Сборник задач по физике с решениями и ответами. Часть II -
Скачать (прямая ссылка):
3.13. Почему в атмосфере Земли, практически, отсутствуют молекулы водорода, а у Луны вообще нет атмосферы?
3.14*. Оцените число ударов молекул воздуха о поверхность
2
оконного стекла площадью S = I м со стороны аудитории за интервал времени At = 1 с. Температура воздуха в аудитории t = = 27 °С, давление /? = IO5 Па, молярная масса воздуха ц = = 29 г/моль.
3.15*. Метеорит пробивает в обшивке космического корабля от-
л
верстие площадью S = 1 мм . Объем жилых помещений корабля F = IO3 м3, температура воздуха в них Z = 27 °С при давлении P = IO5 Па, молярная масса воздуха р = 29 г/моль. Оцените, сколько времени у космонавтов в запасе, чтобы одеть скафандры?
17 4. ТЕРМОДИНАМИКА ГАЗА
Термодинамика изучает поведение не отдельных молекул, а поведение вещества в целом вне связи с каким-либо конкретным представлением о внутреннем строении тел и особенностей движения образующих их частиц.
Термодинамическое описание основывается на введении важнейшего понятия — состояние системы, которое для химически однородной среды определяется совокупностью ее термодинамических параметров — параметров состояния, т.е. физических величин, которые характеризуют макроскопические свойства системы. Такими параметрами являются, например, объем системы, ее масса, удельный объем, занимаемый единицей массы вещества, полная энергия, температура и т.д. Если состояние системы не изменяется во времени, то оно называется стационарным. Равновесное состояние — такое стационарное состояние системы, которое не обусловлено влиянием внешних сил. Равновесное состояние газа, например, характеризуется и таким параметром, как давление. Между тремя основными параметрами состояния газа существует функциональное соотношение, называемое уравнением состояния. Для идеального газа таким соотношением является уравнение Клапейрона— Менделеева (см. разд.1). В равновесном состоянии реализуется определенное распределение молекул по скоростям и энергиям.
Всякое изменение состояния системы (тела) называется термодинамическим процессом. В любом процессе происходит изменение параметров системы. Равновесным называется процесс, при котором система проходит непрерывный ряд равновесных состояний. При равновесном процессе состояние системы должно меняться бесконечно медленно. Все реальные процессы протекают с конечной скоростью и поэтому являются неравновесными. Лишь в
18 отдельных случаях неравновесностью реальных процессов можно пренебречь.
В термодинамике рассматриваются процессы, для которых промежуточные состояния незначительно отличаются от равновесных систем. Наиболее полные представления о свойствах большого числа частиц дает совместное использование термодинамики и молекулярной физики.
Первый закон термодинамики представляет собой обобщенный закон сохранения энергии: если механическая энергия системы неизменна, то сообщаемое системе количество теплоты О равно сумме изменения (приращения в математическом смысле) внутренней энергии АСУ и работы, совершенной системой над внешними телами
Q = AU +А.
Внутренней энергией (обычно) называется сумма кинетической и потенциальной энергий взаимодействия молекул. Например, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий молекул. В случае одноатомного газа — это кинетическая энергия поступательного движения молекул
З 3 N 3 т 3
U = N<E>=-NkT = -- — -RT = ----RT = -pV.
2 2 Na 2 ц 2
В случае двухатомного газа необходимость учета кинетической энергии вращательного движения молекул приводит к выражению:
5 5 т 5 U = —NkT = — — RT = —pV .
2 2 ц 2
Теплота и работа — с одной стороны, это две формы передачи энергии, а с другой — меры переданной энергии. Теплота и работа обладают тем общим свойством, что они существуют лишь в процессе передачи энергии, а их величина (и знак) зависят от вида этого процесса. Процесс передачи энергии без совершения работы называется теплообменом. Система называется теплоизолированной, если между ней и окружающей средой отсутствует теплообмен. В результате столкновения молекул в области соприкосновения двух тел, имеющих различную температуру, возникает поток
19 энергии через границу раздела этих тел в направлении убывания температуры. Этот способ передачи энергии называется теплопроводностью. Другой способ — конвекция — связан с переносом вещества в виде течений, возникающих в жидкостях и газах и стремящихся к выравниванию температуры в среде. Передача теплоты (т.е. энергии) возникает и в случае излучения и поглощения телом электромагнитных волн.
Работой идеального газа называется работа, которую совершает газ против сил внешнего давления
P
2
A= \p(V) dV,
V1 V2 V Vi
при расширении газ совершает положительную работу, при сжатии— отрицательную. На диаграмме состояния в координатах р-V (давление — объем) работа, совершаемая в любом процессе (на рисунке I - 2), количественно определяется площадью трапеции (1-2-V2 -V^) под графиком процесса. В случае изобарического процесса A = p(V2 -Vj) .
Второй закон термодинамики (формулировка Клаузиуса) гласит: теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому (т.е. для передачи теплоты от холодного тела к горячему необходимо совершить работу). Второй закон термодинамики связан с необратимостью реальных процессов в макроскопических системах и указывает направление возможных энергетических превращений. Процесс является обратимым, если при совершении его сначала в прямом, а затем в обратном направлении в исходное состояние возвращается как сама система, так и все внешние тела. Необходимым и достаточным условием обратимости термодинамических процессов является их равновесность.
