Реферат на тему:
Термодинаміка
Виникнення термодинаміки
Теплові явища відрізняються від механічних і електромагнітних тим, що
закони теплових явищ необоротні (тобто теплові процеси самі йдуть лише в
одному напрямку) і що теплові процеси здійснюються лише в макроскопічних
масштабах, а тому використовувані для опису теплових процесів поняття і
розміри (температура, кількість теплоти і т.д.) також мають тільки
макроскопічний зміст (про температуру, наприклад, можна говорити
стосовно до макроскопічного тіла, але не до молекули або атому).
Водночас знання будови речовини необхідно для розуміння законів теплових
явищ. Тіло, аналізоване з термодинамічної позиції, є нерухомим, що не
володіє механічною енергією. Але таке тіло має внутрішню енергію, що
складається з енергій електронів, що рухаються, і т.д. Ця внутрішня
енергія може збільшуватися або зменшуватися. Передача енергії може
здійснюватися шляхом передачі від одного тіла до іншого під час
виконання над ними роботи і шляхом теплообміну. В другому випадку
внутрішня енергія переходить від більш нагрітого тіла до менше нагрітого
без виконання роботи. Передану енергію називають кількістю теплоти, а
передачу енергії – теплопередачею. У загальному випадку обидва процеси
можуть здійснюватися одночасно, коли тіло втрачаючи внутрішню енергію
може здійснювати роботу і передавати теплоту іншому тілу. До розуміння
цього вчені прийшли не відразу. У XVIII і першій половині XIX ст. було
характерно розуміти теплоту як невагому рідину (речовину).
Уявлення про теплоту як форми руху дрібних часток матерії з’явилося ще в
XVII столітті. Цих поглядів притримувалися Бекон, Декарт, Ньютон, Гук,
Ломоносов. Проте й у XIX столітті концепція теплороду розглядалася
багатьма вченими. Наприкінці XVIII століття Б.Томпсон (граф Румфорд)
виявив виділення великої кількості тепла під час висвердлюванні каналу в
гарматному стовбурі, що вважав доказом того, що теплота є формою
прямування. Одержання теплоти за допомогою тертя підтвердили досліди
Г.Деві. Б.Томпсон показав, що з обмеженої кількості матерії може бути
отримана необмежена кількість теплоти.
Виникнення власне термодинаміки починається з роботи С.Карно (сам термін
“термодинаміка” введений Б.Томпсоном). Досліджуючи практичну задачу
одержання прямування з тепла стосовно до парових машин, він зрозумів, що
принцип одержання прямування з тепла необхідно розглядати не тільки
стосовно парових машин, але до будь-яких уявних теплових машин. Так був
сформульований загальний метод розв’язку задачі – термодинамічний, що
заклав основу термодинаміки. Визначаючи коефіцієнт корисної дії теплових
машин, Карно увів свій знаменитий цикл, що складається з двох
ізотермічних (які відбуваються при постійній температурі) і двох
адіабатичних (без припливу і віддачі тепла) процесів. ККД циклу Карно не
залежить від властивостей робочого тіла (пари, газу і т.д.) і
визначається температурами тепловіддатчика і теплоприймача. ККД
будь-якої теплової машини не може бути при тих же температурах
тепловіддатчика і теплоприймача вище ККД циклу Карно.
Карно першим розкрив зв’язок теплоти з роботою. Але він виходив із
концепції теплороду, що визнавала теплість незмінної по кількості
субстанцією. Водночас Карно вже зрозумів, що робота парової машини
визначається загальним законом переходу тепла від більш високих до більш
низьких температур, тобто що не може бути безмежного відтворення
рушійної сили без витрат теплороду. Таким чином, робота рекомендувалася
як результат перепаду теплороду з вищого рівня на нижчі. Інакше кажучи,
теплота може створювати роботу лише при наявності різниці температур. За
своїм змістом це і складає основу другого початку термодинаміки. ККД
теплової машини виявився залежним не від робочої речовини, а від
температури тепловіддатчика і теплоприймача. Все це дозволило Карно
прийти до визнання принципу неможливості створення вічного двигуна
першого роду (тобто постійно працюючої машини, що, будучи якось
запущеною, виконувала б роботу без притоку енергії ззовні).
