December 10 2016 12:42:12
School Nogma
Навигация
 
Авторизация
Логин

Пароль



Вы не зарегистрированы?
Нажмите здесь для регистрации .

Забыли пароль?
Запросите новый здесь.
 
Статистическая термодинамика
ОСНОВЫ  ТЕРМОДИНАМИКИ

         ПРЕДИСЛОВИЕ                                                       5

 ВВЕДЕНИЕ                                                      7

1.      ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ                

  1. Термодинамическая система и особенности двух путей исследования ее поведения. Микрохарактеристики частиц    

      и макроскопические термодинамические параметры               11

1.2. Принцип термодинамического равновесия. Уравнение

      состояния                                                                                            13

  1. Некоторые сведения о тепловых характеристиках тел.  

       Теплота и температура. Температурное поведение тел.

       Газовые законы. Абсолютная температура                                   18                                    

2.     ПЕРВОЕ  НАЧАЛО  ТЕРМОДИНАМИКИ                      

  1. Энергия, работа и теплота. Закон сохранения энергии в термодинамике.  Внутренняя энергия.                                    24            

  2. Теплоемкость. Теплоемкость газов в изохорных и изобарных

процессах                                                   27        

2.3. Механический эквивалент теплоты                            29            

3.   МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.                                        РОЛЬ МОДЕЛИ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА  

3.1. Уравнение состояния. Особенности моделирования в   термодинамике.  Термодинамические уравнения состояния.  Процессы обратимые и необратимые. Роль квазистатических процессов. Термодинамические   циклы                              31

3.2.    Модель идеального газа. Уравнение состояния идеального газа.

      Идеальный газ в силовом поле.  Барометрическая формула         35                    

3.3. Изотермические и адиабатные процессы идеального газа            39                            

4.      ОСОБЕННОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ В РАБОТУ      

4.1. Тепловые машины и термодинамические циклы                           42            4.2. Цикл Карно. Предельный  КПД тепловых машин.                             Холодильник и тепловой насос                                                     44

4.3. Термодинамическая шкала температур.                                   49                      

5.          ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ                         

  1. Формулировки второго начала и его суть. Необходимость новой   функции состояния.                                                 51                        

  2. Энтропия как мера хаотичности состояния термодинамической  

системы. Формула Клаузиуса для вычисления изменения энтропии в обратимом процессе. Термодинамическое тождество                53

5.3. Энтропия в замкнутых системах. Обратимость процессов как

условие сохранения энтропии.  Энтропия  и  необратимость.        Неравенство Клаузиуса                                                                     59

6.            ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ                            

  1. Максимальная работа в термодинамических процессах               62

  2. Термодинамические потенциалы в адиабатных процессах      63                    

  3. Термодинамические потенциалы в изотермических процессах    64                

  4.      ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ          

  5. Отличие рассмотрения задач в механике и в термодинамике       66                

  6. Термодинамические уравнения состояния                                67            

  7. Система связей между термодинамическими функциями.          Уравнения Гиббса-Гельмгольца. Соотношения Максвелла          71                                

  8.     РЕАЛЬНЫЕ  ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ  СИСТЕМЫ  

                       И  ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ                                          

8.1. Модель газа Ван-дер-Ваальса. Изотермы газа Ван-дер-Ваальса   75

8.2. Фазовые переходы, их теплота и температура. Формула      Клапейрона-Клаузиуса                                                           78

8.3. Фазовые диаграммы состояния. Тройная точка              80                    

9.        КРИТЕРИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ          

9.1. Тепловое равновесие и неравенство Клаузиуса                      83                  

9.2. Критерии равновесия в открытых термодинамических системах  86            

  1. Реакция термодинамической системы  на  внешнее воздействие.       Принцип Ле-Шателье-Брауна                                    88          

10.              ТРЕТЬЕ  НАЧАЛО  ТЕРМОДИНАМИКИ                    

  1. Связь термодинамики и статистической физики. Термодинамическая вероятность (статистический вес) состояния системы и энтропия                                                                            90

10.2.  Третье начало термодинамики                                                        94    

        Приложение 1                                                                                                                                    96    

    Приложение 2                                             98  

   Приложение 3                                             99  

Рекомендуемая литература                                                      105                              

ПРЕДИСЛОВИЕ

Задачей данного учебного пособия является дать студентам технического вуза самые общие представления о связи механических и тепловых явлений в природе и о некоторых приложениях классической  термодинамики к технически интересным вопросам.

Основой данного пособия послужила первая часть курса лекций «Термодинамика и статистическая физика», читавшегося автором на протяжении ряда лет в Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН». Отбор материала определялся программой общего курса физики в технических вузах. В целях уменьшения объема пособия, в нем заметно сжат объем материала по сравнению с полным объемом курса за счет уменьшения числа примеров и задач, а также за счет отсутствия описания лекционных экспериментов и лабораторных работ, выполняемых студентами в процессе обучения.

