ฟิสิกส์สถิติและอุณหพลศาสตร์ กฎหมายไดนามิกและสถิติ หลักการเพิ่มเอนโทรปี สรุป: ฟิสิกส์สถิติและอุณหพลศาสตร์ อุณหพลศาสตร์และฟิสิกส์คงที่

จากการศึกษาเนื้อหาในบทที่ 9 นักเรียนควร: ทราบ หลักการพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์เชิงสถิติ สามารถ คำนวณผลรวมสำหรับรัฐและทราบคุณสมบัติ ใช้ข้อกำหนดและคำจำกัดความที่ให้ไว้ในบท

เป็นเจ้าของ ศัพท์เฉพาะ ทักษะการคำนวณฟังก์ชันทางอุณหพลศาสตร์ของก๊าซในอุดมคติด้วยวิธีการทางสถิติ

สมมติฐานพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์ทางสถิติ

วิธีการทางอุณหพลศาสตร์ไม่สามารถใช้ได้กับระบบที่ประกอบด้วยโมเลกุลจำนวนน้อย เนื่องจากในระบบดังกล่าว ความแตกต่างระหว่างความร้อนกับงานจะหายไป ในขณะเดียวกันทิศทางที่ชัดเจนของกระบวนการก็หายไป:

สำหรับโมเลกุลจำนวนน้อยมาก ทิศทางของกระบวนการทั้งสองจะเท่ากัน สำหรับระบบที่แยกได้ การเพิ่มเอนโทรปีอาจเท่ากับความร้อนที่ลดลง (สำหรับกระบวนการที่ย้อนกลับได้สมดุล) หรือมากกว่านั้น (สำหรับกระบวนการที่ไม่สมดุล) ความเป็นคู่ของเอนโทรปีนี้สามารถอธิบายได้จากมุมมองของระเบียบ - ความผิดปกติของการเคลื่อนไหวหรือสถานะของอนุภาคที่ประกอบเป็นระบบ ดังนั้นเอนโทรปีจึงสามารถพิจารณาในเชิงคุณภาพได้ว่าเป็นการวัดความผิดปกติของสถานะโมเลกุลของระบบ แนวคิดเชิงคุณภาพเหล่านี้ได้รับการพัฒนาเชิงปริมาณโดยอุณหพลศาสตร์เชิงสถิติ อุณหพลศาสตร์ทางสถิติเป็นส่วนหนึ่งของสาขาวิทยาศาสตร์ทั่วไป - กลศาสตร์สถิติ

หลักการพื้นฐานของกลศาสตร์สถิติได้รับการพัฒนาเมื่อปลายศตวรรษที่ 19 ในผลงานของ L. Boltzmann และ J. Gibbs

เมื่ออธิบายระบบที่ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก สามารถใช้สองวิธี: กล้องจุลทรรศน์ และ มหภาค วิธีการแบบมาโครสโคปถูกใช้โดยอุณหพลศาสตร์แบบคลาสสิก ซึ่งโดยทั่วไปแล้วสภาวะของระบบที่มีสารบริสุทธิ์เพียงตัวเดียวถูกกำหนดโดยตัวแปรอิสระสามตัว: ตู่ (อุณหภูมิ), วี (ปริมาณ), นู๋ (จำนวนอนุภาค). อย่างไรก็ตาม จากมุมมองด้วยกล้องจุลทรรศน์ ระบบที่มีสาร 1 โมลประกอบด้วย 6.02 10 23 โมเลกุล นอกจากนี้ในแนวทางแรก microstate ของระบบมีลักษณะโดยละเอียด

ตัวอย่างเช่น พิกัดและโมเมนต์ของแต่ละอนุภาคในแต่ละช่วงเวลา คำอธิบายด้วยกล้องจุลทรรศน์จำเป็นต้องแก้สมการการเคลื่อนที่แบบคลาสสิกหรือควอนตัมสำหรับตัวแปรจำนวนมาก ดังนั้นแต่ละไมโครสเตทของก๊าซในอุดมคติในกลศาสตร์แบบคลาสสิกจึงถูกอธิบายโดยตัวแปร 6N (น - จำนวนอนุภาค): พิกัด ЗN และการคาดการณ์โมเมนตัม ЗN

หากระบบอยู่ในสมดุล พารามิเตอร์มาโครจะคงที่ ในขณะที่พารามิเตอร์ด้วยกล้องจุลทรรศน์จะเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ซึ่งหมายความว่าแต่ละมาโครสเตตสอดคล้องกับไมโครสเตตหลายตัว (อันที่จริง จำนวนมากอย่างไม่สิ้นสุด) (รูปที่ 9.1)

ข้าว. 9.1.

อุณหพลศาสตร์ทางสถิติสร้างความเชื่อมโยงระหว่างสองแนวทางนี้ แนวคิดหลักมีดังนี้: หากไมโครสเตทจำนวนมากสอดคล้องกับแต่ละแมคโครสเตท ไมโครสเตทแต่ละตัวก็มีส่วนสนับสนุนในสถานะมาโครของตัวเอง จากนั้นจะสามารถคำนวณคุณสมบัติของมาโครสเตทเป็นค่าเฉลี่ยของไมโครสเตททั้งหมดได้ เช่น สรุปผลงานของพวกเขาโดยคำนึงถึงน้ำหนักทางสถิติ

การหาค่าเฉลี่ยมากกว่าไมโครสเตทนั้นดำเนินการโดยใช้แนวคิดของวงดนตรีทางสถิติ วงดนตรีคือชุดของระบบที่เหมือนกันที่ไม่มีที่สิ้นสุดซึ่งอยู่ในไมโครสเตทที่เป็นไปได้ทั้งหมดที่สอดคล้องกับมาโครสเตตเดียว แต่ละระบบทั้งมวลเป็นหนึ่งไมโครสเตท ทั้งมวลอธิบายโดยฟังก์ชันการกระจายบางอย่างในพิกัดและโมเมนต์ p (p, q , t) ซึ่งกำหนดไว้ดังนี้: p (p, q, t) dpdq - นี่คือความน่าจะเป็นที่ระบบทั้งมวลอยู่ในองค์ประกอบระดับเสียง dpdq ใกล้จุด ( R , ถาม) ในตอนนี้ ที

ความหมายของฟังก์ชันการกระจายคือกำหนดน้ำหนักทางสถิติของไมโครสเตตแต่ละรายการในมาโครสเตต

จากคำจำกัดความ คุณสมบัติเบื้องต้นของฟังก์ชันการกระจายมีดังนี้:

คุณสมบัติมหภาคจำนวนมากของระบบสามารถกำหนดเป็นค่าเฉลี่ยของฟังก์ชันพิกัดและโมเมนต์ ฉ (p, q) โดยวงดนตรี:

ตัวอย่างเช่น พลังงานภายในคือค่าเฉลี่ยของฟังก์ชันแฮมิลตัน H (p, q):

(9.4)

การมีอยู่ของฟังก์ชันการแจกแจงเป็นสาระสำคัญของสมมติฐานหลักของกลศาสตร์สถิติแบบคลาสสิก: สถานะมหภาคของระบบถูกกำหนดโดยสมบูรณ์โดยฟังก์ชันการกระจายบางอย่าง , ที่ตรงตามเงื่อนไข (9.1) และ (9.2)

สำหรับระบบสมดุลและชุดสมดุล ฟังก์ชันการกระจายไม่ได้ขึ้นอยู่กับเวลาอย่างชัดเจน: p = p (p, q) รูปแบบที่ชัดเจนของฟังก์ชันการแจกจ่ายขึ้นอยู่กับประเภทของวงดนตรี วงดนตรีมีสามประเภทหลัก:

ที่ไหน k = 1.38 10 -23 J / K - ค่าคงที่ของ Boltzmann ค่าของค่าคงที่ในนิพจน์ (9.6) ถูกกำหนดโดยเงื่อนไขการทำให้เป็นมาตรฐาน

กรณีพิเศษของการแจกแจงแบบบัญญัติ (9.6) คือการแจกแจงของแมกซ์เวลล์เหนือความเร็ว ข ซึ่งใช้ได้กับก๊าซ:

(9.7)

ที่ไหน ม - มวลของโมเลกุลของแก๊ส นิพจน์ p (v) dv อธิบายความน่าจะเป็นที่โมเลกุลมีความเร็วสัมบูรณ์ในช่วงตั้งแต่ วี ก่อน วี + ดี &. ค่าสูงสุดของฟังก์ชัน (9.7) ให้ความเร็วโมเลกุลที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุด และปริพันธ์

ความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุล

หากระบบมีระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องและอธิบายด้วยกลไกควอนตัม แสดงว่าแทนที่จะเป็นฟังก์ชันแฮมิลตัน H (p, q) ใช้ตัวดำเนินการแฮมิลตัน ชม, และแทนที่จะเป็นฟังก์ชันการกระจาย ตัวดำเนินการของเมทริกซ์ความหนาแน่น p:

(9.9)

องค์ประกอบในแนวทแยงของเมทริกซ์ความหนาแน่นให้ความน่าจะเป็นที่ระบบอยู่ในสถานะพลังงานและมีพลังงาน อี (.

