Молекулярная физика Скачать
презентацию
<<  Законы молекулярной физики Молекулярная физика и термодинамика  >>
Молекулярная физика
Молекулярная физика
Литература
Литература
Термодинамика
Термодинамика
Совокупность тел, составляющих макроскопическую систему
Совокупность тел, составляющих макроскопическую систему
Нормальные условия
Нормальные условия
Давление
Давление
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории
Температура
Температура
Изохра
Изохра
Изобара
Изобара
Изотерма
Изотерма
Закон Дальтона
Закон Дальтона
Объединённый газовый закон (Закон Клапейрона)
Объединённый газовый закон (Закон Клапейрона)
Уравнение состояния идеального газа
Уравнение состояния идеального газа
Первое начало термодинамики
Первое начало термодинамики
Внутренняя энергия
Внутренняя энергия
Теплоёмкость идеального газа
Теплоёмкость идеального газа
Подводимое тепло идёт на нагревание газа
Подводимое тепло идёт на нагревание газа
Уравнение Майера
Уравнение Майера
Совершение работы газом
Совершение работы газом
Теплоёмкости одноатомных газов
Теплоёмкости одноатомных газов
Внутренняя энергия
Внутренняя энергия
Уравнение адиабаты для идеального газа
Уравнение адиабаты для идеального газа
Первое начало термодинамики
Первое начало термодинамики
Уравнение адиабаты для идеального газа
Уравнение адиабаты для идеального газа
Идеальный газ охлаждается
Идеальный газ охлаждается
Политропические процессы
Политропические процессы
Работа идеального газа
Работа идеального газа
Работа А не определяется знанием начального и конечного состояния
Работа А не определяется знанием начального и конечного состояния
Формула справедлива для любого политропического процесса
Формула справедлива для любого политропического процесса
Для адиабатического процесса
Для адиабатического процесса
Статистическая физика
Статистическая физика
Сведения из теории вероятности
Сведения из теории вероятности
Непрерывная случайная величина
Непрерывная случайная величина
Характер теплового движения
Характер теплового движения
Энергия поступательного движения
Энергия поступательного движения
Материальная точка задаётся 3-мя координатами
Материальная точка задаётся 3-мя координатами
Для идеального газа
Для идеального газа
Распределение Максвелла
Распределение Максвелла
Средняя скорость молекул
Средняя скорость молекул
Распределение Максвелла как функцию
Распределение Максвелла как функцию
Распределение Максвелла – это распределение молекул
Распределение Максвелла – это распределение молекул
Барометрическая формула
Барометрическая формула
Плотность газа на высоте
Плотность газа на высоте
Распределение Больцмана
Распределение Больцмана
Распределение Максвелла и Больцмана
Распределение Максвелла и Больцмана
Распределение Бозе – Эйнштейна, Ферми – Дирака
Распределение Бозе – Эйнштейна, Ферми – Дирака
Круговые процессы
Круговые процессы
За цикл совершается положительная работа
За цикл совершается положительная работа
Система возвращается в исходное состояние
Система возвращается в исходное состояние
Максимальным КПД обладают машины
Максимальным КПД обладают машины
Тепловые машины
Тепловые машины
Обратный цикл используется в холодильных машинах
Обратный цикл используется в холодильных машинах
Цикл Карно
Цикл Карно
Работа и КПД цикла Карно
Работа и КПД цикла Карно
Изотермическое сжатие
Изотермическое сжатие
Работа равна площади ограниченной кривой
Работа равна площади ограниченной кривой
Необратимость цикла
Необратимость цикла
Холодильная машина
Холодильная машина
Энтропия
Энтропия
Отношение полученной или отданной теплоты
Отношение полученной или отданной теплоты
Формула определяет энтропию
Формула определяет энтропию
Изменения энтропии в процессах идеального газа
Изменения энтропии в процессах идеального газа
Изменение энтропии
Изменение энтропии
Изменения энтропии при обратимых и необратимых процессах
Изменения энтропии при обратимых и необратимых процессах
Энтропия возрастает
Энтропия возрастает
Невозможно создание вечного двигателя
Невозможно создание вечного двигателя
Начало термодинамики
Начало термодинамики
Изменение энтропии больше приведенной теплоты
Изменение энтропии больше приведенной теплоты
Разность двух функций состояния
Разность двух функций состояния
Внутренняя энергия системы
Внутренняя энергия системы
При необратимом процессе энтропия увеличивается
При необратимом процессе энтропия увеличивается
Статистический смысл энтропии
Статистический смысл энтропии
Аддитивная величина
Аддитивная величина
Возрастание
Возрастание
Равенство нулю рассматривается как наиболее вероятное
Равенство нулю рассматривается как наиболее вероятное
Любые изменения термодинамической системы
Любые изменения термодинамической системы
Термодинамические потенциалы
Термодинамические потенциалы
Слайды из презентации «Теория по молекулярной физике» к уроку физики на тему «Молекулярная физика»

