в Θ в энергетических единицах (Дж) с температурой Т в Кельвинах.

Можно считать величину Θ прямо пропорциональной температуре Т (что подтверждается опытами):

 Θ = kT Þ = kT    .

Определенная таким образом температура называется абсолютной.

На основании формулы вводится температурная шкала не зависящая от характера вещества, используемого для измерения температуры.

Температура, определяемая этой формулой, не может быть отрицательной. Следовательно, наименьшим возможным значением температуры является 0, если давление или объем равны нулю.

Предельную температуру, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объеме или объем идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении, называют абсолютным нулем температуры.

Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур.

Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия.

Единица абсолютной температуры в СИ называется Кельвином °К.

До введения абсолютной шкалы температур в практике широкое распростра­нение получила шкала Цельсия (за 0°С принята точка замерзания воды, за 100 °С принята точка ки­пения воды при нормальном атмосферном давлении).

В шкале Кельви­на за ноль принят абсолютный ноль температур, т. е. температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме равно нулю.

Вычисления да­ют результат, что абсолютный ноль температуры ра­вен -273 °С.

Таким образом, связь между абсолютной шкалой температур и шкалой Цельсия:

Т°К = t°С + 273.

Абсолютный ноль температур недостижим, так как любое охлаждение основано на испарении молекул с поверхности, а при приближе­нии к абсолютному нулю скорость поступательного движения молекул настолько замедляется, что испарение практически прекращается.

Теоретически при абсолютном нуле скорость поступательного движения молекул равна нулю, т. е. прекращается тепловое движение молекул:

= kT.

Следовательно, абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул.

= kT Þ p =  ; n =  Þ p = nkT

(n = N/V – концентрация молекул в данном объеме)

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ (уч.10кл.стр.239-243, 261-264, уч.8кл.стр.5-9)

Понятие внутренней энергии

Способы изменения внутренней энергии

(Определение температуры как меры кинетической энергии. Формула

Постоянная Больцмана, ее смысл и единицы измерения

Абсолютный нуль температуры и энергия молекул при нем

Скорость теплового движения молекул

Молярная газовая постоянная. Смысл и единицы измерения

Средняя квадратичная скорость молекул)

Внутренняя энергия идеального газа (уч.10кл.стр.261) Определение

Энергия одного атома.

Определение числа степеней свободы

Энергия одноатомного газа

Энергия массы газа

Зависимость энергии от числа атомов в газе

Формула внутренней энергии идеального газа

В середине XIX века было доказано, что наряду с механической энергией макроскопические тела обладают еще и энергией, заключенной внутри самих тел. Эта внутренняя энергия входит в баланс энергетических превращений в природе.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории:

Внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул (или атомов) относительно центров масс тела и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом (но не с молекулами других тел)

Во внутреннюю энергию входит также энергия движения и взаимодействия частиц в атомах и молекулах. При не слишком большой температуре эта энергия постоянна.

Внутренняя энергия тела – сумма кинетической энергии хаотического теплового движения частиц (атомов и молекул) тела и потенциальной энергии их взаимодействия.

Внутренняя энергия зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества и еще некоторых факторов.

Внутренняя энергия тела не зависит ни от механического движения тела, ни от положения тела относительно других тел.

Тело, имея некоторый запас внутренней энергии, одновременно может обладать и механической энергией (как потенциальной так и кинетической)

Способы изменения внутренней энергии тела:

- теплопередача (нагревание или охлаждение)

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей

Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Теплопередачу можно осуществить тремя способами: теплопроводность, конвекция, излучение

Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называется теплопроводностью.

Следует помнить, что при теплопередаче не происходит переноса вещества.

Теплопроводность у разных веществ различна.

Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум, так как теплопроводность – это перенос энергии при взаимодействии молекул или других частиц.

- совершение работы над телом (например, сжатие газа)

Если над телом совершают работу, то его внутренняя энергия увеличивается.

Если тело совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается

- деформация тела

Вычислить внутреннюю энергию тела (или ее изменение), учитывая движение отдельных молекул и их положение относительно друг друга, практически невозможно из-за их огромного числа. Поэтому необходимо уметь определять значение внутренней энергии (или ее изменение) в зависимости от макроскопических параметров, которые можно непосредственно измерить.

При любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остается неизменной

ΔU = 0

Для идеального газа потенциальная энергия взаимодействия частиц пренебрежимо мала по сравнению с их кинетической энергией теплового движения. Внутренняя энергия идеального газа определяется кинетической энергией теплового движения частиц.

Средняя кинетическая энергия одного атома : = kT

В силу хаотического равновероятного движения молекул на каждое из возможных направлений движения (X, Y, Z) приходится одинаковая энергия

Внутренняя энергия U одноатомного газа, состоящего из N атомов, в N раз больше энергии одного атома:

U = N= NkT = NA kT = RT

M = maNA - молярная масса газа

N =NA – количество молекул(атомов) газа

Произведение kNA = R = 8,31 Дж/(моль*К) называется молярной или универсальной газовой постоянной

U = RT

Внутренняя масса идеального газа зависит лишь от одного макроскопического параметра – термодинамической температуры.

Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре и не зависит от объема и других макроскопических параметров.

Используя уравнение Клайперона-Менделеева получим выражение для внутренней энергии идеального одноатомного газа

U = pV

Число степеней свободы – число возможных независимых направлений движения молекулы.

В одноатомной молекуле возможно движение в трех направлениях, в двухатомном – в пяти .

В многоатомной молекуле связи существующие между атомами уменьшают число степеней свободы, а количество атомов увеличивает их.

В общем случае внутренняя энергия идеального газа:

U = RT = pV

i – число степеней свободы молекул газа (3 – для одноатомного газа, 5 – для двухатомного газа) - число возможных независимых направлений движения молекулы.

Для двухатомного газа: U = RT

Для многоатомного газа:    U = RT

Внутренняя энергия реального газа зависит не только от его температуры, но и от объема газа. Разным объемам соответствуют разные расстояния между молекулами и соответственно различные потенциальные энергии реального газа.

У реальных газов, жидкостей и твердых тел средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул не равна нулю. Для газов она много меньше средней кинетической энергии молекул, но для твердых тел и жидкостей она сравнима с ней.

Средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от объема вещества, так как при изменении объема меняется среднее расстояние между молекулами.

Следовательно, внутренняя энергия в термодинамике в общем случае наряду с температурой зависит и от объема.

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе: ∆U=А+Q.

Если система не совершает работу А=0 и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q=0) => ∆U = 0 т.е. внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной.

Из 1 закона: Q = ∆U+A (A=−A’) количество теплоты, переданное системе идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Изохорный процесс. При изохорном процессе объем газа не меняется ( V = const ) и поэтому работа газа равна нулю. Изменение внутренней энергии равно количеству переданной теплоты: ∆U=Q. Если газ нагревается, то Q>0 и ∆U>0, его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении газа Q<0 и ∆U <0, изменение внутренней энергии отрицательно и внутренняя энергия газа уменьшается.

Изотермический процесс. При изотермическом процессе ( Т = const ) внутренняя энергия идеального газа не меняется. Все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы: Q = A. Если газ получает теплоту Q > 0, то он совершает положительную работу (А > 0). Если напротив газ отдает теплоту окружающей среде, то Q < 0 и A < 0. Работа же внешних сил над газом в последнем случае положительна.

Изобарный процесс. При изобарном процессе согласно формуле Q = ∆U + A передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им работы при постоянном давлении.

Адиабатный процесс. Процесс в теплоизолированной системе называют адиабатным.

При адиабатном процессе Q = 0 и согласно уравнению: ∆U = A + Q, изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы: ∆U = A. Согласно этому уравнению при совершении над системой положительной работы, например при сжатии газа, внутренняя энергия его увеличивается, что означает повышение температуры газа. И наоборот при расширении газа сам газ совершает положительную работу (А > 0) и внутренняя энергия его уменьшается - газ охлаждается.

При любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остается неизменной. ∆U = 0

КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ (уч.10кл.стр.263-264, уч.8кл.стр.18-29)

См.выше Внутренняя энергия идеального газа(уч.10кл.стр.261-264)

Способы изменения внутренней энергии

Теплообмен. Определение, примеры

Работа. Определение, примеры

Количество теплоты, как мера передачи энергии (уч.10кл.стр.263)

Уменьшение внутренней энергии

Может ли совершаться работа при теплообмене

Удельная теплоемкость

Уравнение теплового баланса

Удельная теплота сгорания. Энергия топлива (уч.8кл.стр.25)

Существует два способа изменения внутренней энергии системы: теплообмен и совершение работы

Теплообмен(теплопередача, конвекция, излучение)– процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы

Количественную меру изменения внутренней энергии при теплообмене называют количеством теплоты.

Количеством теплоты называют так же энергию, которую тело отдает или получает в результате теплообмена.

Количество теплоты, получаемое телом – энергия передаваемая телу извне в результате теплообмена.

При теплообмене не происходит превращения энергии из одной формы в другую, часть внутренней энергии горячего тела передается холодному телу.

При установлении контакта между телами с различными температурами происходит передача части внутренней энергии от тела с более высокой температурой к телу, у которого температура ниже. Энергия, переданная телу в результате теплообмена, называется количеством теплоты.

При нагревании увеличивается температура и внутренняя энергия тела.

Для уменьшения внутренней энергии тела нужно привести его в контакт с более холодным.

За счет изменения внутренней энергии при теплообмене не может совершаться работа.

За счет совершения работы может происходить увеличение температуры и внутренней энергии системы.

Например, при сжатии поршень передает молекулам часть своей кинетической энергии в результате чего газ нагревается.

Если процесс теплопередачи не сопровождается работой, то на основании первого закона термодинамики количество теплоты равно изменению внутренней энергии тела: Q = ∆U.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от его массы.

При остывании тело передает окружающим предметам тем больше количества теплоты, чем больше его масса.

Чем больше масса тела, тем большее количество теплоты надо затратить, чтобы изменить его температуру на одну и туже величину.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43