(9.10)

ค่าของค่าคงที่ถูกกำหนดโดยเงื่อนไขการทำให้เป็นมาตรฐาน:

(9.11)

ตัวส่วนของนิพจน์นี้เรียกว่าผลรวมเหนือสถานะ เขามี ค่าคีย์สำหรับการประเมินทางสถิติของคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของระบบ จากนิพจน์ (9.10) และ (9.11) เราสามารถหาจำนวนอนุภาคได้ N jf มีพลังงาน

(9.12)

ที่ไหน น - จำนวนทั้งหมดอนุภาค การกระจายของอนุภาค (9.12) เหนือระดับพลังงานเรียกว่าการแจกแจงแบบโบลต์ซมันน์ และตัวเศษของการกระจายนี้คือปัจจัยของโบลต์ซมันน์ (ตัวคูณ) บางครั้งการแจกแจงนี้เขียนในรูปแบบที่ต่างออกไป: หากมีหลายระดับที่มีพลังงานเท่ากัน จะรวมกันเป็นกลุ่มเดียวโดยการสรุปปัจจัยของ Boltzmann:

(9.13)

ที่ไหน จีเจ - จำนวนระดับด้วยพลังงาน เอจ หรือน้ำหนักทางสถิติ

สามารถคำนวณพารามิเตอร์ระดับมหภาคจำนวนมากของระบบอุณหพลศาสตร์ได้โดยใช้การแจกแจงแบบ Boltzmann ตัวอย่างเช่น พลังงานเฉลี่ยถูกกำหนดเป็นค่าเฉลี่ยของระดับพลังงาน โดยคำนึงถึงน้ำหนักทางสถิติ:

(9.14)

3) แกรนด์แคนนิคัลทั้งมวลอธิบายระบบเปิดในสภาวะสมดุลทางความร้อนและสามารถแลกเปลี่ยนสสารกับสิ่งแวดล้อมได้ สมดุลความร้อนมีลักษณะอุณหภูมิ ที, และความสมดุลของจำนวนอนุภาค - โดยศักย์เคมี p. ดังนั้นฟังก์ชันการกระจายจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและศักย์เคมี เราจะไม่ใช้นิพจน์ที่ชัดเจนสำหรับฟังก์ชันการแจกแจงของวงดนตรีที่เป็นที่ยอมรับในระดับสูงที่นี่

ในทฤษฎีทางสถิติ พิสูจน์แล้วว่าสำหรับระบบที่มีอนุภาคจำนวนมาก (~ 10 23) ทั้งสามประเภทตระการตาเท่ากัน การใช้ชุดใดๆ ทำให้เกิดคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์เดียวกัน ดังนั้น การเลือกชุดใดชุดหนึ่งเพื่ออธิบายระบบทางอุณหพลศาสตร์จึงถูกกำหนดโดยความสะดวกของการประมวลผลทางคณิตศาสตร์ของฟังก์ชันการกระจายเท่านั้น

ส่วนหนึ่งของฟิสิกส์ที่อุทิศให้กับการศึกษาของเซนต์ในมหภาค วัตถุ กล่าวคือ ระบบที่ประกอบด้วย h c ที่เหมือนกันจำนวนมาก (โมเลกุล อะตอม อิเล็กตรอน ฯลฯ) ซึ่งเกิดขึ้นจาก sv ใน h c เหล่านี้และผลกระทบระหว่างพวกมัน การศึกษาระดับมหภาค ร่างกายมีส่วนร่วมและอื่น ๆ ... สารานุกรมทางกายภาพ

- (กลศาสตร์สถิติ) สาขาฟิสิกส์ที่ศึกษาคุณสมบัติของวัตถุมหภาค (ก๊าซ ของเหลว ของแข็ง) เป็นระบบที่มีขนาดใหญ่มาก (ตามลำดับเลขอาโวกาโดร คือ 1023 โมล 1) จำนวนอนุภาค (โมเลกุล อะตอม) , อิเล็กตรอน). ในสถิติ... สารานุกรมสมัยใหม่

- (กลศาสตร์สถิติ) สาขาฟิสิกส์ที่ศึกษาคุณสมบัติของวัตถุมหภาคในฐานะระบบของอนุภาคจำนวนมาก (โมเลกุล อะตอม อิเล็กตรอน) ฟิสิกส์สถิติใช้วิธีการทางสถิติตามทฤษฎีความน่าจะเป็น ... ... พจนานุกรมสารานุกรมขนาดใหญ่

ฟิสิกส์สถิติ- (กลศาสตร์สถิติ) สาขาฟิสิกส์ที่ศึกษาคุณสมบัติของวัตถุมหภาค (ก๊าซ ของเหลว ของแข็ง) เป็นระบบที่มีขนาดใหญ่มาก (ตามลำดับเลขอาโวกาโดร คือ 1023 โมล 1) จำนวนอนุภาค (โมเลกุล อะตอม) , อิเล็กตรอน). วี… … พจนานุกรมสารานุกรมภาพประกอบ

Sush. จำนวนคำพ้องความหมาย: 2 สถิติ (2) ฟิสิกส์ (55) พจนานุกรมคำพ้องความหมาย ASIS ว.น. ทริชิน. 2556 ... พจนานุกรมคำพ้องความหมาย

ฟิสิกส์สถิติ- ส่วนของฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่ศึกษาคุณสมบัติของระบบที่ซับซ้อนของก๊าซ ของเหลว ของแข็ง และความสัมพันธ์ของพวกมันกับสมบัติของอนุภาคอิเล็กตรอน อะตอม และโมเลกุลที่ประกอบกันเป็นระบบเหล่านี้ งานหลักของ S. ph.: ค้นหาฟังก์ชั่น ... ... สารานุกรมสารานุกรมขนาดใหญ่

- (กลศาสตร์สถิติ) สาขาฟิสิกส์ที่ศึกษาคุณสมบัติของวัตถุมหภาคในฐานะระบบของอนุภาคจำนวนมาก (โมเลกุล อะตอม อิเล็กตรอน) ฟิสิกส์สถิติใช้วิธีการทางสถิติตามทฤษฎี ... ... พจนานุกรมสารานุกรม

สาขาฟิสิกส์ที่มีหน้าที่แสดงคุณสมบัติของวัตถุระดับมหภาค กล่าวคือ ระบบที่ประกอบด้วยอนุภาคที่เหมือนกันจำนวนมาก (โมเลกุล อะตอม อิเล็กตรอน ฯลฯ) ผ่านคุณสมบัติของอนุภาคเหล่านี้และปฏิกิริยาระหว่างกัน . ... ... สารานุกรมแห่งสหภาพโซเวียตผู้ยิ่งใหญ่

ฟิสิกส์สถิติ- statistinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: แองเกิล ว็อก ฟิสิกส์สถิติ สถิติ Physik, f rus. ฟิสิกส์สถิติ, ฉ. สถิติร่างกาย, f ... Fizikos terminų žodynas

- (กลศาสตร์สถิติ) เป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาคุณสมบัติของมหภาค ร่างกายเป็นระบบของอนุภาคจำนวนมาก (โมเลกุล อะตอม อิเล็กตรอน) ในเอสเอฟ ใช้สถิติ วิธีการตามทฤษฎีความน่าจะเป็น เอส เอฟ ปัดฝุ่น ... ... วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ. พจนานุกรมสารานุกรม

หนังสือ

• ฟิสิกส์สถิติ Klimontovich YL .. หลักสูตรนี้แตกต่างจากหลักสูตรที่มีอยู่ทั้งในเนื้อหาและในลักษณะของการนำเสนอ วัสดุทั้งหมดถูกนำเสนอบนพื้นฐานของวิธีการเดียว - ทฤษฎีของสถานะไม่สมดุลทำหน้าที่เป็นเดือย ...
• ฟิสิกส์สถิติ, L. D. Landau, E. M. Lifshits. รุ่น 2507 การเก็บรักษาเป็นอย่างดี หนังสือเล่มนี้ให้คำอธิบายที่ชัดเจนเกี่ยวกับหลักการทั่วไปของสถิตยศาสตร์และอธิบายการใช้งานจำนวนมากให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น รุ่นที่สองเสริม ...