Автор: Konstantin. Чтобы увеличить слайд, нажмите на его эскиз. Чтобы использовать презентацию на уроке, скачайте файл «Теория по молекулярной физике.ppt» бесплатно в zip-архиве размером 1000 КБ.

Скачать презентацию

Теория по молекулярной физике

содержание презентации «Теория по молекулярной физике.ppt»
СлайдТекст
1 Молекулярная физика

Молекулярная физика

Лектор Кунашенко Юрий Петрович ----------------------- д.ф.м.н. профессор

http://portal.main.tpu.ru:7777/SHARED/k/KUNASHENKO

2 Литература

Литература

Молекулярная физика.

Литература

Основная

1. Савельев «Курс Общей Физики», Москва, Апрель, 2002 г. т.3 2. А.А. Деталаф, В.М. В.М. Яворский «Курс Общей Физики» М., Высшая школа, 2000. 3. В.С. Волькинштейн . «Сборник задач по общему курсу физики», - С.-Петербург, 2001.

Дополнительная

1. Берклеевский Курс физики. – М., Наука, 1986. 2., Фейнмановские лекции по физике, М.: Мир, 1967.

3 Термодинамика

Термодинамика

Молекулярная физика – раздел физики, изучающий свойства тел в зависимости от характера движения и взаимодействия частиц, образующих тело.

Термодинамика анализирует условия и количественные соотношения превращения энергии.

Её первоначальная задача – изучение закономерностей превращения тепла в работу (в тепловых машинах). Основным содержанием современной физической термодинамики является изучение закономерностей тепловой формы движущейся материи и связанных с ней физических явлений.

4 Совокупность тел, составляющих макроскопическую систему

Совокупность тел, составляющих макроскопическую систему

Термодинамика.

Совокупность тел, составляющих макроскопическую систему, называется термодинамической системой.

Система может находиться в различных состояниях. Величины, характеризующие состояние системы называются параметрами состояния: давление, температура, объём и так далее.

Любой параметр, имеющий определённое значение для каждого равновесного состояния, является функцией состояния

Равновесной называется такая система, параметры состояния которой одинаковы во всех точках системы и не изменяются со временем (при неизменных внешних условиях).

Процесс – переход из одного равновесного состояния в другое.

Релаксация – возвращение системы в равновесное состояние

5 Нормальные условия

Нормальные условия

Термодинамика.

µ = АmедNА.

Нормальные условия: p0 = 105 Па; Т0 =273 К; k – постоянная Больцмана равная 1,38·10? 23Дж/К.

Атомная единица массы (а.е.м.) – mед – единица массы, равная 1/12 массы изотопа углерода С12.

Mед = 1,66·10?27 кг

Количество вещества, в котором содержится число молекул, равное числу атомов в 12 г С12 (изотопа углерода) называется молем (в 12 кг – киломолем).

Число молекул в одном моле называется числом Авагадро

Молярная масса – масса одного моля (µ)

При одинаковых температурах и давлениях все газы содержат в единице объёма одинаковое число молекул. Число молекул, содержащихся в 1 м3 при нормальных условиях, называется числом Лошмидта: NL = р0/kT0 = 2,68·1025 м? 3.

NА = 6,02·1023 моль?1 = 6,02·1026 кмоль? 1

6 Давление

Давление

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории.

N – концентрация молекул в сосуде; m0 – масса одной молекулы

Общий импульс, который получит стенка S:

В единицу времени (1/6) n? молекул

При абсолютно-упругом ударе m0?x – (?m0?x) = 2m0?x

За время dt о стенку, площадью S успеет удариться n = S?xdt число молекул

p = dF/dS.

7 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории

Давление. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории.

Иногда за основное уравнение принимают p = nkT. Единицы измерения давления: 1 Па = 1 Н/м2; 1 ат. = 9,8 Н/см2 = 98066 Па ? 105 Па 1 мм.рт.ст. = 1 тор = 1/760 ат. = 133,3 Па 1 бар = 105 Па; 1 ат. = 0,98 бар.

