Ca urmare a studierii materialului din capitolul 9, studentul ar trebui: stiu postulate de bază ale termodinamicii statistice; a fi capabil să calculați sume pe stări și cunoașteți proprietățile acestora; utilizați termenii și definițiile date în capitol;
proprii terminologie specială; abilități în calcularea funcțiilor termodinamice ale gazelor ideale prin metode statistice.
Postulatele de bază ale termodinamicii statistice
Metoda termodinamică nu este aplicabilă sistemelor formate dintr-un număr mic de molecule, deoarece în astfel de sisteme distincția dintre căldură și muncă dispare. În același timp, direcția lipsită de ambiguitate a procesului dispare:
Pentru un număr foarte mic de molecule, ambele direcții ale procesului devin echivalente. Pentru un sistem izolat, incrementul de entropie este fie egal cu căldura redusă (pentru procesele reversibile la echilibru), fie mai mare decât aceasta (pentru cele fără echilibru). O astfel de dualitate a entropiei poate fi explicată din punct de vedere al ordinii - mișcarea sau starea dezordonată a particulelor care alcătuiesc sistemul; prin urmare, entropia calitativ poate fi considerată ca o măsură a dezordinei în starea moleculară a unui sistem. Aceste reprezentări calitative sunt dezvoltate cantitativ de termodinamica statistică. Termodinamica statistică face parte dintr-o ramură mai generală a științei - mecanica statistică.
Principiile de bază ale mecanicii statistice au fost dezvoltate la sfârșitul secolului al XIX-lea. în lucrările lui L. Boltzmann şi J. Gibbs.
Când descriem sisteme care constau dintr-un număr mare de particule, pot fi utilizate două abordări: microscopic Și macroscopic. Abordarea macroscopică este utilizată de termodinamica clasică, unde stările sistemelor care conțin o singură substanță pură sunt în general determinate de trei variabile independente: T (temperatura), V (volum), N (număr de particule). Totuși, din punct de vedere microscopic, un sistem care conține 1 mol dintr-o substanță include 6,02 10 23 de molecule. În plus, în prima abordare, microstarea sistemului este caracterizată în detaliu,
de exemplu, coordonatele și momentele fiecărei particule în fiecare moment de timp. O descriere microscopică necesită rezolvarea ecuațiilor de mișcare clasice sau cuantice pentru un număr mare de variabile. Astfel, fiecare microstare a unui gaz ideal în mecanica clasică este descrisă de variabile 6N (N - numărul de particule): coordonate 3N și proiecții de impuls 3N.
Dacă sistemul este în echilibru, atunci parametrii săi macroscopici sunt constanți, în timp ce parametrii microscopici se modifică în timp. Aceasta înseamnă că fiecare macrostare corespunde mai multor microstări (de fapt, infinite) (Fig. 9.1).
Orez. 9.1.
Termodinamica statistică stabilește o legătură între aceste două abordări. Ideea principală este următoarea: dacă mai multe microstări corespund fiecărei macrostare, atunci fiecare dintre ele contribuie la macrostare. Apoi, proprietățile unei macrostări pot fi calculate ca medie pentru toate microstările, adică însumând contribuțiile acestora, ținând cont de ponderea statistică.
Media peste microstări se realizează folosind conceptul de ansamblu statistic. Un ansamblu este un set infinit de sisteme identice care se află în toate microstările posibile corespunzătoare unei macrostări. Fiecare sistem de ansamblu este o microstare. Întregul ansamblu este descris de o funcție de distribuție p(p, q , t), care este definită astfel: р(p, q, t)dpdq - este probabilitatea ca sistemul de ansamblu să fie în elementul de volum dpdq aproape de punct ( R , q) la momentul t.
Semnificația funcției de distribuție este că determină ponderea statistică a fiecărei microstare în macrostare.
Definiția implică proprietățile elementare ale funcției de distribuție:
Multe proprietăți macroscopice ale sistemului pot fi definite ca valoarea medie a funcțiilor de coordonate și impuls f(p, q) dupa ansamblu:
De exemplu, energia internă este valoarea medie a funcției Hamilton H(p, q):
(9.4)
Existența unei funcții de distribuție este esența principalului postulat al mecanicii statistice clasice: starea macroscopică a sistemului este complet specificată de o funcție de distribuție , care satisface conditiile (9.1) și (9.2).
Pentru sistemele de echilibru și ansamblurile de echilibru, funcția de distribuție nu depinde în mod explicit de timp: p = p(p, q). Forma explicită a funcției de distribuție depinde de tipul de ansamblu. Există trei tipuri principale de ansambluri:
Unde k \u003d 1,38 10 -23 J / K - constanta lui Boltzmann. Valoarea constantei din expresia (9.6) este determinată de condiția de normalizare.
Un caz special al distribuției canonice (9.6) este distribuția vitezei Maxwell b care este valabil pentru gaze:
(9.7)
Unde m- masa unei molecule de gaz. Expresia p(v)dv descrie probabilitatea ca molecula să aibă o valoare absolută a vitezei în intervalul de la v inainte de v + d&. Maximul funcției (9.7) oferă viteza cea mai probabilă a moleculelor și integrala
viteza medie a moleculelor.