อุณหพลศาสตร์ ผลงานของ Mayer, Joule, Helmholtz ทำให้สามารถพัฒนาสิ่งที่เรียกว่า “กฎการอนุรักษ์กำลัง” (แนวคิดของ “กำลัง” และ “พลังงาน” ยังไม่แยกความแตกต่างอย่างชัดเจนในขณะนั้น) อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ R. Clausius และ W. Thomson (Lord Kelvin) ได้ตั้งกฎข้อแรกที่ชัดเจนขึ้นจากการวิเคราะห์การศึกษาเครื่องยนต์ความร้อนซึ่งดำเนินการโดย S. Carnot เมื่อพิจารณาถึงการเปลี่ยนแปลงของความร้อนและการทำงานของระบบมหภาค เอส. คาร์โนต์ได้วางรากฐานสำหรับวิทยาศาสตร์ใหม่ ซึ่งในเวลาต่อมาทอมสันเรียกว่าเทอร์โมไดนามิกส์ อุณหพลศาสตร์จำกัดเฉพาะการศึกษาคุณลักษณะของการเปลี่ยนแปลงรูปแบบความร้อนของการเคลื่อนที่ไปเป็นอย่างอื่น โดยไม่สนใจประเด็นการเคลื่อนที่ด้วยกล้องจุลทรรศน์ของอนุภาคที่ประกอบเป็นสสาร

อุณหพลศาสตร์จึงพิจารณาระบบที่สามารถแลกเปลี่ยนพลังงานได้ โดยไม่คำนึงถึงโครงสร้างจุลภาคของร่างกายที่ประกอบเป็นระบบและลักษณะของอนุภาคแต่ละตัว แยกแยะระหว่างอุณหพลศาสตร์ของระบบสมดุลหรือระบบที่เคลื่อนไปสู่สภาวะสมดุล (อุณหพลศาสตร์แบบคลาสสิกหรือสมดุล) และอุณหพลศาสตร์ของระบบที่ไม่สมดุล (เทอร์โมไดนามิกที่ไม่สมดุล) อุณหพลศาสตร์คลาสสิกมักเรียกง่ายๆ ว่าอุณหพลศาสตร์ และเป็นผู้ที่สร้างพื้นฐานของสิ่งที่เรียกว่าภาพอุณหพลศาสตร์ของโลก (TCM) ซึ่งก่อตัวขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 อุณหพลศาสตร์ที่ไม่สมดุลพัฒนาขึ้นในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 และมีบทบาทพิเศษเมื่อพิจารณาถึงระบบทางชีววิทยาและปรากฏการณ์ของชีวิตโดยทั่วไป

ดังนั้นในการศึกษาปรากฏการณ์ทางความร้อน จึงมีทิศทางทางวิทยาศาสตร์สองประการที่แยกแยะได้:

1. อุณหพลศาสตร์ซึ่งศึกษากระบวนการทางความร้อนโดยไม่คำนึงถึงโครงสร้างโมเลกุลของสสาร

2. ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุล (การพัฒนาทฤษฎีจลนศาสตร์ของสสารเมื่อเทียบกับทฤษฎีแคลอรี);

ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุล ตรงกันข้ามกับอุณหพลศาสตร์ ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลมีลักษณะเฉพาะโดยการพิจารณาอาการแสดงระดับมหภาคต่างๆ ของระบบ ซึ่งเป็นผลมาจากการกระทำทั้งหมดของโมเลกุลที่เคลื่อนที่อย่างโกลาหลชุดใหญ่ ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุลใช้วิธีการทางสถิติโดยไม่สนใจการเคลื่อนที่ของโมเลกุลแต่ละโมเลกุล แต่เฉพาะในค่าเฉลี่ยที่แสดงลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคจำนวนมาก ดังนั้นชื่อที่สองของทฤษฎีจลนศาสตร์ระดับโมเลกุล - ฟิสิกส์สถิติ

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ จากงานของ Joule และ Mayer Clausnus ได้แสดงความคิดที่เกิดขึ้นในเวลาต่อมาในกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ เขาสรุปว่าทุก ๆ ร่างกายมีพลังงานภายใน U. Clausius เรียกมันว่าความร้อนในร่างกายซึ่งต่างจาก "ความร้อน Q ที่ให้กับร่างกาย" พลังงานภายในสามารถเพิ่มได้เทียบเท่ากันสองวิธี: โดยการทำงานทางกล -A กับร่างกาย หรือโดยการให้ปริมาณความร้อน Q แก่มัน

ในปี 1860 W. Thomson ได้แทนที่คำว่า "แรง" ที่ล้าสมัยด้วยคำว่า "พลังงาน" โดยเขียนกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ในสูตรต่อไปนี้:

ปริมาณความร้อนที่จ่ายให้กับก๊าซนั้นถูกใช้เพื่อเพิ่มพลังงานภายในของก๊าซและเพื่อทำงานภายนอกด้วยก๊าซ (รูปที่ 1)

สำหรับการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ เรามี

กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์หรือกฎการอนุรักษ์พลังงานระบุความสมดุลของพลังงานและการทำงาน บทบาทของเขาเปรียบได้กับบทบาทของ "นักบัญชี" ในการแปลงระหว่างกัน ประเภทต่างๆพลังงานซึ่งกันและกัน

หากกระบวนการเป็นวัฏจักร ระบบจะกลับสู่สถานะเดิมและ U1 = U2 และ dU = 0 ในกรณีนี้ ความร้อนที่จ่ายไปทั้งหมดจะถูกนำมาใช้ในการทำงานภายนอก ถ้านอกจากนี้ Q = 0 แล้ว A = 0 เช่น กระบวนการเป็นไปไม่ได้ ผลลัพธ์เพียงอย่างเดียวคือการผลิตงานโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในส่วนอื่น ๆ เช่น ผลงานของ "เครื่องเคลื่อนที่ถาวร" (perpetuum mobile)

เมเยอร์ในงานของเขาได้รวบรวมตารางของ "แรง" ทั้งหมด (พลังงาน) ของธรรมชาติที่เขาพิจารณาและให้การเปลี่ยนแปลง 25 กรณี (ความร้อน ® งานเครื่องกล ® ไฟฟ้า "แรง" ทางเคมีของสาร ® ความร้อน ไฟฟ้า) เมเยอร์ขยายข้อกำหนดเกี่ยวกับการอนุรักษ์และการแปลงพลังงานเป็นสิ่งมีชีวิต (การดูดซึมอาหาร ® กระบวนการทางเคมี ® ผลกระทบทางความร้อนและทางกล) ตัวอย่างเหล่านี้ได้รับการสนับสนุนในภายหลังโดยงานของ Hess (1840) ซึ่งตรวจสอบการเปลี่ยนแปลง พลังงานเคมีเข้าสู่ความร้อน เช่นเดียวกับฟาราเดย์ เลนซ์ และจูล ซึ่งเป็นผลมาจากกฎจูล-เลนซ์ (1845) ที่ถูกกำหนดขึ้นเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานไฟฟ้าและพลังงานความร้อน Q = J2Rt

ดังนั้นเมื่อเวลาผ่านไปกว่าสี่ทศวรรษจึงค่อย ๆ ก่อตัวขึ้นหนึ่งในหลักการที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ซึ่งนำไปสู่การรวมตัวกันของปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่หลากหลายที่สุด หลักการนี้มีดังต่อไปนี้ มีปริมาณหนึ่งที่เรียกว่าพลังงาน ซึ่งจะไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างการเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ ไม่มีข้อยกเว้นสำหรับกฎการอนุรักษ์พลังงาน

คำถามควบคุม

1. เหตุใดการศึกษาปรากฏการณ์ทางความร้อนและการเปลี่ยนเฟสเผยให้เห็นความไม่สอดคล้องกันของการกำหนดระดับของ Laplace

2. ไมโครพารามิเตอร์, มาโครพารามิเตอร์ในการศึกษาปรากฏการณ์ทางความร้อนคืออะไร?