где ?Ek? – средняя энергия одной молекулы. Это и есть основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов.

Более точно случайную величину характеризует среднеквадратичная величина.

8 Температура

Температура

Чтобы связать единицу энергии с градусом, Больцман ввел коэффициент пропорциональности k который впоследствии был назван его именем: k – постоянная Больцмана равная 1,38·10?23 Дж·К?1

Р = nkt

Чем выше температура тела тем больше кинетическая энергия его молекул!

На одну молекулу идеального газа

R – универсальная газовая постоянная

Для молярной массы и газа

9 Изохра

Изохра

Изопроцессы идеальных газов.

Изохорический процесс. Закон Шарля. V = const.

Изопроцессы идеального газа – процессы, при которых один из параметров остаётся неизменным.

Изохорическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном объёме.

10 Изобара

Изобара

Изобарический процесс. Закон Гей – Люсака. р – const.

Изобарическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном давлении.

11 Изотерма

Изотерма

Изотермический процесс. Закон Бойля – Мариотта. T = const.

Р1v1 = р2v2.

Изотермическим процессом называется процесс, протекающий при постоянной температуре

12 Закон Дальтона

Закон Дальтона

Термодинамика.

Закон Дальтона. Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений р, входящих в неё газов р = р1 + р2 + ... + рn (р1 – давление, которое оказывал бы определённый газ из смеси, если бы он занимал весь объём)

Адиабатический процесс – термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой.

Закон Авогадро. При одинаковых давлениях и одинаковых температурах, в равных объёмах различных идеальных газов содержится одинаковое число молекул. В одном моле различных веществ содержится NA = 6,02?1023 молекул (число Авогадро).

13 Объединённый газовый закон (Закон Клапейрона)

Объединённый газовый закон (Закон Клапейрона)

Из законов Бойля – Мариотта и Гей – Люссака можно сделать заключение, что для данной массы газа

14 Уравнение состояния идеального газа

Уравнение состояния идеального газа

- уравнение Менделеева - Клапейрона.

M – масса газа; ? – молярная масса газа; R – универсальная газовая постоянная; V – объём газа;

Идеальный газ - газ, молекулы которого пренебрежимо малы, по сравнению расстояния между ними, и не взаимодействуют друг с другом на расстоянии.

– это уравнение Менделеева – Клапейрона для смеси газов

МЕНДЕЛЕЕВ объединил известные законы Бойля-Мариотта, Гей – Люсака и Шарля с законом Авогадро.

15 Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики

Обмен механической энергией характеризуется совершенной работой (А), а обмен внутренней энергии – количеством переданного тепла (Q).

Внутренняя энергия. Работа и теплота.

Под внутренней энергией в термодинамике подразумевают энергию теплового хаотического движения молекул

Тогда: внутренняя энергия U одного моля идеального газа равна

16 Внутренняя энергия

Внутренняя энергия

Работа и теплота.

U = q – а

Или

dQ = dU + dA.

Q = u + а

Если ?U = 0, то согласно первому началу термодинамики А = Q т.е. нельзя построить периодически действующий двигатель, который совершал бы большую работу, чем количество сообщенной ему энергии. Иными словами вечный двигатель первого рода невозможен. Это одна из формулировок первого начала термодинамики.

Изменение внутренней энергии тела равно разности сообщаемой телу теплоты и произведённой телом работы

Количество теплоты, сообщаемой телу идёт на увеличение внутренней энергии и на совершение телом работы

Это есть первое начало термодинамики или закон сохранения энергии в термодинамики.

17 Теплоёмкость идеального газа

Теплоёмкость идеального газа

Уравнение Майера.

Удельная теплоёмкость (Суд) – есть количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества на один градус [Cуд] = Дж/К.

С? = Суд ?

? = А mед NА

где А – атомная масса; mед ? атомная единица массы; NА ? число Авогадро; ? (моль) – количество вещества

молярной теплоемкостью С? ? количество теплоты необходимое для нагревания 1 кмоля газа на 1 градус

Теплоёмкость тела характеризуется количеством теплоты, необходимой для нагревания этого тела на один градус

Молярная масса – масса одного моля:

18 Подводимое тепло идёт на нагревание газа

Подводимое тепло идёт на нагревание газа

Теплоёмкость идеального газа. Уравнение Майера.