Dacă sistemul are niveluri de energie discrete și este descris mecanic cuantic, atunci în loc de funcția Hamilton H(p, q) utilizați operatorul Hamilton H, iar în locul funcției de distribuție - operatorul matricei de densitate p:
(9.9)
Elementele diagonale ale matricei de densitate dau probabilitatea ca sistemul să fie în starea i-a energetică și să aibă energia E(.
(9.10)
Valoarea constantei este determinată de condiția de normalizare:
(9.11)
Numitorul acestei expresii se numește suma peste stări. El are valoare cheie pentru evaluarea statistică a proprietăților termodinamice ale sistemului. Din expresiile (9.10) și (9.11) se poate găsi numărul de particule Njf având energie
(9.12)
Unde N- numărul total particule. Distribuția particulelor (9.12) pe niveluri de energie se numește distribuție Boltzmann, iar numărătorul acestei distribuții este factorul Boltzmann (multiplicatorul). Uneori, această distribuție este scrisă într-o formă diferită: dacă există mai multe niveluri cu aceeași energie £, atunci ele sunt combinate într-un singur grup prin însumarea factorilor Boltzmann:
(9.13)
Unde gj- numărul de niveluri de energie E j , sau ponderea statistică.
Mulți parametri macroscopici ai unui sistem termodinamic pot fi calculați folosind distribuția Boltzmann. De exemplu, energia medie este definită ca media nivelurilor de energie având în vedere ponderile lor statistice:
(9.14)
3) marele ansamblu canonic descrie sisteme deschise în echilibru termic și capabile să facă schimb de materie cu mediul. Echilibrul termic este caracterizat de temperatură T, iar echilibrul în numărul de particule - prin potențialul chimic p. Prin urmare, funcția de distribuție depinde de temperatură și de potențialul chimic. Nu vom folosi aici o expresie explicită pentru funcția de distribuție a marelui ansamblu canonic.
În teoria statistică, se dovedește că pentru sistemele cu un număr mare de particule (~10 23) toate cele trei tipuri de ansambluri sunt echivalente între ele. Utilizarea oricărui ansamblu conduce la aceleași proprietăți termodinamice, astfel încât alegerea unuia sau a altuia ansamblu pentru descrierea unui sistem termodinamic este dictată doar de comoditatea prelucrării matematice a funcțiilor de distribuție.
Ramură a fizicii dedicată studiului luminii în macroscopic. corpuri, adică sisteme formate dintr-un număr foarte mare de particule identice (molecule, atomi, electroni etc.), pe baza proprietăților acestor particule și a efectelor dintre ele. Studiul macroscopic cadavrele sunt angajate și altele... Enciclopedia fizică
- (mecanica statistică), ramură a fizicii care studiază proprietățile corpurilor macroscopice (gaze, lichide, solide) ca sisteme cu un număr foarte mare (de ordinul numărului Avogadro, adică 1023 mol 1) de particule (molecule, atomi, electroni). In statistica... Enciclopedia modernă
- (mecanica statistică) o ramură a fizicii care studiază proprietățile corpurilor macroscopice ca sisteme ale unui număr foarte mare de particule (molecule, atomi, electroni). În fizica statistică se folosesc metode statistice bazate pe teoria probabilității. ...... Dicţionar enciclopedic mare
fizica statistica- (mecanica statistică), ramură a fizicii care studiază proprietățile corpurilor macroscopice (gaze, lichide, solide) ca sisteme cu un număr foarte mare (de ordinul numărului Avogadro, adică 1023 mol 1) de particule (molecule, atomi, electroni). ÎN… … Dicţionar Enciclopedic Ilustrat
Există, număr de sinonime: 2 statistici (2) fizică (55) Dicționar de sinonime ASIS. V.N. Trishin. 2013... Dicţionar de sinonime
FIZICA STATISTICĂ- o ramură a fizicii teoretice care studiază proprietățile sistemelor complexe de gaze, lichide, solide și relația lor cu proprietățile particulelor individuale de electroni, atomi și molecule care alcătuiesc aceste sisteme. Sarcina principală a lui S. f .: găsirea funcțiilor ... ... Marea Enciclopedie Politehnică
- (mecanica statistică), ramură a fizicii care studiază proprietățile corpurilor macroscopice ca sisteme ale unui număr foarte mare de particule (molecule, atomi, electroni). În fizica statistică, metodele statistice sunt utilizate pe baza teoriei ... ... Dicţionar enciclopedic
O ramură a fizicii a cărei sarcină este de a exprima proprietățile corpurilor macroscopice, adică sistemele formate dintr-un număr foarte mare de particule identice (molecule, atomi, electroni etc.), prin proprietățile acestor particule și interacțiunea dintre ele. ...... Marea Enciclopedie Sovietică
fizica statistica- statistinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. fizica statistica vok. statistiche Physik, f rus. fizica statistica, f pranc. physique statistice, f … Fizikos terminų žodynas
- (mecanica statistică), o ramură a fizicii care studiază proprietățile macroscopice. corpuri ca sisteme ale unui număr foarte mare de particule (molecule, atomi, electroni). În S. f. aplica statistica. metode bazate pe teoria probabilității. S. f. Despică ... ... Științele naturii. Dicţionar enciclopedic
Cărți
- Fizică statistică, Klimontovich Yu.L. Acest curs diferă de cele existente atât prin conținut, cât și prin natura prezentării. Tot materialul este prezentat pe baza unei singure metode - teoria stării de neechilibru servește ca nucleu ...
