ответ на вопросы. вопросы. Телом отсчета
 Скачать 1.98 Mb.
|
V = const является функцией состояния системы: , (9)где R = 8,31 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная, i – число степеней свободы. Молярная теплоёмкость при p = const является функцией состояния системы:  . (10)Очевидно, что Cp =CV+ R. (11) Это формула Майера. Из нее видно, что теплоемкость газа при постоянном давлении всегда больше, чем его теплоемкость при постоянном объеме, так как при этом совершается дополнительная работа расширения газа Cp - CV= R. 78. Адиабатным называется термодинамический процесс, протекающий без теплообмена системы с окружающей средой Qсист = const. Так как количество теплоты системы в адиабатном процессе не изменяется, то она не получает и не отдает тепло окружающей среде Q = 0. В адиабатном процессе изменяются макропараметры состояния идеального газа, т.е. p,V,T ≠ const. Уравнения, описывающие адиабатный процесс, называются уравнениями Пуасcона и имеют вид:  ,  ,  ,(23)где - показатель адиабаты. 79. - показатель адиабаты, равный отношению  , (24)и зависящий только от числа степеней свободы молекул. 80. Работа, совершаемая газом при изобарном расширении, равна  Работа в изотермическом процессе совершается за счет расширения газа. Так как A = pdV, то полная работа в процессе 12:  . Так как объем, ограничивающий процесс, неизменен, то газ работу в изохорном процессе не совершает A = 0. Первый закон термодинамики для адиабатного процесса имеет вид  . 81. Круговым процессом или термодинамическим циклом называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние. На диаграмме процессов цикл изображается замкнутой кривой. В тепловом двигателе осуществляется прямой цикл по часовой стрелке. Обратный против часовой стрелки. 82. КПД теплового двигателя (цикла) равен  . (14)Отсюда ясно, что КПД любого теплового двигателя всегда меньше 100 %, так как часть тепловой энергии расходуется для возвращения двигателя в исходное состояние, чтобы он работал циклами. 83. Обратимым называется такой процесс, для которого возможен обратный переход из конечного состояния в начальное через те же промежуточные значения, что и в прямом процессе. Отметим, что, при возвращении системы в исходное состояние ни в ней самой, ни в окружающей среде не происходит никаких изменений. Состояние системы отображается точкой в системе координат p, T, V, описывающих макросостояние равновесной системы. Графическое изображение процесса показано на рис. 1: путем 12 в прямом направлении и 21 в обратном. Необратимым называется процесс, когда обратный переход через те же промежуточные состояния невозможен. Необратимость процессов связана с действием неконсервативных сил. Очевидно, что неравновесный процесс в принципе не может быть обратимым. С другой стороны равновесный процесс всегда обратимый.  Рис. 1. График процесса Рис. 2. Круговой процесс Тепловые процессы по своей сути являются необратимыми, что связано со статистическим характером движения молекул в макросистемах. Поэтому любая система многих частиц самопроизвольно стремится к равновесному состоянию с минимумом внутренней энергии, т.е. к тепловому равновесию. 84. Принципиальная физическая схема теплового двигателя приведена на рис. 1. В тепловом двигателе осуществляется прямой цикл по часовой стрелке.  Рис. 1. Нагреватель - (термостат с более высокой температурой Т1) - сообщает рабочему телу некоторое количество тепла Q1, и является источником внешней энергии, за счет которой совершается положительная работа А1 > 0 в процессе 1→2. Рабочее тело - термодинамическая система (пар или газ), совершающая многократно круговой процесс, и преобразующая часть тепловой энергии нагревателя в механическую работу А. Холодильник - (термостат с более низкой температурой Т2) - часть теплового двигателя, куда сбрасывается остаток тепловой энергии Q2, не преобразованной в механическую. 85. Если обратить цикл, изображенный на рис. 1, то получится цикл холодильной машины (осуществляется против часовой стрелки). Такая машина за счет совершения над ней внешней работы отбирает за цикл от тела с температурой Т2 количество тепла Q2 и отдает более нагретому телу (рис. 2).  86. Второй закон термодинамики определяет направление протекания термодинамических процессов. Используя понятие энтропии, второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: возможны лишь такие самопроизвольные термодинамические процессы, в которых энтропия изолированной системы не изменяется (обратимые процессы) или возрастает (необратимые процессы), то есть S 0. (11) Существенным является то обстоятельство, что речь идет о замкнутых системах, так как в незамкнутых системах энтропия может вести себя любым образом (убывать, возрастать, оставаться постоянной). Кроме того, необходимо подчеркнуть, что энтропия остается постоянной только при обратимых процессах. При необратимых процессах в замкнутой системе энтропия всегда возрастает. Существуют и другие формулировки второго закона термодинамики: - невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение всей теплоты, полученной от нагревателя в эквивалентную ей работу (формулировка Кельвина 1824-1907 гг.); -все естественные процессы в природе являются переходом из менее вероятного состояния в более вероятное (формулировка Больцмана 1844-1906 гг.). 