3.อะไรคือสาเหตุของการศึกษาปรากฏการณ์ทางความร้อนและมันเริ่มต้นเมื่อใด

4. ตั้งชื่อนักวิทยาศาสตร์ที่มีผลงานเป็นพื้นฐานของฟิสิกส์ของปรากฏการณ์ทางความร้อน

5. กองกำลังอนุรักษ์นิยมคืออะไร? กองกำลังกระจาย? ยกตัวอย่าง.

6. ระบบใดที่กฎการอนุรักษ์พลังงานกลใช้ได้?

7. พลังงานศักย์คืออะไร? แนวคิดของพลังงานศักย์ใช้ได้กับระบบเครื่องกลเท่านั้นหรือไม่? อธิบาย.

8. อธิบายสั้น ๆ เกี่ยวกับทฤษฎีแคลอรี่

9. Rumford มีการทดลองอะไรบ้างที่หักล้างทฤษฎีแคลอรี่?

10. ทำไมความจุความร้อนของก๊าซในกระบวนการที่ความดันคงที่ (Cp) และที่ปริมาตรคงที่ (Cv) แตกต่างกัน? นักวิทยาศาสตร์คนใดค้นพบความจริงข้อนี้เป็นครั้งแรก

11. เทอร์โมไดนามิกส์คืออะไร? เธอเรียนอะไร

12. ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุลศึกษาอะไร?

13. ฟิสิกส์สถิติคืออะไร? ชื่อนี้มาจากไหน?

14. กำหนดกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

15. สามารถเปรียบเทียบกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์กับอะไร (กับใคร) ในเชิงเปรียบเทียบ?

วรรณกรรม

1. Diaghilev เอฟเอ็ม แนวคิดของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติสมัยใหม่ - ม.: เอ็ด อิมพีอี, 1998.

2. แนวคิดของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติสมัยใหม่ / ศ. ศ. ส.อ. Samygin ฉบับที่ 2 - Rostov n / a: "ฟีนิกซ์", 1999

3. Dubnischeva T.Ya .. แนวคิดของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติสมัยใหม่ โนโวซีบีสค์: สำนักพิมพ์ YUKEA, 1997

4. Remizov A.N. ฟิสิกส์การแพทย์และชีวภาพ - ม.: ม.ปลาย, 2542.

ให้มีภาชนะที่เหมือนกันสองลำซึ่งเชื่อมต่อถึงกันในลักษณะที่ก๊าซจากภาชนะหนึ่งสามารถไหลไปยังอีกถังหนึ่งได้ และให้ในตอนแรกโมเลกุลของก๊าซทั้งหมดอยู่ในภาชนะเดียวกัน หลังจากผ่านไประยะหนึ่ง การกระจายตัวของโมเลกุลจะเกิดขึ้น นำไปสู่การเกิดขึ้นของสภาวะสมดุลที่มีลักษณะเฉพาะด้วยความน่าจะเป็นที่เท่ากันในการค้นหาโมเลกุลในเรือทั้งสองลำ การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติไปสู่สถานะไม่สมดุลเริ่มต้น ซึ่งโมเลกุลทั้งหมดมีความเข้มข้นในเส้นเลือดใดหลอดหนึ่ง แทบจะเป็นไปไม่ได้เลย การเปลี่ยนจากสภาวะสมดุลไปเป็นสภาวะไม่สมดุลนั้นไม่น่าเป็นไปได้มาก เนื่องจากขนาดของความผันผวนสัมพัทธ์ของพารามิเตอร์สำหรับอนุภาคจำนวนมากในเส้นเลือดมีขนาดเล็กมาก

ข้อสรุปนี้สอดคล้องกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ซึ่งระบุว่าระบบทางอุณหพลศาสตร์ผ่านจากสถานะที่ไม่สมดุลไปเป็นสภาวะสมดุลโดยธรรมชาติ ในขณะที่กระบวนการย้อนกลับเป็นไปได้ภายใต้อิทธิพลภายนอกที่มีต่อระบบเท่านั้น

เอนโทรปีและความน่าจะเป็น

ปริมาณทางอุณหพลศาสตร์ที่กำหนดทิศทางของการไหลของกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ที่เกิดขึ้นเองคือเอนโทรปี สภาวะสมดุลที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดสอดคล้องกับเอนโทรปีสูงสุด

ให้มีเรือที่มีปริมาตร วี 0 ซึ่งภายในนั้นมีหนึ่งโมเลกุล ความน่าจะเป็นที่จะพบอนุภาคภายในปริมาตรหนึ่ง วี< V 0 ที่จัดสรรไว้ภายในเรือจะเท่ากับ หากไม่มีอนุภาคหนึ่งตัว แต่มี 2 อนุภาคในภาชนะ ความน่าจะเป็นของการตรวจจับพร้อมกันในปริมาตรที่ระบุจะถูกกำหนดเป็นผลคูณของความน่าจะเป็นในการค้นหาอนุภาคแต่ละตัวในปริมาตรนี้:

.

สำหรับ นู๋ อนุภาค ความน่าจะเป็นของการตรวจจับพร้อมกันในปริมาตร วี จะ

.

ถ้าแยกสองเล่มในภาชนะนี้ วี 1 และ วี 2 จากนั้นเราสามารถเขียนอัตราส่วนของความน่าจะเป็นที่โมเลกุลทั้งหมดอยู่ในปริมาตรที่ระบุ:

.

ให้เรากำหนดการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีในกระบวนการไอโซเทอร์มอล

การขยายตัวของก๊าซอุดมคติจาก วี 1 ก่อน วี 2 :

โดยใช้อัตราส่วนความน่าจะเป็นเราได้รับ:

.

นิพจน์ที่เป็นผลลัพธ์ไม่ได้กำหนดค่าสัมบูรณ์ของเอนโทรปีในสถานะใด ๆ แต่เพียงทำให้สามารถค้นหาความแตกต่างของเอนโทรปีในสองสถานะที่แตกต่างกัน

เพื่อกำหนดเอนโทรปีอย่างชัดเจน ให้ใช้ น้ำหนักสถิติ จี , ค่าที่แสดงเป็นจำนวนเต็มบวกและสัดส่วนกับความน่าจะเป็น: จี ~ พี .