Если газ нагревать при постоянном объёме СV, то всё подводимое тепло идёт на нагревание газа, то есть изменение его внутренней энергии.

Если нагревать газ при постоянном давлении (Ср) в сосуде с поршнем, то поршень поднимется на некоторую высоту h, то есть газ совершит работу. Следовательно проводимое тепло затрачивается и на нагревание и на совершение работы. Ср > CV.

Теплоёмкость термодинамической системы зависит от того, как изменяется состояние системы при нагревании.

19 Уравнение Майера

Уравнение Майера

Теплоёмкость идеального газа. Уравнение Майера.

D'q = du (d'а = 0)

U = CV?T.

Пусть мы нагреваем один моль идеального газа при постоянном объёме, то первое начало термодинамики:

Внутренняя энергия идеального газа является только функцией Т (и не зависит от V, Р и тому подобным), поэтому формула справедлива для любого процесса.

Для произвольной идеальной массы газа:

20 Совершение работы газом

Совершение работы газом

Теплоёмкость идеального газа. Уравнение Майера.

D?qp = du? + рdv?

Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории рv? = RT, так как при изобарическом процессе р = const

Ср = сv + r.

При изобарическом процессе кроме увеличения внутренней энергии происходит совершение работы газом:

Это уравнение Майера для одного моля газа.

21 Теплоёмкости одноатомных газов

Теплоёмкости одноатомных газов

Так как энергия одной молекулы идеального газа

, То внутренняя энергия одного моля идеального газа равна

Внутренняя энергия произвольного количества газа:

Её изменение:

Теплоёмкости одноатомных газов СV и СР:

22 Внутренняя энергия

Внутренняя энергия

Теплоёмкости одноатомных газов.

Для изобарических процессов можно записать:

Dqp = du? + rdt (для одного моля).

Или

Внутренняя энергия

Учитывая:

23 Уравнение адиабаты для идеального газа

Уравнение адиабаты для идеального газа

P = const – изобарический процесс; V = const - изохорический процесс; T = const – изотермический процесс. При изотермическом процессе pV=const (ур. изотермы). Процесс, протекающий без обмена энергий с внешней средой – адиабатический.

24 Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики

Уравнение адиабаты для идеального газа.

В отсутствие теплообмена с внешней средой d’Q=0.

Запишем первое начало термодинамики в виде:

Взяв дифференциал от

25 Уравнение адиабаты для идеального газа

Уравнение адиабаты для идеального газа

26 Идеальный газ охлаждается

Идеальный газ охлаждается

Уравнение адиабаты для идеального газа.

В переменных TV имеем

Из уравнения следует, что при адиабатическом расширении идеальный газ охлаждается, а при сжатии нагревается.

27 Политропические процессы

Политропические процессы

Процесс

n

C

Изобарический

0

Cp

Изотермический

1

Адиабатический

?

0

Изохорический

Сv

28 Работа идеального газа

Работа идеального газа

Если давление не меняется то

В общем случае

.

29 Работа А не определяется знанием начального и конечного состояния

Работа А не определяется знанием начального и конечного состояния

Работа идеального газа.

Работа А не определяется знанием начального и конечного состояния системы. Её значение зависит от способа («пути») перехода из начального в конечное состояние.

Рассмотрим работу, совершаемую 1 молем идеального газа при изотермическом (T=const) процессе.

Учитывая PV = RT = const, имеем

30 Формула справедлива для любого политропического процесса

Формула справедлива для любого политропического процесса

Работа идеального газа.

Эта формула справедлива для любого политропического процесса, кроме процесса изотермического (n=1).

Уравнение политропы идеального газа

, И работа

Откуда

При

Используя

31 Для адиабатического процесса

Для адиабатического процесса

Работа идеального газа.

Для адиабатического процесса

32 Статистическая физика

Статистическая физика

Сведения из теории вероятности.

Случайная величина

Может иметь значения:

В результате измерений получили:

- Относительная частота.

33 Сведения из теории вероятности

Сведения из теории вероятности

- Теорема об умножении вероятностей: вероятность одновременного появления статически независимых событий равна произведению вероятностей этих событий

Теорема о сложении вероятностей:

Пусть система характеризуется x и y вероятность которых, равна:

Среднее значение

34 Непрерывная случайная величина

Непрерывная случайная величина

Сведения из теории вероятности.