87. Обобщенным циклом, описывающим работу любой идеальной тепловой машины, является цикл Карно. Он описывает работу тепловой машины вне зависимости от ее конструкции и используемого рабочего тела (паровая машина, дизель, двигатель внутреннего сгорания, ракетный двигатель). То есть такой цикл учитывает только физические принципы работы тепловой машины. Цикл Карно (рис. 3) состоит из двух изотерм и двух адиабат. Процесс 12 - изотермическое расширение рабочего тела за счет теплоты Q1, полученной от нагревателя. Рабочее тело продолжает двигать исполнительный механизм (например, поршень), охлаждаясь до температуры холодильника Т2. Это адиабатное расширение 23. На участке 34 протекает изотермическое сжатие рабочего тела за счет сброса тепла Q2 в холодильник. 41 - рабочее тело отключается от холодильника, продолжая адиабатно сжиматься до исходного состояния.  Рис. 3. Цикл Карно в координатах p,V КПД идеальной тепловой машины  . (15)Полученный результат имеет фундаментальное значение: к.п.д. идеальной машины, работающей по обратимому циклу Карно, определяется лишь температурами нагревателя и холодильника. КПД любой тепловой машины тем выше, чем больше температура Т1 нагревателя и меньше температура холодильника Т2. 88. Энтропией S называется функция состояния, дифференциал которой равен приведенному количеству тепла  , сообщаемого системе на бесконечно малом участке обратимого термодинамического процесса: . 89. Понятие энтропии введено в термодинамику в 1865 г. немецким физиком Д. Клаузиусом. В системе СИ энтропия измеряется в Джоулях на Кельвин: [S]СИ = 1 Дж/К. S 0 - невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему (формулировка Клаузиуса 1822-1888 гг.); Для обратимых круговых процессов изменение энтропии S = 0. (9) В термодинамике доказывается, что энтропия системы, совершающей необратимый круговой процесс, возрастает: S > 0. 90. энтропия системы, совершающей необратимый круговой процесс, возрастает: S > 0. 91. энтропия системы и термодинамическая вероятность связаны между собой следующим образом: S = klnW, (8)  где - постоянная Больцмана. Таким образом, энтропия определяется логарифмом числа микросостояний, с помощью которых может быть реализовано данное макросостояние. Формула Больцмана (8) позволяет дать энтропии следующее статистическое толкование: энтропия является мерой упорядоченности системы. 92. третьим законом термодинамики, или теоремой Нернста-Планка: энтропия всех тeл в состоянии равновесия стремится к нулю пo мере приближения температуры к нулю Keльвинa  . 93. При рассмотрении реальных газов – газов, свойства которых зависят от взаимодействия молекул, надо учитывать силы межмолекулярного взаимодействия. Они проявляются на расстояниях <10–9 м и быстро убывают при увеличении расстояния между молекулами. Такие силы называются короткодействующими. В XX в., по мере развития представлений о строении атома и квантовой механики, было выяснено, что между молекулами вещества одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания. На рис. 1, а приведена качественная зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния r между молекулами, где Fо и Fп – соответственно силы отталкивания и притяжения, a F – их результирующая.  Рис. 1 Зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния между молекулами Силы отталкивания считаются положительными, а силы взаимного притяжения – отрицательными. На расстоянии r=r0 результирующая сила F = 0, т.е. силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга. Таким образом, расстояние r0 соответствует равновесному расстоянию между молекулами, на котором бы они находились в отсутствие теплового движения. При r < r0 преобладают силы отталкивания (F>0), при r > r0 – силы притяжения (F<0). На расстояниях r > 10–9 м межмолекулярные силы взаимодействия практически отсутствуют (F0). 94. Пoтeнциaльнaя энepгия взаимодействия Wп paвнa paбoтe, кoтopyю нaдo зaтpaтить пpoтив cил пpитяжeния мeждy мoлeкyлaми, то eсть пpoтив внyтpeннeгo дaвлeния нa гaз  , чтoбы мoлeкyлы paзвecти нa бecкoнeчнo бoльшoe paccтoяниe дpyг oт дpyгa, кoгдa взaимoдeйcтвиe oтcyтcтвyeт и Wп = 0. Этa paбoтa внeшниx cил идeт нa yвeличeниe потенциальной энергии Wпсистемы: ,интегрируя, получим  . |