Усвідомлюючи хибність теорії теплороду, Карно зрештою відмовляється від
визнання теплоти незмінної по кількості субстанцією і дає значення
механічного еквівалента теплоти. Але публікація цього висновку була
здійснена вже після винайдення закону збереження енергії, тому даний
висновок не мав того значення, яке б мав. будучи опублікованим раніше.
Але так чи інакше Карно заклав основи термодинаміки як поділу фізики, що
вивчає найбільше загальні властивості макроскопічних систем, що
знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, і процеси переходу між
цими станами. Термодинаміка стала розвиватися на основі фундаментальних
принципів або початків, що є узагальненням результатів численних
спостережень і експериментів.
2. Агрегатний стан речовини
Агрегатний стан — термодинамічний стан речовини, сильно відмінний за
своїми фізичних властивостях від інших агрегатних станів цієї ж
речовини.
Термін «агрегатний стан» досить розмитий, і часто що дуже огрублює
властивості речовини. Так, майже всі речовини в твердому агрегатному
стані можуть мати, залежно від тиску і температури, декілька різних
термодинамічних фаз. Відмінність поняття агрегатного стану речовини від
термодинамічної фази полягає у виділеному вище слові «сильно». Як
правило, вимагається, щоб агрегатні стани «виглядали» сильно по-різному.
Термодинамічні ж фази можуть відрізнятися «непомітними оку» величинами,
такими як теплоємність, структура кристалічних ґраток і т.д. Проте при
акуратному міркуванні рекомендується говорити саме у термінах
термодинамічних фаз. Агрегатні стани, що спостерігаються практично у
всіх речовин
Попередні міркування (філософський аспект)
У ході розвитку філософії, філофосифами у різних кутках світу
обмірковувалось питання peri phiseos, про природу, а, відтак, виникало
питання, з чого все постало, як перетворюється і чим є. На ці питання
згодом дали відповідь Міфологія, Філософія, Метафізика, та власне
Фізика. Основними, як ми тепер кажем, агрегатними станами, а, раніше,
стихіями, у міркуваннях древніх, були вода, вогонь, камінь та повітря (а
згодом, апейрон). Власне, це були всі відомі до сьогодні стани речовини,
агрегатні стани. Новітні дослідження додали до цього списку конденста
Бозе-Айнтшайна.
Технічний погляд
Газоподібний стан, характеризується низькою густиною і достатньо високою
температурою. Газ не тримає ні форму, ні об’єму.
Рідина, характеризується більш високою густиною і проміжними
температурами. Рідина тримає об’єм, але не тримає форму.
Тверде тіло (аморфне або кристалічне), тримає як форму, так і об’єм.
Плазма (часто звана четвертий стан речовини), є частково або повністю
йонізованим газом і виникає при високій температурі, від декількох тисяч
кельвінів і вище. В цілому, її властивості нагадують властивості
газоподібного стану речовини, за винятком того факту, що для плазми
принципову роль грає електродинаміка.
В нейтронний стан речовина переходить при надвисокому тиску, недосяжному
поки в лабораторії, але який існую усередині нейтронних зірок. При
переході в нейтронний стан, електрони речовини взаємодіють з протонами і
перетворюються на нейтрони. В результаті, в нейтронному стані, речовина
повністю складається з нейтронів і має густину порядку ядерної.
Температура речовини при цьому не повинна бути дуже високою (в
енергетичному еквіваленті, не більше сотні МеВ).
При сильному підвищенні температури (сотні МеВ і вище), в нейтронному
стані починають народжуватися і анігілювати різноманітні мезони. При
подальшому підвищенні температури, відбувається деконфайнмент, і
речовина переходить в стан кварк-глюонної плазми. Вона складається вже
не з адронів, а з кварків і глюонів, що постійно народжуються і
зникають.
При подальшому необмеженому підвищенні тиску без підвищення температури
речовина колапсу в чорну діру. При одночасному підвищенні і температури,
до кварків і глюонів додаються інші частинки. Що відбувається з
речовиною (а точніше, з речовиною + простором-часом) при температурах,
близьких до планковской температури, поки невідомо.