Непрерывная случайная величина характеризуется функцией распределения вероятности

35 Характер теплового движения

Характер теплового движения

M - масса молекулы

‹V›- средняя скорость молекул

В равновесии в газе молекулы движутся хаотически. Изменение скоростей при столкновениях происходит случайным образом. Скорость молекул газа не может быть больше некоторой

Давление газа на стенку

- Число молекул в единице объёма,

‹Ek› - средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул

Средняя энергия молекул

36 Энергия поступательного движения

Энергия поступательного движения

Характер теплового движения.

Здесь учтена только энергия поступательного движения. Наряду с поступательным движением возможны также вращение молекулы и колебание атомов, входящих в состав молекулы.

Числом степеней свободы механической системы называется число независимых величин, с помощью которых может быть задано положение системы.

Так как

37 Материальная точка задаётся 3-мя координатами

Материальная точка задаётся 3-мя координатами

Характер теплового движения.

Материальная точка задаётся 3-мя координатами; Твердое тело - 3-мя координатами и 2-мя углами и т.д.

Закон равнораспределения – на каждую степень свободы молекулы приходится в среднем одинаковая кинетическая энергия, равная

38 Для идеального газа

Для идеального газа

Характер теплового движения.

Для идеального газа

39 Распределение Максвелла

Распределение Максвелла

Распределение Максвелла описывает распределение молекул по скоростям:

40 Средняя скорость молекул

Средняя скорость молекул

Распределение Максвелла.

Средняя скорость молекул будет равна:

Средний квадрат скорости

Средняя квадратичная скорость

Скорость, отвечающая максимуму

, Называется наиболее вероятной.

41 Распределение Максвелла как функцию

Распределение Максвелла как функцию

Распределение Максвелла.

Для некоторых приложений удобно записать распределение Максвелла как функцию

Это уравнение универсальное. В таком виде функция распределения не зависит ни от рода газа, ни от температуры.

42 Распределение Максвелла – это распределение молекул

Распределение Максвелла – это распределение молекул

Распределение Максвелла.

Таким образом распределение Максвелла – это распределение молекул по кинетической энергии.

Используя очевидное соотношение

43 Барометрическая формула

Барометрическая формула

Атмосферное давление на высоте h обусловлено весом выше лежащих слоёв газа. Пусть p – давление на высоте h, p + dp – на высоте h + dh . Причём dh > 0, dр < 0 так как на большой высоте давление меньше. Разность давления p – (p + dp) равна весу газа, заключённого в объёме цилиндра с площадью основания равного единице и высотой dh, p = ?gh, ? медленно убывает с высотой.

44 Плотность газа на высоте

Плотность газа на высоте

Барометрическая формула.

p – (p + dp) = ?gdh,

? ? плотность газа на высоте h, тогда

Это барометрическая формула.

45 Распределение Больцмана

Распределение Больцмана

.

Плотность частиц равна

В гравитационном поле Земли

N0 – плотность молекул на уровне моря, p0 – давление уровне моря, h - высота.

В центрифуге

N0 и p0 плотность частиц и давление в центре центрифуги, r – расстояние от центра

46 Распределение Максвелла и Больцмана

Распределение Максвелла и Больцмана

Распределение больцмана .

A – нормировочная константа, U – потенциальная mv2/2 – кинетическая, E = U + mv2/2 – полная энергия.

N0 –полное число молекул

Таким образом, молекулы располагаются с большей плотностью там, где меньше их потенциальная энергия

Распределение Максвелла и Больцмана можно объединить в один закон Максвелла – Больцмана

47 Распределение Бозе – Эйнштейна, Ферми – Дирака

Распределение Бозе – Эйнштейна, Ферми – Дирака

Если у нас имеется термодинамическая система состояния из N частиц, энергии которых могут принимать дискретные значения (W1, W2 ... Wn), то говорят о системе квантовых чисел.

Распределение Бозе – Эйнштейна:

Квантовые частицы с целым спином (собственный момент движения) - бозоны (например фотоны)

Распределение Ферми – Дирака:

Квантовые частицы с полуцелым спином - фермионы, например: электроны, протоны, нейтроны

48 Круговые процессы

Круговые процессы

Тепловые машины.

Работа расширения (определяется площадью фигуры 1a2V2V11) положительна (dV > 0)

Работа сжатия (определяется площадью фигуры 2b1V1V22) отрицательна (dV < 0)

Цикл, совершаемый идеальным газом, можно разбить на процессы расширения (1 – 2) и сжатия (2 – 1) газа.