- Fizica statistică, L. D. Landau, E. M. Lifshits. ediția 1964. Siguranța este bună. Cartea oferă o expunere clară a principiilor generale ale staticii și, pe cât posibil, o expunere mai completă a numeroaselor lor aplicații. A doua ediție adaugă...
Termodinamica. Lucrările lui Mayer, Joule, Helmholtz au făcut posibilă dezvoltarea așa-numitului. „legea conservării forțelor” (conceptele de „forță” și „energie” nu erau strict distinse la acea vreme). Cu toate acestea, prima formulare clară a acestei legi a fost obținută de fizicienii R. Clausius și W. Thomson (Lord Kelvin) pe baza unei analize a studiului funcționării unui motor termic, care a fost efectuată de S. Carnot. Având în vedere transformarea căldurii și a muncii în sistemele macroscopice, S. Carnot a pus de fapt bazele unei noi științe, pe care Thomson a numit-o mai târziu termodinamică. Termodinamica se limitează la studiul trăsăturilor transformării unei forme termice de mișcare în altele, fără a fi interesat de problemele mișcării microscopice a particulelor care alcătuiesc materia.
Prin urmare, termodinamica ia în considerare sistemele între care schimbul de energie este posibil, fără a ține cont de structura microscopică a corpurilor care alcătuiesc sistemul și de caracteristicile particulelor individuale. Distingeți termodinamica sistemelor de echilibru sau a sistemelor care trec la echilibru (termodinamica clasică sau de echilibru) și termodinamica sistemelor de neechilibru (termodinamica de neechilibru). Termodinamica clasică este cel mai adesea numită pur și simplu termodinamică și tocmai aceasta formează baza așa-numitei Tablouri Termodinamice a Lumii (TCM), care s-a format la mijlocul secolului al XIX-lea. Termodinamica de neechilibru a fost dezvoltată în a doua jumătate a secolului al XX-lea și joacă un rol deosebit în luarea în considerare a sistemelor biologice și a fenomenului vieții în general.
Astfel, în studiul fenomenelor termice au apărut două direcții științifice:
1. Termodinamica, care studiază procesele termice fără a ține cont de structura moleculară a materiei;
2. Teoria molecular-cinetică (dezvoltarea teoriei cinetice a materiei spre deosebire de teoria caloricii);
Teoria molecular-cinetică. Spre deosebire de termodinamică, teoria molecular-cinetică se caracterizează prin luarea în considerare a diferitelor manifestări macroscopice ale sistemelor ca rezultat al acțiunii totale a unui set imens de molecule care se mișcă aleator. Teoria cinetică moleculară folosește o metodă statistică, fiind interesat nu de mișcarea moleculelor individuale, ci doar de valorile medii care caracterizează mișcarea unei colecții uriașe de particule. Prin urmare, al doilea nume al teoriei molecular-cinetice este fizica statistică.
Prima lege a termodinamicii. Pe baza lucrărilor lui Joule și Mayer, Klausnus a fost primul care a exprimat o idee care s-a format ulterior în prima lege a termodinamicii. El a concluzionat că fiecare corp are o energie internă U. Clausius a numit-o căldura conținută în corp, în contrast cu „căldura Q comunicată corpului”. Energia internă poate fi mărită în două moduri echivalente: prin efectuarea unui lucru mecanic -A asupra corpului sau prin conferirea acestuia a cantității de căldură Q.
În 1860, W. Thomson, după ce a înlocuit în cele din urmă termenul învechit „forță” cu termenul „energie”, scrie prima lege a termodinamicii în următoarea formulare:
Cantitatea de căldură transmisă gazului este utilizată pentru a crește energia internă a gazului și pentru a efectua un lucru extern de către gaz (Fig. 1).
Pentru modificări infinitezimale avem
Prima lege a termodinamicii, sau legea conservării energiei, stabilește echilibrul energiei și muncii. Rolul său poate fi comparat cu rolul unui fel de „contabil” în transformarea reciprocă diferite feluri energie unul în celălalt.
Dacă procesul este ciclic, sistemul revine la starea inițială și U1 = U2 și dU = 0. În acest caz, toată căldura furnizată este utilizată pentru a efectua lucrări externe. Dacă, în plus, Q = 0, atunci A = 0, adică. un proces este imposibil, al cărui singur rezultat este producerea de muncă fără modificări în alte organisme, adică. lucrare de „perpetuum mobile” (perpetuum mobile).
Mayer în lucrarea sa a întocmit un tabel cu toate „forțele” (energiile) naturii considerate de el și a citat 25 de cazuri de transformări ale acestora (căldură ® lucru mecanic ® electricitate, „forță” chimică a materiei ® căldură, electricitate). Mayer a extins conceptul de conservare și transformare a energiei la organismele vii (aportul de alimente ® procese chimice ® efecte termice și mecanice). Aceste exemple au fost ulterior întărite de lucrarea lui Hess (1840), care a investigat transformarea energie chimicaîn căldură, precum și Faraday, Lenz și Joule, în urma cărora a fost formulată legea Joule-Lenz (1845) privind relația dintre energia electrică și termică Q = J2Rt.
Astfel, treptat, pe parcursul a mai bine de patru decenii, s-a format unul dintre cele mai mari principii ale științei moderne, care a dus la unificarea celor mai diverse fenomene naturale. Acest principiu este următorul: Există o anumită cantitate numită energie, care nu se modifică sub nicio transformare care are loc în natură. Nu există excepții de la legea conservării energiei.
