Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
• Почему в термодинамике внутреннюю энергию следует рассматривать как особый вид энергии? Что представляет собой внутренняя энергия с точки зрения микроструктуры вещества?
• Приведите примеры, иллюстрирующие субъективный характер оценки температуры воздуха, воды или окружающих предметов на основе чувственных восприятий.
• Как вводится понятие температуры в термодинамике?
• Какие требования предъявляются к термометрическому телу, выбранному для эмпирической температурной шкалы? Почему для измерения температуры в интервале от ГС до 10 °С нельзя использовать воду в качестве термометрического тела?
• Почему ртутный и спиртовой термометры с равномерными шкалами дают совпадающие показания, строго говоря, только в реперных точках?
• В каком направлении развиваются процессы в замкнутых термодинамических системах?
• Что такое уравнение состояния в термодинамике? Выводится ли оно теоретически в рамках термодинамики?
§15. Уравнение состояния газа
Возьмем некоторое количество газа определенного химического состава, например азота, кислорода или воздуха, и заключим его в сосуд, объем которого можно изменять по своему усмотрению. Будем считать, что у нас имеется манометр, т. е. прибор для измерения давления газа, и термометр для измерения его температуры. Опыт показывает, что перечисленные макроскопические параметры полностью характеризуют газ как термодинамическую систему в том случае, когда этот газ состоит из нейтральных молекул, не обладающих собственным дипольным моментом.
В состоянии термодинамического равновесия не все эти параметры независимы, они связаны между собой уравнением состояния. Чтобы получить это уравнение, нужно воспользоваться
§ 15. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ГАЗА
123
установленными на опыте закономерностями поведения газа при изменении каких-либо внешних параметров.
Газ в сосуде — простая термодинамическая система. Примем сначала, что ни количество газа, ни его химический состав во время опыта не меняются, так что речь пойдет только о трех макроскопических параметрах — давлении р, объеме V и температуре t°. Для установления связывающих эти параметры закономерностей удобно зафиксировать значение одного из параметров и следить за изменениями двух других. Будем считать, что вызываемые нами изменения в газе происходят настолько медленно, что в любой момент времени макроскопические параметры р, V, t°, характеризующие весь газ в состоянии термодинамического равновесия, имеют вполне определенные значения.
Изопроцессы. Как уже отмечалось, из любого неравновесного состояния термодинамическая система приходит в состояние равновесия за некоторое время — время релаксации. Чтобы при происходящих в системе изменениях макроскопические параметры имели вполне определенные значения, характерное время этих изменений должно быть много больше времени релаксации. Это условие накладывает ограничения на допустимую скорость процесса в газе, при котором сохраняют смысл его макроскопические параметры.
Процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров, принято называть изопроцессами. Так, процесс, происходящий при постоянной температуре, называется изотермическим, при постоянном объеме — изохорическим (изохорным), при постоянном давлении — изобарическим (изобарным).
Закон Бойля-Мариотта. Исторически первым в газе был экспериментально изучен изотермический процесс. Английский физик Р. Бойль и независимо от него французский физик Э. Мариотт установили закон изменения объема при изменении давления: для данного количества любого газа при неизменной температуре объем обратно пропорционален давлению. Обычно закон Бойля—Мариотта записывают в виде
pV = const (t° = const). (1)
Для поддержания постоянной температуры исследуемый газ должен находиться в хорошем тепловом контакте с окружающей средой, имеющей неизменную температуру. В этом случае говорят, что газ находится в контакте с термостатом — большим тепловым резервуаром, на состояние которого не влияют любые изменения, происходящие с исследуемым газом.
Закон Бойля—Мариотта хорошо выполняется для всех газов и их смесей в широком диапазоне температур и давлений. Отклонения от
124
IV. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
этого закона становятся существенными лишь при давлениях, в несколько сотен раз превышающих атмосферное, и при достаточно низких температурах.
Проверить справедливость закона Бойля—Мариотта можно совсем простыми средствами. Для этого достаточно иметь запаянную с одного конца стеклянную трубку, в которой столбик ртути закрывает некоторое количество воздуха (трубка Мельде). Объем воздуха можно измерять линейкой по длине воздушного столба в трубке (рис. 45), а
о давлении можно судить по высоте столбика ртути при разных ориентациях трубки в поле тяжести.
Для наглядного изображения изменений состояния газа и происходящих с ним процессов удобно использовать так называемые р— F-диаграммы, где по оси абсцисс откладываются значения объема, а по оси ординат — давления. Кривая на р— F-диаграмме, соответствующая изотермическому процессу, называется изотермой.