Круговым процессом, или циклом, называется такой процесс, в результате которого термодинамическое тело возвращается в исходное состояние.

Следовательно, работа, совершаемая за цикл, определяется площадью, охватываемой кривой.

49 За цикл совершается положительная работа

За цикл совершается положительная работа

Круговые процессы. Тепловые машины.

Если за цикл совершается положительная работа

То он называется прямым

Он называется обратным

Если за цикл совершается отрицательная работа

50 Система возвращается в исходное состояние

Система возвращается в исходное состояние

Круговые процессы. Тепловые машины.

Q = ?U + A = A

Q = Q1 – Q2

В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние, полное изменение внутренней энергии газа равно нулю. Первое начало термодинамики для кругового процесса

Работа, совершаемая за цикл, равна количеству полученной извне теплоты

Система может теплоту как получать, так и отдавать

Коэффициент полезного действия

51 Максимальным КПД обладают машины

Максимальным КПД обладают машины

Круговые процессы. Тепловые машины.

Максимальным КПД обладают машины у которых только обратимые процессы.

Процесс называют обратимым, если он протекает таким образом, что после окончания процесса он может быть проведен в обратном направлении через все те же промежуточные состояния, что в прямом процесс.

Никаких изменений в среде, окружающей систему, не произойдет

Процесс называется необратимым, если он протекает так, что после его окончания систему нельзя вернуть в начальное состояние через прежние промежуточные состояния

Нельзя осуществить необратимый круговой процесс, чтобы нигде в окружающей среде не осталось никаких изменений.

52 Тепловые машины

Тепловые машины

A = Q1 – Q2

Тепловой машиной называется периодический действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла

Прямой цикл используется в тепловом двигателе. От термостата с более высокой температурой Т1 (нагреватель), за цикл отнимается количество теплоты Q1, а термостату с более низкой температурой Т2, (холодильник), за цикл передается количество теплоты Q2 и совершается работа A:

53 Обратный цикл используется в холодильных машинах

Обратный цикл используется в холодильных машинах

Тепловые машины.

Обратный цикл используется в холодильных машинах – периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой. Системой за цикл поглощается при низкой температуре Т2 количество теплоты Q2 и отдается при боле высокой температуре Т1 количество теплоты Q1.

54 Цикл Карно

Цикл Карно

Тепловые машины.

Цикл Карно

из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей и холодильников, наибольшим КПД обладают обратимые машины. КПД обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей и холодильников, равны друг другу и не зависят от конструкции машины.

Цикл Карно- самым экономичным, состоит из двух изотерм и двух адиабат

55 Работа и КПД цикла Карно

Работа и КПД цикла Карно

Тепловые машины.

Работа и КПД цикла Карно

Процесс А-В. Положительная работа, совершенная газом при изотермическом расширении одного моля газа от V0 до V1. Тепло, полученное от нагревателя Q1, изотермически расширяется совершая при этом работу А1:

Процесс В-С – адиабатическое расширение. Работа расширения А2 совершается за счет изменения внутренней энергии. Уравнение адиабаты:

Полученная работа на этой стадии

56 Изотермическое сжатие

Изотермическое сжатие

Тепловые машины.

Работа и КПД цикла Карно

Процесс С-D – изотермическое сжатие. На третьем этапе газ изотермический сжимается V2 до V3. Теплота Q2, отданная газом холодильнику при изотермическом сжатии, равна работе сжатия А3 – это работа совершаемая над газом:

Q2 – тепло, отданное холодильнику

Работа сжатия на последнем этапе:

57 Работа равна площади ограниченной кривой

Работа равна площади ограниченной кривой

Тепловые машины.

А = q1 ? q2.

Значит работа совершаемая газом больше работы внешних сил: Работа равна площади ограниченной кривой АВСDА. Из равенств следует:

Работа и КПД цикла Карно

Полезная работа

КПД ? равен:

58 Необратимость цикла

Необратимость цикла

Тепловые машины.

?обр > ?необр

Предположим, что необратимость цикла обусловлена тем, что теплообмен между рабочим телом и источником теплоты (холодильник - “источник”, отрицательной температуры) происходит при конечных разностях температур, т.е. нагреватель, отдавая тепло, охлаждается на ?T, а холодильник нагревается на ?Т.

Необратимый цикл. Холодильная машина.