1. De ce studiul fenomenelor termice și al tranzițiilor de fază a relevat eșecul determinismului laplacian?
2. Ce sunt microparametrii, macroparametrii în studiul fenomenelor termice?
3. Cu ce a fost conectat studiul fenomenelor termice și când a început?
4. Numiți oamenii de știință ale căror lucrări au stat la baza fizicii fenomenelor termice.
5. Ce sunt forțele conservatoare? forțe disipative? Dă exemple.
6. Pentru ce sisteme este valabilă legea conservării energiei mecanice?
7. Ce este energia potențială? Este conceptul de energie potențială aplicabil numai sistemelor mecanice? Explica.
8. Explicați pe scurt teoria caloricului.
9. Ce experimente care infirmă teoria caloricului au fost efectuate de Rumfoord?
10. De ce sunt diferite capacitățile termice ale gazului în procesele la presiune constantă (Ср) și la volum constant (Сv)? Care om de știință a descoperit pentru prima dată acest fapt?
11. Ce este termodinamica? Ce studiază ea?
12. Ce studiază teoria cinetică moleculară?
13. Ce este fizica statistică? De unde vine acest nume?
14. Formulați prima lege a termodinamicii.
15. Cu ce (cine) poate compara la figurat prima lege a termodinamicii?
Literatură
1. Diaghilev F.M. Concepte științe naturale moderne. – M.: Ed. IMPE, 1998.
2. Concepte ale științelor naturale moderne./ ed. prof. S.A. Samygin, ed. a 2-a. - Rostov n/a: „Phoenix”, 1999.
3. Dubnishcheva T.Ya Concepte ale științelor naturale moderne. Novosibirsk: Editura YuKEA, 1997.
4. Remizov A.N. Fizică medicală și biologică. - M .: Liceu, 1999.
Să existe două vase identice conectate între ele în așa fel încât gazul dintr-un vas să poată curge în altul și să fie în momentul inițial toate moleculele de gaz să fie într-un vas. După ceva timp, va avea loc o redistribuire a moleculelor, ducând la apariția unei stări de echilibru, caracterizată printr-o probabilitate egală de a găsi molecule în ambele vase. O tranziție spontană la starea inițială de neechilibru, în care toate moleculele sunt concentrate într-unul dintre vase, este practic imposibilă. Procesul de tranziție de la o stare de echilibru la o stare de neechilibru este foarte puțin probabil, deoarece dimensiunea fluctuațiilor relative ale parametrilor pentru un număr mare de particule din vase este foarte mică.
Această concluzie corespunde celei de-a doua legi a termodinamicii, care afirmă că un sistem termodinamic trece spontan dintr-o stare de neechilibru într-o stare de echilibru, în timp ce procesul invers este posibil numai sub influențe externe asupra sistemului.
Entropie și probabilitate
Entropia este o mărime termodinamică care caracterizează direcția proceselor termodinamice spontane. Cea mai probabilă stare de echilibru corespunde maximului de entropie.
Să fie un vas cu un volum V 0 conţinând o moleculă. Probabilitatea ca o particulă să se găsească într-un anumit volum V< V 0 , izolat în interiorul vasului, este egal cu . Dacă vasul conține nu una, ci două particule, atunci probabilitatea detectării lor simultane în volumul specificat este determinată ca produsul probabilităților de a găsi fiecare dintre particulele din acest volum:
.
Pentru N particulelor probabilitatea detectării lor simultane în volum V va fi
.
Dacă în acest vas se disting două volume V 1 Și V 2 atunci putem scrie rapoartele probabilităților ca toate moleculele să fie în volumele indicate:
.
Să determinăm creșterea entropiei în procesul izoterm
dilatarea unui gaz ideal din V 1 inainte de V 2 :
Folosind raportul, probabilitățile sunt:
.
Expresia rezultată nu determină valoarea absolută a entropiei în nicio stare, ci doar face posibilă găsirea diferenței de entropii în două stări diferite.
Pentru o definiție clară a entropiei, folosiți ponderea statistica G , a cărui valoare este exprimată ca număr întreg pozitiv și proporțional cu probabilitatea: G ~ P .
Ponderea statistică a macrostarii se numeste o valoare egala numeric cu numarul de microstari de echilibru, cu ajutorul carora se poate realiza macrostarea considerata.
Trecerea la ponderea statistică ne permite să scriem relația pentru entropie în formă Formule Boltzmann pentru entropia statistică :
Cursul 15
Fenomene de transfer
Fluxuri termodinamice
Fluxuri termodinamice , asociate cu transferul de materie, energie sau impuls dintr-o parte a mediului în alta, apar dacă valorile anumitor parametri fizici diferă în volumul mediului.
prin difuzie numit procesul de aliniere spontană a concentraţiilor de substanţe din amestecuri. Viteza de difuzie depinde puternic de starea de agregare a substanței. Difuzia are loc mai rapid în gaze și foarte lent în solide.
conductivitate termică numit fenomenul care duce la egalizarea temperaturii în diferite puncte ale mediului. Conductivitatea termică ridicată a metalelor se datorează faptului că transferul de căldură în ele se realizează nu datorită mișcării haotice a atomilor și moleculelor, cum ar fi, de exemplu, în gaze sau lichide, ci prin electroni liberi, care au o temperatură mult mai mare. vitezele de mișcare.