น้ำหนักทางสถิติของแมคโครสเตต คือปริมาณที่เป็นตัวเลขเท่ากับจำนวนไมโครสเตทที่สมดุล โดยสามารถรับรู้แมคโครสเตตที่พิจารณาได้

การเปลี่ยนไปใช้น้ำหนักทางสถิติทำให้สามารถเขียนอัตราส่วนของเอนโทรปีในรูปแบบ สูตร Boltzmann สำหรับเอนโทรปีเชิงสถิติ :

บรรยาย 15

ปรากฏการณ์การขนส่ง

กระแสอุณหพลศาสตร์

กระแสอุณหพลศาสตร์ ที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนสสาร พลังงาน หรือโมเมนตัมจากส่วนหนึ่งของตัวกลางไปยังอีกส่วนหนึ่ง เกิดขึ้นหากค่าของพารามิเตอร์ทางกายภาพบางอย่างแตกต่างกันในปริมาตรของตัวกลาง

โดยการแพร่กระจาย เรียกว่ากระบวนการปรับสมดุลของความเข้มข้นของสารในสารผสมที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ อัตราการแพร่กระจายขึ้นอยู่กับสถานะของการรวมตัวของสารอย่างมาก การแพร่กระจายเร็วขึ้นเกิดขึ้นในก๊าซและช้ามากในของแข็ง

การนำความร้อน เรียกว่า ปรากฏการณ์ที่นำไปสู่การปรับสมดุลของอุณหภูมิ ณ จุดต่างๆ ของสิ่งแวดล้อม การนำความร้อนสูงของโลหะเกิดจากการที่การถ่ายเทความร้อนไม่ได้เกิดจากการเคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกุลที่วุ่นวายเช่นในก๊าซหรือของเหลว แต่โดยอิเล็กตรอนอิสระซึ่งมีมาก ความเร็วสูงขึ้นของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน

ความหนืดหรือแรงเสียดทานภายใน เรียกว่ากระบวนการเกิดขึ้นของแรงต้านทานเมื่อร่างกายเคลื่อนที่ในของเหลวหรือก๊าซและการลดทอนของคลื่นเสียงเมื่อผ่านสื่อต่างๆ

สำหรับคำอธิบายเชิงปริมาณของการไหลทางอุณหพลศาสตร์ ค่าจะถูกนำเสนอ

, ที่ไหน

ฟิสิกส์โมเลกุล,

อุณหพลศาสตร์

ฟิสิกส์สถิติ

สามตำแหน่ง
1. สารประกอบด้วยอนุภาค
2.
3.

วิธีการทางสถิติ เฉลี่ย

วิธีอุณหพลศาสตร์

จุดเริ่มต้นของเทอร์โมไดนามิกส์

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

δ คิว = δ อา + ตู่ , ที่ไหน ตู่ คิวและ δ อา

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

1 - สมมุติฐานของเคลาซิอุส

2 - สมมุติฐานของเคลวิน

เอนโทรปีเพิ่มขึ้น (

หลักการศูนย์ของอุณหพลศาสตร์ (จุดเริ่มต้นทั่วไปของอุณหพลศาสตร์)

ถ้าระบบ อา บี คจากนั้นระบบ อาอยู่ในสมดุลกับ ค

องค์ประกอบของจลนพลศาสตร์ทางกายภาพ ปรากฏการณ์การขนส่งในระบบที่ไม่สมดุลทางอุณหพลศาสตร์ สมการทั่วไปของปรากฏการณ์การขนส่งในก๊าซและการพิสูจน์ตาม MKT การพึ่งพาค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความดันและอุณหภูมิ

จลนพลศาสตร์ทางกายภาพ(กรีกโบราณ κίνησις - การเคลื่อนไหว) - ทฤษฎีกระบวนการด้วยกล้องจุลทรรศน์ในสื่อที่ไม่สมดุล ในจลนศาสตร์โดยวิธีควอนตัมหรือฟิสิกส์สถิติคลาสสิก

พวกเขาศึกษากระบวนการถ่ายโอนพลังงาน โมเมนตัม ประจุ และสสารในระบบทางกายภาพต่างๆ (ก๊าซ พลาสมา ของเหลว ของแข็ง) และผลกระทบของสนามภายนอกที่มีต่อพวกมัน

ในระบบไม่สมดุลทางอุณหพลศาสตร์ พิเศษ กลับไม่ได้กระบวนการที่เรียกว่า ปรากฏการณ์การขนส่งอันเป็นผลมาจากการถ่ายโอนพลังงานมวลโมเมนตัมเชิงพื้นที่ ปรากฏการณ์การถ่ายโอน ได้แก่ การนำความร้อน(เนื่องจาก การถ่ายโอนพลังงาน)การแพร่กระจาย(เนื่องจาก การถ่ายโอนมวล) และ แรงเสียดทานภายใน(เนื่องจาก โมเมนตัมโอน)

1. การนำความร้อนหากในบริเวณหนึ่งของก๊าซพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลมีค่ามากกว่าในภูมิภาคอื่น เมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากการชนกันของโมเลกุลอย่างต่อเนื่อง กระบวนการทำให้เท่ากันของพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลเกิดขึ้น กล่าวคือ การทำให้เท่าเทียมกัน ของอุณหภูมิ

การถ่ายโอนพลังงานในรูปของความร้อนเป็นไปตาม กฎของฟูริเยร์:

ที่ไหน เจ อี -ความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อน- ค่าที่กำหนดโดยพลังงานที่ถ่ายเทในรูปของความร้อน แกน X, หลิว - การนำความร้อน, คือความลาดชันของอุณหภูมิเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิต่อหน่วยความยาว Xไปในทิศทางปกติของไซต์นี้ เครื่องหมายลบแสดงว่าด้วยการนำความร้อน พลังงานจะถูกถ่ายโอนไปในทิศทางของอุณหภูมิที่ลดลง (ดังนั้น สัญญาณ เจ อีและอยู่ตรงข้าม)

2. การแพร่กระจายปรากฏการณ์ของการแพร่กระจายประกอบด้วยการแทรกซึมที่เกิดขึ้นเองและการผสมอนุภาคของก๊าซสองชนิดที่สัมผัสกัน ของเหลว และแม้กระทั่งของแข็ง การแพร่กระจายจะลดลงตามการแลกเปลี่ยนมวลของอนุภาคของวัตถุเหล่านี้ เกิดขึ้นและดำเนินต่อไปตราบเท่าที่มีการไล่ระดับความหนาแน่น ระหว่างการก่อตัวของทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุล ความขัดแย้งเกิดขึ้นในเรื่องของการแพร่กระจาย เนื่องจากโมเลกุลเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมหาศาล การแพร่กระจายจึงต้องเร็วมาก หากคุณเปิดภาชนะที่มีกลิ่นในห้อง กลิ่นจะกระจายค่อนข้างช้า อย่างไรก็ตามไม่มีความขัดแย้งที่นี่ โมเลกุลที่ความดันบรรยากาศมีเส้นทางอิสระสั้น ๆ และชนกับโมเลกุลอื่นโดยพื้นฐานแล้วจะ "ยืน" เข้าที่

ปรากฏการณ์การแพร่กระจายของก๊าซที่เป็นเนื้อเดียวกันทางเคมีเป็นไปตาม กฎของฟูก:

ที่ไหน เจม -ความหนาแน่นของการไหลของมวลคือค่าที่กำหนดโดยมวลของสารที่กระจายตัว ต่อหน่วยเวลาผ่านหน่วยพื้นที่ตั้งฉากกับแกน เอ็กซ์, ดี -การแพร่กระจาย (ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่) d อาร์ / d x -การไล่ระดับความหนาแน่นเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นต่อหน่วยความยาว Xไปในทิศทางปกติของไซต์นี้ เครื่องหมายลบแสดงว่าการถ่ายเทมวลเกิดขึ้นในทิศทางของความหนาแน่นที่ลดลง (ดังนั้น เครื่องหมาย เจมและ d อาร์ / d xอยู่ตรงข้าม)

3. แรงเสียดทานภายใน (ความหนืด). กลไกการเกิดแรงเสียดทานภายในระหว่างชั้นของก๊าซ (ของเหลว) ขนานกันที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างกันคือเนื่องจากการเคลื่อนที่ของความร้อนที่วุ่นวายทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนโมเลกุลระหว่างชั้นต่างๆ ซึ่งเป็นผลมาจากโมเมนตัมของชั้นเคลื่อนที่ ลดลงเร็วขึ้นเคลื่อนที่ช้าลง - เพิ่มขึ้น ซึ่งนำไปสู่การชะลอตัวของชั้นที่เคลื่อนที่เร็วขึ้นและการเร่งความเร็วของชั้นที่เคลื่อนที่ช้าลง

แรงเสียดสีภายในระหว่างแก๊ส 2 ชั้น (ของเหลว) เป็นไปตาม กฎของนิวตัน:

ที่ไหน ชม -ความหนืดไดนามิก (ความหนืด), d วี / d x -การไล่ระดับความเร็วแสดงอัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็วในทิศทางหนึ่ง เอ็กซ์,ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของชั้น ส -พื้นที่ได้รับผลกระทบจากแรง เอฟ

ปฏิสัมพันธ์ของสองชั้นตามกฎข้อที่สองของนิวตันถือได้ว่าเป็นกระบวนการที่แรงกระตุ้นถูกส่งผ่านจากชั้นหนึ่งไปยังอีกชั้นหนึ่งต่อหน่วยเวลา โมดูโลของแรงกระทำ จากนั้นนิพจน์นี้สามารถแสดงเป็น

ที่ไหน เจ พี -ความหนาแน่นของฟลักซ์พัลส์- ค่าที่กำหนดโดยแรงกระตุ้นทั้งหมดที่ถ่ายโอนต่อหน่วยเวลาในทิศทางบวกของแกน Xผ่านหน่วยพื้นที่ตั้งฉากกับแกน เอ็กซ์, -การไล่ระดับความเร็ว เครื่องหมายลบแสดงว่าแรงกระตุ้นดำเนินไปในทิศทางของความเร็วที่ลดลง

ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น:

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน:

การพึ่งพาอุณหภูมิของค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดนั้นคล้ายคลึงกับการพึ่งพาค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อน:

กฎข้อที่หนึ่ง (กฎข้อที่หนึ่ง) ของอุณหพลศาสตร์ (กฎการอนุรักษ์พลังงานในกระบวนการทางความร้อน) การประยุกต์กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์กับไอโซโพรเซสในก๊าซ กระบวนการอะเดียแบติก สมการปัวซอง กระบวนการโพลีทรอปิก

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์- หนึ่งในสามกฎพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์คือกฎการอนุรักษ์พลังงานสำหรับระบบอุณหพลศาสตร์

.

การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบระหว่างการเปลี่ยนสถานะจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งเท่ากับผลรวมของแรงภายนอกและปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทไปยังระบบ กล่าวคือ ขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายเท่านั้น ของระบบและไม่ขึ้นกับวิธีการเปลี่ยนแปลงนี้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง พลังงานภายในเป็นหน้าที่ของรัฐ... ในกระบวนการวัฏจักร พลังงานภายในจะไม่เปลี่ยนแปลง

δ คิว = δ อา + ตู่, ที่ไหน ตู่คือผลต่างทั้งหมดของพลังงานภายในของระบบ และ δ คิวและ δ อามีปริมาณความร้อนเบื้องต้นที่ถ่ายเทไปยังระบบ และงานเบื้องต้นที่ระบบทำตามลำดับ

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์:

§ ด้วยกระบวนการไอโซบาริก

§ ในกระบวนการ isochoric ( อา = 0)

§ ในกระบวนการไอโซเทอร์มอล (Δ ยู = 0)

นี่คือมวลของก๊าซ คือมวลโมลาร์ของก๊าซ คือความจุความร้อนของโมลาร์ที่ปริมาตรคงที่ คือ ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิของก๊าซตามลำดับ และความเท่าเทียมกันสุดท้ายเป็นจริงสำหรับก๊าซในอุดมคติเท่านั้น .

สถานะของแข็งของสสาร ภาวะที่มีลักษณะเฉพาะด้วยความสามารถในการรักษาปริมาตรและรูปร่าง อะตอมของของแข็งทำการสั่นสะเทือนเพียงเล็กน้อยรอบสภาวะสมดุล มีทั้งคำสั่งระยะยาวและระยะสั้น

ง. เกิดขึ้นในก๊าซ ของเหลว และของแข็ง และทั้งอนุภาคของสารแปลกปลอมในพวกมันและอนุภาคของพวกมันเองสามารถแพร่กระจายได้ อนุภาคขนาดใหญ่ที่ลอยอยู่ในก๊าซหรือของเหลวเกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน โรคเบาหวานเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วที่สุดในก๊าซ ช้ากว่าในของเหลว และช้ากว่าในของแข็ง ซึ่งเกิดจากธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคในตัวกลางเหล่านี้

แข็ง. ภาวะที่มีลักษณะเฉพาะด้วยความสามารถในการรักษาปริมาตรและรูปร่าง อะตอมของของแข็งทำการสั่นสะเทือนเพียงเล็กน้อยรอบสภาวะสมดุล มีทั้งคำสั่งระยะยาวและระยะสั้น

ของเหลว. สถานะของสารที่มีการอัดตัวต่ำ กล่าวคือ สามารถคงปริมาตรได้ดี แต่ไม่สามารถคงรูปร่างไว้ได้ ของเหลวจะเปลี่ยนรูปร่างของภาชนะที่วางได้อย่างง่ายดาย อะตอมหรือโมเลกุลของของเหลวสั่นสะเทือนใกล้กับสภาวะสมดุล โดยถูกอะตอมอื่นดักไว้ และมักจะกระโดดไปยังที่อิสระอื่นๆ มีเพียงคำสั่งซื้อระยะสั้นเท่านั้น

แก๊ส. ภาวะที่มีการอัดตัวได้ดี ขาดความสามารถในการรักษาทั้งปริมาตรและรูปร่าง แก๊สพยายามที่จะครอบครองปริมาตรทั้งหมดที่มีให้ อะตอมหรือโมเลกุลของก๊าซมีพฤติกรรมค่อนข้างอิสระ ระยะห่างระหว่างพวกมันนั้นมากกว่าขนาดของมันมาก

พลาสม่า. พลาสมา ซึ่งมักเรียกกันว่าสถานะรวมของสสาร แตกต่างจากก๊าซในระดับที่สูงของการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอม สสารแบริออนส่วนใหญ่ (ประมาณ 99.9% โดยมวล) ในจักรวาลอยู่ในสถานะพลาสมา

ปรากฏการณ์แรงตึงผิว ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิว พื้นผิวที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำ สภาวะสมดุลของหยดของเหลวบนพื้นผิวของของแข็ง (หลักการของพลังงานน้อยที่สุด) สารลดแรงตึงผิว (สารลดแรงตึงผิว) และการใช้งาน

แรงตึงผิวเป็นลักษณะทางอุณหพลศาสตร์ของอินเทอร์เฟซของสองเฟสในสภาวะสมดุลซึ่งพิจารณาจากการทำงานของการก่อตัวของไอโซเทอร์โมจิเนติกแบบย้อนกลับได้ของพื้นที่หนึ่งหน่วยของอินเทอร์เฟซนี้ โดยมีเงื่อนไขว่าอุณหภูมิ ปริมาตรของระบบ และศักยภาพทางเคมีของส่วนประกอบทั้งหมด ในทั้งสองขั้นตอนยังคงที่

แรงตึงผิวมีความหมายทางกายภาพสองเท่า - พลัง (เทอร์โมไดนามิก) และแรง (เชิงกล) คำจำกัดความของพลังงาน (เทอร์โมไดนามิก) แรงตึงผิวเป็นงานเฉพาะของการเพิ่มพื้นผิวเมื่อยืดออกภายใต้สภาวะอุณหภูมิคงที่ แรง (เชิงกล) ความหมายคือ แรงตึงผิวคือแรงที่กระทำต่อหน่วยความยาวของเส้นที่กั้นพื้นผิวของของเหลว

ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวเป็นงานที่จำเป็นสำหรับการเพิ่มพื้นที่ผิวของอุณหภูมิความร้อนของของเหลวต่อตารางเมตร

ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิว:
- ลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น
- เท่ากับศูนย์ที่จุดวิกฤต
- ขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของสิ่งสกปรกในของเหลว

Hydrophobicity (จากภาษากรีกโบราณ ὕδωρ - น้ำ และ φόβος - ความกลัว ความกลัว) เป็นคุณสมบัติทางกายภาพของโมเลกุลที่ "แสวงหา" เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้สัมผัสกับน้ำ ในกรณีนี้โมเลกุลเรียกว่าไม่ชอบน้ำ