Для необратимого цикла

59 Холодильная машина

Холодильная машина

Тепловые машины.

А = (q1 + q2) < 0.

Холодильная машина.

Обратный цикл Карно. При изотермическом сжатии В – А от газа отводится количество теплоты Q1 при Т1. В процессе D – С – изотермического расширения к газу подводится количество теплоты Q2. В этом цикле Q1 < 0, Q2 > 0 и работа совершаемая над газом – отрицательна

Для холодильных машин Карно

60 Энтропия

Энтропия

Второе начало термодинамики.

Отношение теплоты Q1, в изометрическом процессе, к температуре, при которой происходила передача теплоты, называется приведенной теплотой Q*.

Из цикла Карно видно, что равны между собой отношения теплот к температурам, при которых они были получены или отданы:

В изотермическом процессе

в обратном цикле Карно имеем:

Этот результат справедлив для любого обратимого процесса.

61 Отношение полученной или отданной теплоты

Отношение полученной или отданной теплоты

Энтропия. Второе начало термодинамики.

, Называется – энтропией.

Энтропия обозначается S – это отношение полученной или отданной теплоты к температуре при которой произошла эта отдача.

Из равенства нулю интеграла взятого по замкнутому контуру, следует, что

Полный дифференциал некоторой функции, которая определяется только состоянием системы и зависит от пути, каким система пришла в это состояние.

Функция состояния, дифференциал которой

Для обратимых процессов изменение энтропии

равенство Клаузиуса

62 Формула определяет энтропию

Формула определяет энтропию

Энтропия. Второе начало термодинамики.

Последняя формула определяет энтропию лишь с точностью до аддитивной постоянной, т.е. начало энтропии произвольно.

Если система совершает равновесный переход из состояния 1 в состояние 2, то изменение энтропии:

63 Изменения энтропии в процессах идеального газа

Изменения энтропии в процессах идеального газа

Энтропия. Второе начало термодинамики.

Найдем изменения энтропии в процессах идеального газа используя

64 Изменение энтропии

Изменение энтропии

Энтропия. Второе начало термодинамики.

Изменение энтропии ?S1?2 идеального газа при переходе его из состояния 1 в состояние 2 зависит от вида перехода 1 ? 2.

Т1 = т2

То

S = const, адиабатный процесс по другому называют – изоэнтропийным процессом

Изохорического процесса:

Изобарического процесса:

p1 = p2

Изотермического процесса:

Адиабатного процесса:

65 Изменения энтропии при обратимых и необратимых процессах

Изменения энтропии при обратимых и необратимых процессах

.

Энтропия (S) – величина аддитивная, т.е.

Она равна сумме всех тел входящих в систему.

Обратимый цикл Карно.

Так как газ возвращается в исходное состояние

Так как

66 Энтропия возрастает

Энтропия возрастает

Изменения энтропии при обратимых и необратимых процессах .

При любом необратимом процессе в замкнутой системе энтропия возрастает dS > 0. Таким образом для произвольного процесса

Где «=» – для обратимого; «>» ? для необратимого, и для замкнутой системы

Необратимый цикл.

?обр > ?необр, т.Е.

67 Невозможно создание вечного двигателя

Невозможно создание вечного двигателя

Изменения энтропии при обратимых и необратимых процессах . ЭНТРОПИЯ. Второе начало термодинамики.

Чтобы кпд теплового двигателя был ? = 1, должно быть выполнено условие Q2 = 0

Невозможно создание вечного двигателя Второго рода подтверждается вторым началом термодинамики:

Второе начало термодинамики.

Работа теплового двигателя.

A = Q1 – Q2.

вечный двигатель Второго рода

М. Карно доказал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами.

68 Начало термодинамики

Начало термодинамики

Изменения энтропии при обратимых и необратимых процессах .

dS ? 0

Второе начало термодинамики.

Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение всей теплоты, полученной от нагревателя в эквивалентной ей работе (формулировка Кельвина). Невозможен двигатель Второго рода (Томсон-Планк). Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему (Клаузиус).

69 Изменение энтропии больше приведенной теплоты

Изменение энтропии больше приведенной теплоты

Изменения энтропии при обратимых и необратимых процессах .

? Изменение энтропии больше приведенной теплоты, тогда dq < tds можно объединить, тогда

dS > dQ

Второе начало термодинамики.