Vâscozitate sau frecare internă numiți procesul de apariție a unei forțe de rezistență atunci când un corp se mișcă într-un lichid sau gaz și atenuarea undelor sonore atunci când acestea trec prin diverse medii.
Pentru o descriere cantitativă a debitului termodinamic se introduce mărimea
, Unde
Fizica moleculara,
termodinamica,
fizica statistica,
trei pozitii
1.
materia este formată din particule;
2.
3.
metoda statistica mediat
metoda termodinamica
Principiile termodinamicii
Prima lege a termodinamicii
δ Q = δ A + dU , Unde dU Qşi δ A
A doua lege a termodinamicii
1 - Postulatul lui Clausius.
2 - postulatul lui Kelvin.
Increment de entropie (
Start zero al termodinamicii (legea generală a termodinamicii)
Dacă sistemul A B C, apoi sistemul A este în echilibru cu C
Elemente de cinetică fizică. Fenomenul de transfer în sisteme de neechilibru termodinamic. Ecuația generală a fenomenelor de transport în gaze și justificarea acesteia conform MKT. Dependența coeficienților de transfer de presiune și temperatură.
Cinetica fizica(greaca veche κίνησις - mișcare) - teoria microscopică a proceselor în medii neechilibrate. În cinetică prin metode de fizică statistică cuantică sau clasică
Ei studiază procesele de transfer de energie, impuls, sarcină și materie în diverse sisteme fizice (gaze, plasmă, lichide, solide) și influența câmpurilor externe asupra acestora.
În sistemele de neechilibru termodinamic, special ireversibil procesele numite fenomene de transfer, în urma căruia are loc un transfer spațial de energie, masă și impuls. Fenomenele de transfer includ conductivitate termică(din cauza transfer de energie)difuziune(din cauza transfer în masă) Și frecare internă(din cauza transfer de impuls).
1. Conductivitate termică. Dacă într-o regiune a gazului energia cinetică medie a moleculelor este mai mare decât în alta, atunci în timp, din cauza ciocnirilor constante ale moleculelor, are loc procesul de egalizare a energiilor cinetice medii ale moleculelor, adică, cu alte cuvinte, egalizarea temperaturilor.
Transferul de energie sub formă de căldură este supus legea Fourier:
Unde j E -densitatea fluxului termic- cantitate determinată de energia transferată sub formă de căldură topoare X,l - conductivitate termică, - gradient de temperatură egal cu rata de modificare a temperaturii pe unitatea de lungime Xîn direcția normală cu acest site. Semnul minus arată că în timpul conducerii căldurii, energia este transferată în direcția scăderii temperaturii (prin urmare, semnele j Eși sunt opuse).
2. Difuzia. Fenomenul de difuzie constă în faptul că are loc pătrunderea și amestecarea spontană a particulelor a două gaze alăturate, lichide și chiar solide; difuzia se reduce la schimbul de mase ale particulelor acestor corpuri, apare si continua atata timp cat exista gradientul de densitate. În timpul formării teoriei molecular-cinetice au apărut controverse pe tema difuziei. Deoarece moleculele se mișcă cu viteze extraordinare, difuzia trebuie să fie foarte rapidă. Dacă deschideți un vas cu o substanță mirositoare în cameră, atunci mirosul se răspândește destul de lent. Cu toate acestea, nu există nicio contradicție aici. Moleculele aflate la presiunea atmosferică au o cale liberă medie scurtă și, ciocnind cu alte molecule, practic „stau” pe loc.
Fenomenul de difuzie pentru un gaz chimic omogen se supune legea lui Fuc:
Unde j m -densitatea fluxului de masă- valoarea determinată de masa substanței care difuzează pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață perpendiculară pe topoare x, D -difuzie (coeficient de difuzie), d r/ d X- gradient de densitate egal cu rata de modificare a densității pe unitatea de lungime Xîn direcția normală cu acest site. Semnul minus arată că transferul de masă are loc în direcția de scădere a densității (prin urmare, semnele j mși d r/ d X sunt opuse).
3. Frecare internă (viscozitate). Mecanismul apariției frecării interne între straturi paralele de gaz (lichid) care se mișcă cu viteze diferite este că, din cauza mișcării termice haotice, moleculele sunt schimbate între straturi, în urma căruia impulsul stratului care se mișcă mai repede scade, mișcare mai lent - crește, ceea ce duce la decelerația stratului care se mișcă mai rapid și accelerarea stratului care se deplasează mai încet.
Forța de frecare internă între două straturi de gaz (lichid) se supune legea lui Newton:
Unde h- vâscozitate dinamică (vâscozitate), d v/ d X- gradient de viteză care arată rata de schimbare a vitezei în direcție X, perpendicular pe direcția de mișcare a straturilor, S- zona peste care actioneaza forta F.
Interacțiunea a două straturi conform celei de-a doua legi a lui Newton poate fi considerată ca un proces în care un impuls este transferat de la un strat la altul pe unitatea de timp, modulul este egal cu forța care acționează. Atunci această expresie poate fi reprezentată ca
Unde jp -densitatea fluxului de impuls- valoarea determinată de impulsul total purtat pe unitatea de timp pe direcția pozitivă a axei X printr-o singură zonă perpendiculară pe axă X, - gradient de viteză. Semnul minus indică faptul că impulsul este transportat în direcția de scădere a vitezei.
