ОБЪЕМ (V) определяется геометрическими размерами пространства, которое занимает рассматриваемое вещество (система).

ТЕМПЕРАТУРА системы (вещества), находящейся в равновесном состоянии, служит мерой интенсивности теплового движения атомов, молекул и других частиц, образующих систему. В системе частиц, находящейся в равновесном состоянии, средняя кинетическая энергия теплового движения частиц, прямо пропорциональна термодинамической температуре системы. Поэтому иногда говорят, что ТЕМПЕРАТУРА характеризует степень нагретости тела.

Температура во всех частях термодинамической системы, находящейся в равновесном состоянии, одинакова. Единицей измерения температуры (T) в Международной системе единиц является Кельвин [ K ]. Шкала температур, в которой единицей измерения служит К, называется абсолютной шкалой температур. Эта температурная шкала связана со шкалой Цельсия следующим соотношением:

T = t (°C) + 273, 15 K

Определение: ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗможно рассматривать как совокупность беспорядочно движущихся молекул-шариков, имеющих пренебрежимо малый собственный объем и не взаимодействующих друг с другом на расстоянии.

Газ, находящийся в сосуде, оказывает на его стенки давление. Давление газа есть результат соударений большого числа молекул газа о стенки сосуда. Давление является макроскопическим проявлением теплового движения молекул. При столкновении молекул газа со стенками сосуда молекулы передают стенкам свой импульс. Изменение импульсов молекул приводит к появлению давления газа. В виду хаотичности теплового движения молекул давление газа на все стенки сосуда одинаково и представляет собой среднюю силу, действующую со стороны молекул (по направлению нормали) на единицу площади поверхности стенки.

ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ газов связывает давление и объем газов с энергией движения частиц (молекул)

, (2.2)

где p – давление газа, V – его объем, – суммарная кинетическая энергия поступательного движения N молекул газа, находящихся в сосуде, m _i – масса i -ой молекулы, u _i – ее скорость.

СРЕДНЯЯ КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ поступательного движения одной молекулы идеального газа равна

, (2.3)

где k – величина, называемая постоянной Больцмана, k»1, 38× 10^-23 .

СРЕДНЯЯ ЭНЕРГИЯ прямо пропорциональна термодинамической температуре. Отсюда следует, что < W_K> =0 при T = 0 К. Прекращается поступательное движение молекул газа. (Но остаются колебательные движения около положения равновесия.)

Таким образом, термодинамическая температура является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа.

Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы

1. Из уравнения (2.2) с учетом, что W_k=< w_k> N, и – концентрация молекул газа в объеме V. можно получить связь между микро и макро параметрами (уравнение Клаузиуса):

(2.4)

2. Основное уравнение МКТ газов можно переписать с учетом (2.3) в виде

, (2.5)

3. У равнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона)

, (2.7)

где m – масса газа, m –молярная масса газа (масса одного моля), n = – количество вещества (моль), измеряемое в молях [ моль ], R – универсальная газовая постоянная , которая связана с постоянной Больцмана и числом Авогадро соотношением , а . Для одного моля газа:

Из уравнения Менделеева-Клапейрона вытекают три, так называемых, газовых закона: закон Бойля-Мариотта, закон Гей-Люссака, закон Шарля

Все эти процессы называются изопроцессами, т.е. такими термодинамическими процессами, которые происходят в системе с неизменной массой при каком-либо одном постоянном параметре состояния.

4. Согласно закону Бойля-Мариотта при постоянной массе газа и неизменной температуре произведение давления р на объем V газа постоянно

(при Т=Const, m=Const)

pV=Const (2.8)

Уравнение (2.8) называется уравнением изотерм. Термодинамический процесс, протекающий при постоянной температуре, называется изотермическим процессом (рис.2.2). Таким образом, закон Бойля-Мариотта описывает изменение состояния газа в изотермическом процессе.

5. Закон Гей-Люссака гласит: при постоянном давлении газа и неизменной массе отношение объема газа V к его температуре Т остается величиной постоянной

(2.9).

Уравнение (2.9) называется уравнением изобары. Процесс, протекающий при постоянном давлении (р=Const), называется изобарическим или изобарным (рис.2.3)

6. Закон Шарля: При постоянных объемах и массе газа отношение давления газа к его температуре постоянно.

(при р=Const, m=Const)

(2.10)

Уравнение (2.10) называется уравнением изохоры. Процесс, протекающий при V=Const, называется изохорическим или изохорным (рис. 2.4).

§2. Распределение энергии молекул по степеням свободы

Движение молекулы, как и любой механической системы, характеризуют числом степеней свободы. Числом степеней свободы тела (в том числе и молекулы) называется наименьшее число координат (число независимых координат), которые нужно задать для того, чтобы полностью определить положение тела в пространстве.

Например,

· материальная точка, движущаяся вдоль одной из осей координат (вдоль прямой), имеет одну степень свободы.

· Та же точка, движущаяся на плоскости, обладает двумя степенями свободы.

· Положение материальной точки, свободно движущейся в пространстве, определяется тремя степенями свободы поступательного движения – координатами x, y и z.

Абсолютно твердое (недеформируемое) тело имеет шесть степеней свободы: его положение в пространстве определяется тремя координатами центра масс тела С (x, y, z), тремя углами (q, j, y), характеризующими поворот тела вокруг трех взаимно перпендикулярных осей (рис.2.5.). Изменение трех координат центра масс при заданных углах соответствуют поступательному движению абсолютно твердого тела. Изменения углов q, j и y при неизменном положении центра масс приводят к вращению абсолютно твердого тела. Поэтому соответствующие степени свободы называются вращательными.

В ряде случаев молекула одноатомного газа может рассматриваться как материальная точка.

Молекула одноатомного газа имеет три степени свободы поступательного движения.

Двухатомная молекула имеет пять степеней свободы (3 поступательные и 2 вращательные).

Молекулы, состоящие из трех и более атомов, имеют шесть степеней свободы: три поступательных и три вращательных.

Все виды движения молекулы связаны с некоторым запасом энергии. на каждую степень свободы молекулы в среднем приходится одинаковая кинетическая энергия, равная .

Средняя энергия молекулы равна: , (2.11)

где i – число степеней свободы.

2. Термодинамика – раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями.

Если для данной системы внешние условия не изменяются и состояние системы с течением времени не меняется, то эта система находится в термодинамическом равновесии. Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее термодинамических параметров, называется термодинамическим процессом.

Термодинамические системы, не обменивающиеся с внешней средой ни энергией, ни веществом, называются замкнутыми.

Основа термодинамического метода – определение состояния термодинамической системы – совокупности макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой).

§3. Работа в термодинамике. Количество теплоты

Если газ (или термодинамическая система) находится в состоянии термодинамического равновесия, то его можно характеризовать ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИЕЙ.

ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИЕЙ вещества называется энергия U, зависящая от термодинамического состояния системы (вещества) (т.е. является функцией состояния термодинамической системы) и включает в себя энергию всех видов внутренних движений в теле (системе).