ความชอบน้ำ (จากภาษากรีกโบราณ ὕδωρ - น้ำ และ φιλία - ความรัก) เป็นลักษณะของความเข้มข้นของปฏิกิริยาระดับโมเลกุลของพื้นผิวของร่างกายกับน้ำ นอกจากคุณสมบัติที่ไม่ชอบน้ำแล้ว ยังหมายถึงวัตถุที่เป็นสมบัติของพื้นผิวเท่านั้น

ให้เราพิจารณาปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นกับของเหลวที่หยดลงบนพื้นผิวของของแข็ง ในกรณีนี้ มีสามส่วนต่อประสานระหว่างเฟส: แก๊ส-ของเหลว ของเหลว-ของแข็ง และแก๊ส-ของแข็ง พฤติกรรมของหยดของเหลวจะถูกกำหนดโดยค่าแรงตึงผิว (ค่าเฉพาะของพลังงานพื้นผิวอิสระ) ที่ส่วนต่อประสานที่ระบุ แรงตึงผิวที่ส่วนต่อประสานระหว่างก๊าซกับของเหลวมักจะทำให้หยดเป็นรูปทรงกลม สิ่งนี้จะเกิดขึ้นหากแรงตึงผิวที่ส่วนต่อประสานระหว่างของเหลวกับของแข็งมากกว่าแรงตึงผิวที่ส่วนต่อประสานระหว่างก๊าซกับของแข็ง ในกรณีนี้กระบวนการหดตัวของหยดของเหลวลงในทรงกลมทำให้พื้นที่ผิวของส่วนต่อประสานระหว่างของเหลวและของแข็งลดลงพร้อมกับพื้นที่ผิวของส่วนต่อประสานระหว่างแก๊สและของเหลวเพิ่มขึ้นพร้อมกัน แล้วมี ไม่เปียกพื้นผิวของของแข็งกับของเหลว รูปร่างของหยดจะถูกกำหนดโดยแรงผลลัพธ์ของแรงตึงผิวและแรงโน้มถ่วง หากหยดมีขนาดใหญ่ก็จะกระจายไปทั่วพื้นผิวและหากมีขนาดเล็กก็จะมีแนวโน้มที่จะเป็นทรงกลม

สารลดแรงตึงผิว ( สารลดแรงตึงผิว) - สารประกอบเคมีที่เน้นที่ส่วนต่อประสานทำให้แรงตึงผิวลดลง

พื้นที่ใช้งาน

ผงซักฟอก การใช้งานหลักของสารลดแรงตึงผิวเป็นส่วนประกอบสำคัญของผงซักฟอกและสารทำความสะอาด (รวมถึงที่ใช้สำหรับการขจัดสิ่งปนเปื้อน) สบู่ สำหรับการดูแลสถานที่ จาน เสื้อผ้า สิ่งของ รถยนต์ ฯลฯ

เครื่องสำอาง. การใช้สารลดแรงตึงผิวหลักในเครื่องสำอางคือแชมพู ซึ่งสารลดแรงตึงผิวสามารถเข้าถึงได้ถึงสิบเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรทั้งหมด

อุตสาหกรรมสิ่งทอ. สารลดแรงตึงผิวส่วนใหญ่จะใช้เพื่อขจัดไฟฟ้าสถิตบนเส้นใยสังเคราะห์

อุตสาหกรรมเครื่องหนัง ปกป้องผลิตภัณฑ์เครื่องหนังจากความเสียหายเล็กน้อยและการเกาะติด

อุตสาหกรรมสีและเคลือบเงา สารลดแรงตึงผิวใช้เพื่อลดแรงตึงผิว ซึ่งช่วยให้วัสดุของสีสามารถแทรกซึมเข้าไปในรอยกดเล็กๆ บนพื้นผิวเพื่อบำบัดและเติมสารเหล่านี้ในขณะที่แทนที่สารอื่น (เช่น น้ำ) จากที่นั่น

อุตสาหกรรมกระดาษ สารลดแรงตึงผิวใช้ในการแยกหมึกและเยื่อกระดาษที่ปรุงแล้วเมื่อรีไซเคิลกระดาษที่ใช้แล้ว

โลหะวิทยา อิมัลชันลดแรงตึงผิวใช้เพื่อหล่อลื่นโรงรีด ลดแรงเสียดทาน ทนทาน อุณหภูมิสูงซึ่งทำให้น้ำมันไหม้

การป้องกันพืช สารลดแรงตึงผิวใช้กันอย่างแพร่หลายในพืชไร่และ เกษตรกรรมสำหรับการก่อตัวของอิมัลชัน ใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการขนส่งสารอาหารไปยังพืชผ่านผนังเมมเบรน

อุตสาหกรรมอาหาร. สารลดแรงตึงผิวในรูปของอิมัลซิไฟเออร์ (เช่น เลซิติน) ถูกเติมเพื่อปรับปรุงความน่ารับประทาน

การผลิตน้ำมัน. สารลดแรงตึงผิวถูกใช้เพื่อทำให้ไม่เกิดน้ำบริเวณชั้นหินก้นหลุม (BHZ) เพื่อเพิ่มการนำน้ำมันกลับมาใช้ใหม่

อาคาร. สารลดแรงตึงผิวที่เรียกว่าสารลดแรงตึงผิวจะถูกเติมลงในส่วนผสมของซีเมนต์และทราย เพื่อลดความต้องการน้ำในขณะที่ยังคงความคล่องตัว ซึ่งจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงขั้นสุดท้าย (เกรด) ของวัสดุชุบแข็ง ความหนาแน่น การต้านทานการแข็งตัวของน้ำแข็ง และการต้านทานน้ำ

ยา. สารลดแรงตึงผิวประจุบวกและประจุลบใช้ในการผ่าตัดเป็นยาฆ่าเชื้อ

ปรากฏการณ์เส้นเลือดฝอย ปรากฏการณ์ทางกายภาพที่เกิดจากการกระทำของแรงตึงผิวที่ส่วนต่อประสานของตัวกลางที่เข้ากันไม่ได้ ถึง เค.ไอ. มักอ้างถึงปรากฏการณ์ในตัวกลางที่เป็นของเหลวซึ่งเกิดจากความโค้งของพื้นผิวที่ติดกับของเหลว ก๊าซ หรือไออื่น ๆ ของมันเอง

การทำให้เปียก คือ ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อของเหลวสัมผัสกับพื้นผิวของของแข็งหรือของเหลวอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันแสดงให้เห็นในการแพร่กระจายของของเหลวบนพื้นผิวของแข็งที่สัมผัสกับก๊าซ (ไอ) หรือของเหลวอื่น ๆ การชุบตัววัตถุที่มีรูพรุนและผง และความโค้งของพื้นผิวของเหลวที่พื้นผิวของของแข็ง .

สูตรของลาปลาซ

พิจารณาฟิล์มเหลวบางเล็กน้อย ในความพยายามที่จะลดพลังงานอิสระ ฟิล์มจะสร้างความแตกต่างของแรงกดจากด้านต่างๆ สิ่งนี้อธิบายการมีอยู่ของฟองสบู่: ฟิล์มถูกบีบอัดจนกว่าความดันภายในฟองจะเกินบรรยากาศหนึ่งปริมาณ แรงกดเพิ่มเติมของฟิล์ม... แรงกดเพิ่มเติมที่จุดบนพื้นผิวขึ้นอยู่กับความโค้งเฉลี่ย ณ จุดนี้และจะได้รับ โดยสูตรลาปลาซ:

ที่นี่ R 1,2 - รัศมีของส่วนโค้งหลักที่จุดนั้น พวกมันมีเครื่องหมายเหมือนกันถ้าจุดศูนย์กลางความโค้งที่สอดคล้องกันอยู่ที่ด้านหนึ่งของระนาบสัมผัสที่จุดหนึ่ง และ สัญญาณที่แตกต่างกัน- ถ้าอยู่คนละด้าน ตัวอย่างเช่น สำหรับทรงกลม จุดศูนย์กลางของความโค้ง ณ จุดใดๆ บนพื้นผิวตรงกับจุดศูนย์กลางของทรงกลม ดังนั้น