Coeficientul de difuzie crește odată cu creșterea temperaturii:
Pe măsură ce temperatura crește, și conductibilitatea termică crește:
Dependența de temperatură a coeficientului de vâscozitate este similară cu dependența pentru coeficientul de conductivitate termică:
Prima lege (prima lege) a termodinamicii (legea conservării energiei în procesele termice). Aplicarea primei legi a termodinamicii la izoprocesele din gaze. proces adiabatic. Ecuația Poisson. proces politropic.
Prima lege a termodinamicii- una dintre cele trei legi de bază ale termodinamicii, este legea conservării energiei pentru sistemele termodinamice
.Modificarea energiei interne a sistemului în timpul tranziției sale de la o stare la alta este egală cu suma muncii forțelor externe și a cantității de căldură transferată sistemului, adică depinde numai de stările inițiale și finale. a sistemului și nu depinde de modul în care se realizează această tranziție. Cu alte cuvinte, energia internă este o funcție de stare. Într-un proces ciclic, energia internă nu se modifică.
δ Q = δ A + dU, Unde dU Există diferenţial total energia internă a sistemului și δ Qşi δ A este cantitatea elementară de căldură transferată sistemului și, respectiv, munca elementară efectuată de sistem.
Prima lege a termodinamicii:
§ în proces izobaric
§ intr-un proces izocor ( A = 0)
§ într-un proces izoterm (Δ U = 0)
Aici - masa gazului, - masa molară a gazului, - capacitatea de căldură molară la volum constant, - presiunea, volumul și respectiv temperatura gazului, iar ultima egalitate este valabilă numai pentru un gaz ideal.
Starea solidă a materiei. O afecțiune caracterizată prin capacitatea de a păstra volumul și forma. atomi corp solid face doar mici oscilații în jurul stării de echilibru. Există atât ordine pe rază lungă, cât și pe rază scurtă.
D. are loc în gaze, lichide și solide, iar atât particulele de substanțe străine aflate în ele, cât și particulele proprii pot difuza. particulele mari suspendate într-un gaz sau lichid se realizează datorită mișcării lor browniene. D. apare cel mai rapid în gaze, mai lent în lichide și chiar mai lent în solide, ceea ce se datorează naturii mișcării termice a particulelor din aceste medii.
Solid. O afecțiune caracterizată prin capacitatea de a păstra volumul și forma. Atomii unui corp solid produc doar mici vibrații în jurul stării de echilibru. Există atât ordine pe rază lungă, cât și pe rază scurtă.
Lichid. Starea unei substanțe în care are compresibilitate scăzută, adică își păstrează bine volumul, dar nu este capabilă să-și păstreze forma. Lichidul ia cu ușurință forma vasului în care este plasat. Atomii sau moleculele unui lichid vibrează în apropierea stării de echilibru, blocate de alți atomi și sar adesea în alte locuri libere. Există doar o comandă pe distanță scurtă.
Gaz. O stare caracterizată de o bună compresibilitate, lipsită de capacitatea de a păstra atât volumul, cât și forma. Gazul tinde să ocupe întregul volum furnizat acestuia. Atomii sau moleculele unui gaz se comportă relativ liber, distanțele dintre ei sunt mult mai mari decât dimensiunea lor.
Plasma. Plasma, denumită adesea o stare de agregare a materiei, diferă de gaz într-un grad ridicat de ionizare a atomilor. Majoritatea materiei barionice (99,9% din masă) din Univers se află în stare de plasmă.
Fenomenul tensiunii superficiale. Coeficientul de tensiune superficială. suprafețe hidrofile și hidrofobe. Starea de echilibru a unei picături de lichid pe suprafața unui corp solid (principiul energiei minime). Surfactanți (surfactanți) și aplicarea acestora.
Tensiunea superficială este o caracteristică termodinamică a interfeței dintre două faze aflate în echilibru, determinată de munca de formare izotermocinetică reversibilă a unei unități de suprafață a acestei interfețe, cu condiția ca temperatura, volumul sistemului și potențialele chimice ale tuturor componentelor din ambele faze să rămână. constant.
Tensiunea superficială are o dublă semnificație fizică - energie (termodinamică) și forță (mecanică). Definiția energiei (termodinamice): tensiunea superficială este munca specifică de creștere a suprafeței atunci când aceasta este întinsă, cu condiția ca temperatura să fie constantă. Definiția forței (mecanice): tensiunea superficială este forța care acționează pe unitatea de lungime a unei linii care limitează suprafața unui lichid
Coeficient de tensiune de suprafață - munca necesară pentru a crește izoterm suprafața unui lichid cu 1 mp.
Coeficient de tensiune superficială:
- scade odata cu cresterea temperaturii;
- egal cu zero în punctul critic;
depinde de prezența impurităților în lichid.
Hidrofobia (din altă greacă ὕδωρ - apă și φόβος - frică, frică) este o proprietate fizică a unei molecule care „tinde” să evite contactul cu apa. Molecula însăși în acest caz se numește hidrofobă.
Hidrofilia (din altă greacă ὕδωρ - apă și φιλία - dragoste) este o caracteristică a intensității interacțiunii moleculare a suprafeței corpurilor cu apa. Împreună cu hidrofobicitatea, se aplică nu numai corpurilor în care este o proprietate a suprafeței.