При глибокому охолоджуванні, гази деяких (далеко не усіх) речовин
переходять в стан бозе-конденсату. Деякі інші речовини при низьких
температурах переходять в надпровідний або надтекучий стан. Будучи,
безумовно, окремими термодинамічними фазами, цих станів навряд чи слід
називати новими агрегатними станами речовини через їх не
універсальність.
Неоднорідні речовини типу паст, гелів, суспензій, аерозолів і т. д., які
за певних умов демонструють властивості як твердих тіл, так і рідин і
навіть газів, звичайно відносять до класу дисперсних матеріалів, а не до
яких-небудь конкретних агрегатних станів речовини.
Теплові я вища при розчиненні
Процес розчинення кожної речовини у воді супроводжується або виділенням,
або поглинанням тепла, внаслідок чого одержуваний розчин або
нагрівається, або охолоджується. Розчинення газоподібних речовин завжди
супроводжується виділенням тепла і нагріванням розчину. При розчиненні
багатьох рідин у воді, наприклад спирту і сульфатної кислоти, теж
виділяється значна кількість тепла і розчин сильно нагрівається.
При розчиненні твердих речовин у воді інколи виділяється, а інколи
поглинається тепло. Так, при розчиненні їдких лугів (кристалічних) NaOH
і KOH, безводного хлориду кальцію CaCl2 і багатьох інших речовин
спостерігається сильне нагрівання розчину, а при розчиненні нітрату
амонію NH4NO3 і деяких інших речовин, навпаки, спостерігається сильне
охолодження розчину. Вперше на теплові явища при процесах розчинення
звернув увагу і дав їм теоретичне обгрунтування Д. І. Менделєєв. За
поглядами Менделєєва, розчинення є не тільки фізичним процесом, при
якому молекули розчинюваної речовини рівномірно розподіляються між
молекулами води, а й хімічним, внаслідок якого молекули або іони
розчинюваної речовини з молекулами води утворюють певні хімічні сполуки.
Ці сполуки Менделєєв назвав гідратами, а сам процес їх утворення —
процесом гідратації. Через це його теорію було названо хімічною, або
гідратною, теорією розчинення.
Гідрати умовились позначати такою загальною формулою: А•nH2O, де А —
молекула або іон розчиненої речовини, а n — певне число молекул води, що
припадає на одну молекулу або один іон розчиненої речовини. Гідрати
більшості речовин на відміну від звичайних хімічних сполук є дуже
нестійкими й існують лише у розчинах, а при випарюванні розчину
розкладаються. Але відомі й порівняно стійкі гідрати, які можна виділити
з розчину у твердому стані (так звані кристалогідрати).
Утворення гідратів супроводжується звичайно виділенням тепла, внаслідок
чого розчин нагрівається. Але поряд з цим при розчиненні мають місце й
інші процеси — відрив частинок (молекул або іонів) від кристалічної
поверхні розчинюваної речовини (у випадку розчинення твердих речовин) і
їх розміщення по всьому об’єму розчину, на що витрачається певна
кількість внутрішньої енергії, внаслідок чого розчин повинен
охолоджуватися. У зв’язку з цим сумарний тепловий ефект розчинення
твердої речовини може бути різним. Якщо витрачена енергія на
роздрібнення кристалічної речовини дорівнює енергії гідратації, то
процес розчинення відбуватиметься без видимих теплових змін. Якщо ж
енергія гідратації менша від енергії роздрібнення кристалічної речовини,
то розчинення буде супроводжуватися охолодженням, а коли, навпаки,
енергія гідратації більша, то розчинення супроводжується нагріванням
розчину.
4. Тепловий рух. Внутрішня енергія тіла і способи її зміни. Кількість
теплоти.
Питома теплоємність речовини. Робота в термодинаміці
Термодинаміка – розділ молекулярної фізики, який вивчає теплові процеси
без вияснення внутрішніх чинників структури речовини.
Термодинаміка була створена в середині ХІХ століття. Після відкриття
закону збереження енергії. В її основі лежить поняття внутрішньої
енергії U. У середині ХІХ століття. було доведено, що поряд з механічною
енергією макроскопічні тіла мають ще й енергію всередині цих тіл. Ця
внутрішня енергія входить до балансу енергетичних перетворень у природі.