R 1 = R 2 = R

สำหรับกรณีของพื้นผิวทรงกระบอกทรงกลมรัศมี Rเรามี

สังเกตว่า Δ พีต้องเป็นฟังก์ชันที่ต่อเนื่องบนพื้นผิวของฟิล์ม ดังนั้นการเลือกด้าน "บวก" ของฟิล์ม ณ จุดหนึ่งจะกำหนดด้านบวกของพื้นผิวไว้ที่จุดใกล้พอเพียง

จากสูตร Laplace ที่ฟิล์มสบู่ฟรียืดอยู่บนกรอบรูปทรงตามอำเภอใจและไม่เกิดฟองสบู่จะมีความโค้งเฉลี่ยเท่ากับ 0

วิชาฟิสิกส์โมเลกุลและอุณหพลศาสตร์ ฟิสิกส์สถิติและอุณหพลศาสตร์ บทบัญญัติพื้นฐานของ MKTgas วิธีการทางอุณหพลศาสตร์และสถิติ สามจุดเริ่มต้นของอุณหพลศาสตร์

ฟิสิกส์โมเลกุล,สาขาฟิสิกส์ที่ คุณสมบัติทางกายภาพวัตถุในสภาวะต่างๆ ของการรวมตัวโดยพิจารณาจากโครงสร้างจุลภาค (โมเลกุล) ของพวกมัน

อุณหพลศาสตร์วิทยาศาสตร์เกี่ยวกับคุณสมบัติทั่วไปของระบบมหภาคในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ และของกระบวนการเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะเหล่านี้

ฟิสิกส์สถิติสาขาฟิสิกส์ที่มีหน้าที่แสดงคุณสมบัติของวัตถุมหภาค กล่าวคือ ระบบที่ประกอบด้วยอนุภาคที่เหมือนกันจำนวนมาก (โมเลกุล อะตอม อิเล็กตรอน ฯลฯ) ผ่านคุณสมบัติของอนุภาคเหล่านี้และปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน

ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุลเรียกว่าหลักคำสอนที่อธิบายโครงสร้างและคุณสมบัติของร่างกายโดยการเคลื่อนไหวและปฏิสัมพันธ์ของอะตอม โมเลกุล และไอออนที่ประกอบเป็นร่างกาย
โครงสร้าง MCT ของสสารขึ้นอยู่กับ สามตำแหน่งซึ่งแต่ละข้อได้รับการพิสูจน์ผ่านการสังเกตและการทดลอง (การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน การแพร่ ฯลฯ):
1. สารประกอบด้วยอนุภาค
2. อนุภาคเคลื่อนที่อย่างไม่เป็นระเบียบ
3. อนุภาคมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน
เป้าหมายของทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุลคือการอธิบายคุณสมบัติของวัตถุขนาดมหภาคและกระบวนการทางความร้อนที่เกิดขึ้น โดยอาศัยแนวคิดที่ว่าวัตถุทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาคที่เคลื่อนที่แบบสุ่มแยกจากกัน

กระบวนการที่ศึกษา ฟิสิกส์โมเลกุลเป็นผลจากการทำงานร่วมกันของโมเลกุลจำนวนมาก ศึกษากฎพฤติกรรมของโมเลกุลจำนวนมากซึ่งเป็นกฎทางสถิติโดยใช้ วิธีการทางสถิติ... วิธีนี้ขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่าในที่สุดคุณสมบัติของระบบมหภาคถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของอนุภาคของระบบ คุณลักษณะของการเคลื่อนที่และ เฉลี่ยค่าของลักษณะไดนามิกของอนุภาคเหล่านี้ (ความเร็ว พลังงาน ฯลฯ) ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิของร่างกายถูกกำหนดโดยความเร็วของการเคลื่อนที่ที่วุ่นวายของโมเลกุลของมัน แต่เนื่องจากในช่วงเวลาใดก็ตามที่โมเลกุลต่าง ๆ มีความเร็วต่างกัน มันสามารถแสดงผ่านค่าเฉลี่ยของความเร็วของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลเท่านั้น .

อุณหพลศาสตร์ไม่พิจารณาไมโครโปรเซสที่รองรับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ โดยสิ่งนี้ วิธีอุณหพลศาสตร์แตกต่างจากสถิติ อุณหพลศาสตร์ตั้งอยู่บนหลักการสองประการของกฎพื้นฐานซึ่งกำหนดขึ้นจากการสรุปข้อมูลการทดลอง

จุดเริ่มต้นของเทอร์โมไดนามิกส์- ชุดของสมมุติฐานทางอุณหพลศาสตร์พื้นฐาน บทบัญญัติเหล่านี้ได้รับการจัดตั้งขึ้นจากการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และได้รับการพิสูจน์แล้วจากการทดลอง พวกเขาได้รับการยอมรับว่าเป็นสมมุติฐานเพื่อให้สามารถสร้างอุณหพลศาสตร์ตามความเป็นจริงได้

ความต้องการหลักการของอุณหพลศาสตร์สัมพันธ์กับข้อเท็จจริงที่ว่าอุณหพลศาสตร์อธิบายพารามิเตอร์ระดับมหภาคของระบบโดยไม่มีสมมติฐานเฉพาะเกี่ยวกับโครงสร้างจุลภาค โครงสร้างภายในถูกจัดการโดยฟิสิกส์สถิติ

หลักการของเทอร์โมไดนามิกส์เป็นอิสระ กล่าวคือไม่มีหลักการใดที่สามารถอนุมานได้จากหลักการอื่น

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

ปริมาณความร้อนที่ระบบได้รับใช้ในการเปลี่ยนพลังงานภายในและทำงานกับแรงภายนอก

การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในของระบบระหว่างการเปลี่ยนสถานะจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งจะเท่ากับผลรวมของการทำงานของแรงภายนอกและปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทไปยังระบบ และไม่ขึ้นกับวิธีการเปลี่ยนผ่านนี้

δ คิว = δ อา + ตู่ , ที่ไหน ตู่คือผลต่างทั้งหมดของพลังงานภายในของระบบ และ δ คิวและ δ อามีปริมาณความร้อนเบื้องต้นที่ถ่ายเทไปยังระบบ และงานเบื้องต้นที่ระบบทำตามลำดับ

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ไม่รวมความเป็นไปได้ในการสร้างเครื่องเคลื่อนที่ถาวรประเภทที่สอง

1 - สมมุติฐานของเคลาซิอุสกระบวนการนี้เป็นไปไม่ได้ ผลลัพธ์เพียงอย่างเดียวคือการถ่ายเทความร้อนจากตัวที่เย็นกว่าไปยังตัวที่ร้อนกว่า

2 - สมมุติฐานของเคลวินกระบวนการแบบวงกลมเป็นไปไม่ได้ ผลลัพธ์เพียงอย่างเดียวคือการผลิตงานโดยการระบายความร้อนของแหล่งกักเก็บความร้อน

กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์สามารถกำหนดได้ดังนี้:

เอนโทรปีเพิ่มขึ้น ( เกี่ยวกับการวัดความผิดปกติในระบบ)ที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์มีแนวโน้มที่จะมีขีดจำกัด ซึ่งไม่ได้ขึ้นอยู่กับสภาวะสมดุลของระบบ

หลักการศูนย์ของอุณหพลศาสตร์ (จุดเริ่มต้นทั่วไปของอุณหพลศาสตร์)

หลักการทางกายภาพที่ระบุว่า ความสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ในท้ายที่สุดจะถูกสร้างขึ้นโดยไม่คำนึงถึงสถานะเริ่มต้นของระบบที่แยกเดี่ยว และทุกส่วนของระบบจะมีอุณหภูมิเท่ากันเมื่อไปถึงสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ ดังนั้น จุดกำเนิดศูนย์จึงแนะนำและกำหนดแนวคิดเรื่องอุณหภูมิอย่างแท้จริง แหล่งกำเนิดศูนย์สามารถให้รูปแบบที่เข้มงวดกว่าเล็กน้อย:

ถ้าระบบ อาอยู่ในภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์กับระบบ บีและในทางกลับกันด้วยระบบ คจากนั้นระบบ อาอยู่ในสมดุลกับ ค... ยิ่งกว่านั้นอุณหภูมิของพวกเขาจะเท่ากัน