При обратном процессе

Клаузиус доказал, что при необратимом процессе

Тогда первое и второе начала термодинамики в объединенной форме будут иметь вид:

70 Разность двух функций состояния

Разность двух функций состояния

Изменения энтропии при обратимых и необратимых процессах .

F – разность двух функций состояния, а поэтому и сама является функцией состояния. Ее назвали свободной энергией.

dT = 0,

Свободная и связанная энергии

В обратимом процессе:

Если тело совершает обратный изометрический процесс, то

71 Внутренняя энергия системы

Внутренняя энергия системы

равна сумме свободной (F) и связанной энергии (TS).

Изменения энтропии при обратимых и необратимых процессах .

U = F + TS

Аизот = F1 – F2 - свободная энергия есть работа, которая могло бы совершить тело в обратном изотермическом процессе или,

Свободная энергия – есть максимальная возможная работа, которую может совершить система, запасом внутренней энергии:

Связанная энергия – часть внутренней энергии, которая не может быть превращена в работу

Свободная и связанная энергии

72 При необратимом процессе энтропия увеличивается

При необратимом процессе энтропия увеличивается

Изменения энтропии при обратимых и необратимых процессах .

При необратимом процессе энтропия увеличивается, до того пока не прекратятся какие-либо процессы (F = 0). Это произойдет, при достижении замкнутой системы равновесного состояния. Вывести систему из этого равновесного состояния можно затратив энергию из вне.

Свободная и связанная энергии

При одной и той же температуре, связанная энергия тем больше, чем больше энтропия.

В термодинамике есть еще понятие

– Энергетическая потеря в изолированной системе

Tmin ? температура окружающей среды.

73 Статистический смысл энтропии

Статистический смысл энтропии

Термодинамической вероятностью или статистическим весом макросостояния W ? называется число микросостояний, которым она может быть осуществлена

Термодинамическая вероятность W ? максимальна, когда система находится в равновесном состоянии.

В состоянии равновесия энтропия максимальна

Макросостояние – это состояние вещества характеризующее его термодинамические параметры.

Состояние же системы, характеризуемое состоянием каждой входящей в систему молекулы называют – микросостояниями.

74 Аддитивная величина

Аддитивная величина

Статистический смысл энтропии.

S – аддитивная величина.

Где S ? энтропия системы;

? Сумма энтропий тел, входящих в систему.

Вероятность сложного события

Где W1 – первое состояние; W2 – второе состояние.

Поэтому аддитивной величиной является логарифм W:

Поэтому Больцман предложил

75 Возрастание

Возрастание

Статистический смысл энтропии.

Связь между S и W позволяет несколько иначе сформулировать второе начало термодинамики:

Наиболее вероятным изменением энтропии является ее возрастание.

Энтропия – вероятностная статистическая величина.

Энтропия системы – максимальна, при достижении системы (замкнутой) равновесного состояния.

76 Равенство нулю рассматривается как наиболее вероятное

Равенство нулю рассматривается как наиболее вероятное

Третье начало термодинамики .

Энтропия любой равновесной системы при абсолютном нуле температуры равна нулю.

Сходится на нижнем пределе S(0) = const или S(0) = 0,

теорема Нернста

Равенство нулю рассматривается как наиболее вероятное

Отсюда следует, что при T ? 0

77 Любые изменения термодинамической системы

Любые изменения термодинамической системы

Третье начало термодинамики .

При абсолютном нуле температуры любые изменения термодинамической системы происходят без изменения энтропии

Третье начало термодинамики иногда формулируют следующим способом:

ST = 0 =0.

ST = 0 = 0,

Следствием Третьего начала является, то что невозможно охладить тело до абсолютного нуля (принцип недостижимости абсолютного нуля температуры).

Принцип Нернста бал развит Планком, предложившим при абсолютном нуле температуры энергия системы минимальна

78 Термодинамические потенциалы

Термодинамические потенциалы

Термодинамические потенциалы – функции состояния.

Внутренняя энергия

Свободная энергия:

,

Энтальпия:

Термодинамический потенциал Гиббса:

«Теория по молекулярной физике»
http://900igr.net/prezentatsii/fizika/Teorija-po-molekuljarnoj-fizike/Teorija-po-molekuljarnoj-fizike.html
cсылка на страницу
Урок

Физика

133 темы
Слайды
Презентация: Теория по молекулярной физике.ppt | Тема: Молекулярная физика | Урок: Физика | Вид: Слайды
900igr.net > Презентации по физике > Молекулярная физика > Теория по молекулярной физике.ppt