Să luăm acum în considerare fenomenele care apar cu o picătură de lichid plasată pe suprafața unui corp solid. În acest caz, există trei interfețe între faze: gaz-lichid, lichid-solid și gaz-solid. Comportamentul unei picături de lichid va fi determinat de valorile tensiunii superficiale (valori specifice energiei de suprafață liberă) la interfețele indicate. Forța de tensiune superficială la interfața lichid-gaz va tinde să dea picăturii o formă sferică. Acest lucru se va întâmpla dacă tensiunea superficială la interfața dintre lichid și solid este mai mare decât tensiunea superficială la interfața dintre gaz și solid. În acest caz, procesul de contracție a unei picături de lichid într-o sferă duce la o scădere a suprafeței interfeței lichid-solid, în timp ce crește simultan suprafața interfeței gaz-lichid. Apoi există neumeziv suprafața unui corp solid cu un lichid. Forma picăturii va fi determinată de forțele rezultate ale tensiunii superficiale și ale gravitației. Dacă picătura este mare, atunci se va răspândi pe suprafață, iar dacă este mică, va tinde spre o formă sferică.
Surfactanți ( surfactant) - compuși chimici care, concentrându-se pe interfață, determină scăderea tensiunii superficiale.
Domenii de utilizare
Detergenți. Principala utilizare a surfactanților este ca componentă activă a detergenților și detergenților (inclusiv a celor folosiți pentru decontaminare), a săpunului, pentru îngrijirea spațiilor, a vaselor, a hainelor, a lucrurilor, a mașinilor etc.
Produse cosmetice. Principala utilizare a surfactanților în cosmetică este șampoanele, unde conținutul de surfactanți poate ajunge la zeci de procente din volumul total.
Industria textila. Agenții tensioactivi sunt utilizați în principal pentru a îndepărta electricitatea statică de pe fibrele țesăturii sintetice.
industria pielăriei. Protejarea produselor din piele de deteriorarea ușoară și lipire.
Industria vopselei. Agenții tensioactivi sunt utilizați pentru a reduce tensiunea superficială, ceea ce asigură că materialul de vopsea pătrunde cu ușurință în mici depresiuni de pe suprafața de tratat și le umple în timp ce înlocuiește alte substanțe (de exemplu, apa) de acolo.
Industria hârtiei. Agenții tensioactivi sunt utilizați pentru a separa cerneala și celuloza fiartă în reciclarea hârtiei uzate.
Metalurgie. Emulsiile de surfactant sunt folosite pentru lubrifierea laminoarelor. Reduceți frecarea. Rezista temperaturi mari la care arde uleiul.
Protecția plantelor. Surfactanții sunt folosiți pe scară largă în agronomie și agricultură pentru a forma emulsii. Sunt folosite pentru a crește eficiența transportului nutrienților către plante prin pereții membranei.
Industria alimentară. Se adaugă surfactanți sub formă de emulgatori (de exemplu, lecitină) pentru a îmbunătăți palatabilitatea.
Productie de ulei. Agenții tensioactivi sunt utilizați pentru a hidrofobiza zona de formare a fundului (BFZ) pentru a crește recuperarea uleiului.
Constructie. Agenții tensioactivi, numiți plastifianți, sunt adăugați în amestecurile de ciment-nisip și beton pentru a reduce necesarul de apă, menținând în același timp mobilitatea. Aceasta crește rezistența finală (gradul) materialului întărit, densitatea acestuia, rezistența la îngheț și rezistența la apă.
Medicament. Surfactanții cationici și anionici sunt utilizați în chirurgie ca antiseptice.
Fenomene capilare, fenomene fizice cauzate de acțiunea tensiunii superficiale la interfața mediilor nemiscibile. Pentru K. I. de obicei includ fenomene în mediile lichide cauzate de curbura suprafeței lor, care se învecinează cu un alt lichid, gaz sau propriul vapor.
Udare, un fenomen care apare atunci când un lichid intră în contact cu suprafața unui solid sau a altor lichide. Se exprimă, în special, în împrăștierea lichidului de-a lungul suprafață durăîn contact cu un gaz (abur) sau alt lichid, impregnarea corpurilor poroase și a pulberilor, curbura suprafeței lichidului la suprafața unui corp solid.
Formula Laplace
Luați în considerare o peliculă lichidă subțire a cărei grosime poate fi neglijată. Într-un efort de a minimiza energia sa liberă, filmul creează o diferență de presiune din diferite părți. Așa se explică existența bulelor de săpun: filmul este comprimat până când presiunea din interiorul bulei depășește presiunea atmosferică prin presiune suplimentară a filmului. Presiunea suplimentară într-un punct de pe suprafață depinde de curbura medie în acel punct și este dată de Formula Laplace:
Aici R 1,2 - razele curburelor principale într-un punct. Au același semn dacă centrele de curbură corespunzătoare se află pe aceeași parte a planului tangent în punctul respectiv și semn diferit- dacă este de altă parte. De exemplu, pentru o sferă, centrele de curbură din orice punct de pe suprafață coincid cu centrul sferei, deci
R1 = R2 = R
Pentru cazul suprafeței unui cilindru circular de rază R avem
Rețineți că Δ p trebuie să fie o funcție continuă pe suprafața filmului, astfel încât alegerea părții „pozitive” a filmului într-un punct definește în mod unic latura pozitivă a suprafeței în puncte suficient de apropiate de aceasta.
