Статистическая механика - Хуанг К.
Скачать (прямая ссылка):
Кембридж, Массачусетс, февраль 1963 г.
Керзон Хуанг
А. ТЕРМОДИНАМИКА И КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ
Тлава \
ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
§ 1. ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Термодинамика является феноменологической теорией макроскопических
систем. Поэтому ее основные понятия берутся непосредственно из
эксперимента. Ниже приводится перечень основных понятий, которые
оказалось удобно ввести на основании опытных наблюдений. Мы будем
предельно краткими, поскольку предполагается, что читатель знаком с этими
понятиями.
а. Термодинамическая система - любая макроскопическая система.
б. Термодинамические параметры - измеримые макроскопические величины,
связанные с системой, например давление Р, объем V, температура Т,
магнитное поле В. Они определяются экспериментально.
в. Термодинамическое состояние определяется совокупностью значений всех
термодинамических параметров, необходимых для описания системы.
г. Термодинамическое равновесие -термодинамическое состояние системы,
которое не меняется со временем.
д. Уравнение состояния-функциональное соотношение между
термодинамическими параметрами системы, находящейся в равновесии. Если Р,
V и Т -термодинамические параметры системы, то уравнение состояния имеет
вид
/(Р, V, Т) = 0;
таким образом, число независимых переменных в системе уменьшается с трех
до двух. Предполагается, что функция / задается как одна из характеристик
системы. Обычно состояние такой системы изображается точкой в трехмерном
Р- V - Г-пространстве. Уравнение состояния определяет тогда поверхность в
этом пространстве, как показано на фиг. 1. Любая точка на этой
поверхности представляет равновесное состояние системы. В термодинамике
под состоянием системы всегда подразумевают равновесное состояние, если
не оговорено обратное.
е. Термодинамический процесс представляет собой изменение состояния
системы. Если начальное состояние было равновесным, то процесс может быть
вызван только изменением внешних условий.
12
Гл. 1. Законы термодинамики
Процесс называется квазистатическим, если внешние условия меняются так
медленно, что в любой момент времени систему можно считать равновесной.
Процесс называется обратимым, если при изменении внешних условий в
обратном порядке система проходит в обратном порядке те же состояния, что
и при прямом процессе. Обратимые процессы являются квазистатическими, но
обратное утверждение не всегда верно. Например, бесконечно медленное
расширение газа в пустоту является квазистатическим, но необратимым
процессом.
Фиг. 1. Геометрическое представление уравнения состояния.
ж. Р- V-диаграмма системы представляет собой проекцию точек поверхности,
определяемой уравнением состояния, на плоскость р - у. Каждая точка Р -
И-диаграммы соответствует, таким образом, равновесному состоянию системы.
Обратимый процесс изображается непрерывной линией на Р - И-диаграмме,
Линии, соответствующие обратимым процессам определенных типов, имеют
специальные названия: изотерма, адиабата и т. д. Необратимый процесс не
может быть изображен таким способом.
з. Понятие работы взято из механики. Например, для системы с параметрами
Р, V и Т работа dW, совершаемая ею при увеличении объема на dV,
определяется равенством
dW = Р dV,
которое нетрудно обобщить на другие случаи.
и. Теплота - энергия, поглощаемая однородной системой при увеличении
температуры, если при этом работа не производится. Если AQ - малое
количество тепла, поглощенное системой, а АТ - обусловленное этим малое
изменение температуры, то теплоемкость системы С определяется
соотношением
AQ = C АТ.
Теплоемкость зависит от свойств системы и является одной из ее
характеристик. Из опыта известно, что при одной и той же раз-
§ I. Вводные замечания
13
ности температур ЛТ величина AQ может быть различной при разных способах
нагревания системы. Следовательно, теплоемкость зависит от способа
нагревания. Обычно рассматривают теплоемкости Cv и Ср, соответствующие
нагреванию при постоянном объеме и давлении. Теплоемкость единицы массы
или грамм-молекулы вещества называют удельной теплоемкостью.
к. Термостат - система настолько большая, что при поглощении или
выделении любого конечного количества тепла температура ее не меняется.
л. Система называется теплоизолированной, если невозможен ее теплообмен с
внешней средой. Тепловую изоляцию системы можно обеспечить, если
заключить ее в адиабатическую оболочку. Любой процесс, происходящий при
тепловой изоляции системы, называется адиабатическим.
м. Термодинамические величины называются экстенсивными, если они
пропорциональны количеству вещества рассматриваемой системы, и
интенсивными, если они не зависят от количества вещества. Отметим важный
опытный факт: все термодинамические
величины с хорошим приближением являются либо экстенсивными, либо
интенсивными.
н. Идеальный газ является важной идеализированной термодинамической
системой. Из экспериментов известно, что при достаточном разрежении все
газы ведут себя одинаковым образом. Идеализированная система, обладающая