Після відкриття внутрішньої енергії був сформульований закон збереження
і перетворення енергії в теплових процесах, у результаті якого внутрішня
енергія може переходити в механічну і навпаки. З погляду МКТ речовини
внутрішня енергія макроскопічного тіла термодинамічної системи дорівнює
сумі кінетичних енергій неперервного теплового руху всіх молекул
(атомів) відносно центра мас тіла і потенціальних енергій взаємодії всіх
молекул одна з одною. Обчислити U, враховуючи мікропараметри майже
неможливо, тому для її вираження використовують макропараметри
термодинамічної системи.
Найбільш простий за властивостями – одноатомний газ. До одноатомних
можна віднести інертні гази: гелій, неон, аргон та ін. Обчислимо
внутрішню енергію одноатомного ідеального газу. Оскільки молекули цього
газу одна з одною не взаємодіють, то потенціальна енергія Еп = 0. Уся
внутрішня енергія складається із кінетичної енергії руху Ек. За формулою
Больцмана для одного атома
Якщо газ не одноатомний, то його молекули рухаються не тільки
поступально, а й обертаються. Внутрішня енергія таких газів дорівнює
сумі енергій поступального і обертального рухів.
У реальних газах, рідинах і твердих тілах середня потенціальна енергія
взаємодії молекул не дорівнює нулю, тому їх внутрішня енергія залежить
від об’єму речовини поряд з температурою.
Внутрішню енергію термодинамічної системи можна змінити двома способами:
1) виконанням роботи;
2) теплопередачею.
Теплопередачею або теплообміном називають процес передачі енергії від
одного тіла до іншого без виконання роботи. Теплопередача може
відбуватися такими способами:
1) теплопровідність;
2) випромінювання;
3) конвекція (перемішування).
Кількісну міру зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну
називають кількістю теплоти Q. У процесі теплообміну на межі між тілами
відбувається взаємодія “повільних” молекул холодного тіла і “швидких”
гарячого. У результаті кінетичні енергії молекул вирівнюються і
швидкість молекул холодного тіла підвищується, а гарячого – знижується.
Кількістю теплоти також називають енергію, яку гаряче тіло передає
холодному в результаті теплообміну.
Кількісні вимірювання під час теплообміну виконують за допомогою
калориметра, показаного на рис.3.2.2, на якому 1 – зовнішня посудина
(корпус калориметра); 2 – внутрішня металева посудина (найкраще мідна,
оскільки мідь – один з найкращих провідників теплоти; цю посудину ще
називають власне калориметр); 3 – шар повітря; 4 – теплоізолювальна
кришка; 5 – термометр; 6 – теплоізолювальні опори. Усередині калориметра
зазвичай вміщують мішалку для перемішування рідини. Наявність шару
повітря між посудинами, теплоізолювальною кришкою і опорами утруднює всі
види теплопередачі між тілами у внутрішній посудині і зовнішнім
середовищем.
Якщо теплота передана тілу в результаті нагрівання чи охолодження, то
експериментально встановлено, що
Q = cm(T2 – T1),
де c – коефіцієнт пропорційності, скалярна фізична величина, що
називається питомою теплоємністю і яка чисельно дорівнює кількості
теплоти, що відбирається або надається 1 кг речовини у разі зміни її
температури на 1К:
c = Q, якщо m = 1 кг, T2 – T1 = DT = 1 К.
Внутрішня енергія тіла підвищується, коли воно отримує певну кількість
теплоти від інших тіл, які його оточують (T2 > T1). У цьому разі Q > 0 і
DU. Якщо ж тіло віддає певну кількість теплоти тілам (холоднішим від
нього), які його оточують (T2 0, оскільки напрям сили і напрям переміщення поршня
збігаються.
У процесі розширення газ передає енергію оточуючим тілам. Якщо газ
стискається, то формула для роботи газу така ж сама, але V2 0, зовнішні тіла,
здійснюючи над газом додатну роботу, передають йому частину своєї
енергії.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