Din formula Laplace rezultă că o peliculă de săpun liber întinsă pe un cadru de formă arbitrară și care nu formează bule va avea o curbură medie egală cu 0.
Subiect de fizică moleculară și termodinamică. Fizică statistică și termodinamică. Prevederi de bază ale gazelor MKT. Termodinamic şi metode statistice. Trei principii ale termodinamicii.
Fizica moleculara, ramură a fizicii care se ocupă de proprietăți fizice corpuri în diferite stări de agregare pe baza structurii lor microscopice (moleculare).
termodinamica,știința celor mai generale proprietăți ale sistemelor macroscopice în stare de echilibru termodinamic și a proceselor de tranziție între aceste stări.
fizica statistica, o ramură a fizicii a cărei sarcină este de a exprima proprietățile corpurilor macroscopice, adică sisteme formate dintr-un număr foarte mare de particule identice (molecule, atomi, electroni etc.), prin proprietățile acestor particule și interacțiunea dintre ele. .
Teoria cinetică moleculară numită doctrină care explică structura și proprietățile corpurilor prin mișcarea și interacțiunea atomilor, moleculelor și ionilor care alcătuiesc corpurile.
În centrul structurii MKT a materiei se află trei pozitii, dintre care fiecare a fost dovedit cu ajutorul observațiilor și experimentelor (mișcare browniană, difuzie etc.):
1.
materia este formată din particule;
2.
particulele se mișcă aleatoriu;
3.
particulele interacționează între ele.
Scopul teoriei cinetice moleculare este de a explica proprietățile corpurilor macroscopice și procesele termice care au loc în ele, pe baza noțiunii că toate corpurile constau din particule separate, care se mișcă aleatoriu.
Procesele studiate de fizica moleculară sunt rezultatul acțiunii combinate a unui număr imens de molecule. Legile comportamentului unui număr mare de molecule, fiind regularități statistice, sunt studiate folosind metoda statistica. Această metodă se bazează pe faptul că proprietățile unui sistem macroscopic sunt în cele din urmă determinate de proprietățile particulelor sistemului, caracteristicile mișcării lor și mediat valorile caracteristicilor dinamice ale acestor particule (viteză, energie etc.). De exemplu, temperatura unui corp este determinată de viteza mișcării haotice a moleculelor sale, dar întrucât în orice moment diferite molecule au viteze diferite, ea poate fi exprimată doar prin valoarea medie a vitezei moleculelor.
Termodinamica nu ia în considerare microprocesele care stau la baza acestor transformări. Acest metoda termodinamica diferit de statistici. Termodinamica se bazează pe două legi fundamentale stabilite ca urmare a generalizării datelor experimentale.
Principiile termodinamicii- un set de postulate care stau la baza termodinamicii. Aceste prevederi au fost stabilite ca urmare a cercetării științifice și au fost dovedite experimental. Ele sunt acceptate ca postulate astfel încât termodinamica să poată fi construită axiomatic.
Necesitatea principiilor termodinamicii este legată de faptul că termodinamica descrie parametrii macroscopici ai sistemelor fără presupuneri specifice privind structura microscopică a acestora. Fizica statistică se ocupă de problemele structurii interne.
Legile termodinamicii sunt independente, adică niciuna dintre ele nu poate fi derivată din alte principii.
Prima lege a termodinamicii
Cantitatea de căldură primită de sistem este folosită pentru a-și schimba energia internă și pentru a lucra împotriva forțelor externe.
Modificarea energiei interne a sistemului în timpul tranziției sale de la o stare la alta este egală cu suma muncii forțelor externe și a cantității de căldură transferată sistemului și nu depinde de metoda prin care se realizează această tranziție. afară.
δ Q = δ A + dU , Unde dU este diferența totală a energiei interne a sistemului și δ Qşi δ A este cantitatea elementară de căldură transferată sistemului și, respectiv, munca elementară efectuată de sistem.
A doua lege a termodinamicii
A doua lege a termodinamicii exclude posibilitatea creării unei mașini cu mișcare perpetuă de al doilea fel.
1 - Postulatul lui Clausius. Nu este posibil niciun proces al cărui singur rezultat este transferul de căldură de la un corp mai rece la unul mai fierbinte.
2 - postulatul lui Kelvin. Un proces circular este imposibil, al cărui singur rezultat ar fi producerea de lucru prin răcirea rezervorului termic.
A treia lege a termodinamicii poate fi formulată după cum urmează:
Increment de entropie ( ca măsură a dezordinei în sistem) la zero absolut, temperatura tinde spre o limită finită, independent de starea de echilibru a sistemului.
Start zero al termodinamicii (legea generală a termodinamicii)
Principiul fizic conform căruia, indiferent de starea inițială a unui sistem izolat, în el se va stabili eventual echilibrul termodinamic și, de asemenea, că toate părțile sistemului vor avea aceeași temperatură atunci când se atinge echilibrul termodinamic. Astfel, principiul zero introduce și definește de fapt conceptul de temperatură. Start zero poate primi o formă ceva mai riguroasă:
Dacă sistemul A este în echilibru termodinamic cu sistemul B, și asta, la rândul său, cu sistemul C, apoi sistemul A este în echilibru cu C. Cu toate acestea, temperaturile lor sunt egale.