Поскольку существует большое число ранее опубликованных  другими авторами лекционных курсов и учебных пособий по термодинамике, то появление еще одного оправдано с точки зрения автора тем, что здесь нестандартно рассмотрен вопрос об энтропии. Особое внимание уделено разъяснению физического смысла энтропии – вопросу наиболее интересному в термодинамике и почему-то наименее понятно (во всяком случае, для начального ознакомления) излагаемому в учебниках по термодинамике. Яркий пример невразумительности объяснения понятия энтропии приводит Ч.Киттель в своей «Статистической термодинамике» (М.: Наука, 1977, с.47) со ссылкой на Британскую Энциклопедию: «полезность понятия об энтропии … ограничена тем, что оно не соответствует непосредственно какому-либо поддающемуся измерению физическому свойству, а является просто математической функцией, с помощью которой определяется абсолютная температура». Британской Энциклопедии вторит известный немецкий историк науки Фридрих Хернек, который в своей книге «Первопроходцы атомного века» пишет: «Энтропия, не поддающаяся наглядному истолкованию функция состояния, которая указывает степень необратимости преобразований энергии …» (Friedrich Herneck, «Bahnbrecher des Atomzeitalters», Berlin.: Der Morgen, s.133, перевод мой, А.Ш.). К сожалению ни у Ч.Киттеля, ни где-либо ещё автору не удалось обнаружить доступного понимания студентами объяснения энтропии. Удивительным выглядит тот факт, что во всех общедоступных учебниках термодинамики рассмотрение этой функции происходит с пропуском этапа качественного обсуждения вопроса, казалось бы, естественно возникающего при рассмотрении термодинамических циклов, а именно: какое новое свойство термодинамических систем по сравнению с механическими системами обнаруживается при изучении работы тепловых машин. Этим свойством является невозможность в замкнутой системе всю энергию хаотического движения микрочастиц превратить в энергию упорядоченного движения макроскопических тел и тем самым понизить степень хаотичности состояния термодинамической системы. Но для этого сначала надо ввести и разобрать понятие хаотичности. С этой целью (несколько упреждая вторую часть курса, статистическую) в ПРИЛОЖЕНИИ 3 рассмотрена связь между «эффективным» объемом, характеризующим «размытость» состояния термодинамической системы в фазовом пространстве (определяемую статистически через дисперсию проекций координат и импульсов частиц системы) и степенью хаотичности состояния системы, измеряемой энтропией в термодинамике. Этот «эффективный» объем позволяет, по мнению автора, придать энтропии наглядность.  

Порядок изложения материала мало чем отличается от общепринятого в традиционных курсах феноменологической термодинамики. Отличительной чертой можно считать повышенное внимание к особенностям моделирования при изучении тепловых явлений (по сравнению с привычным моделированием в механике).

Усилие автора было направлено также на то, чтобы дать предельно краткое изложение основ термодинамической теории с некоторыми примерами  технически интересных приложений.

Для понимания излагаемого материала вполне достаточным является знакомство с физическими основами механики в объеме, читаемом в общем курсе физики в технических вузах, и соответствующими сведениями из математического анализа. Предполагается также знание элементарных  опытных данных относительно тепловых явлений, почерпнутых как из повседневной практики, так и из школьного курса физики.

ВВЕДЕНИЕ

Термодинамика  изучает  явления,  именуемые  тепловыми. Они связаны с процессами, происходящими в макроскопических телах, состоящих из огромного числа частиц.

    Из повседневной практики нам известны два способа передачи энергии и, соответственно, используются для их характеристика два термина, а именно – работа и теплота.

Когда мы говорим об энергии системы, то изначально подразумевается её способность преодолевать препятствия. Хорошим примером является способность преодолеть ледяную стенку. Для её разрушения мы можем приложить энергию силовым способом – прорубить проход, то есть совершить работу. Но можно и растопить эту стенку, сообщив её теплоту.

При изучении природы тепловых явлений принято использовать двустороннее рассмотрение термодинамических процессов – два подхода:

Один подход – феноменологический, основанный на описании поведения макроскопических тел в тепловых процессах с помощью небольшого числа макроскопических параметров и некоторых функций от этих параметров, знание которых в термодинамических процессах оказывается достаточным для решения большого круга задач, представляющих технический интерес. Здесь не делается никаких конкретных предположений о микромеханизме тепловых процессов (хотя некоторые, самые общие, справедливые для всех термодинамических систем соображения об их микроструктуре и микровзаимодействиях необходимы для понимания сути дела), а основанием для теоретических выводов служат несколько основных положений, сконцентрировавших в себе опыт  человечества, и получивших название «Начал» термодинамики. Ввиду отсутствия конкретизации, все выводы, полученные при таком подходе, обладают силой всеобщности.

Однако сразу следует заметить, что в отличие от механики, которую можно изучать, оставаясь на одном лишь макроскопическом уровне, при изучении тепловых явлений нельзя вполне понять суть наблюдаемых макроскопических закономерностей, если совсем не учитывать существования неких внутренних, микроскопических движений в макроскопических телах и совершенно не обращаться к каким-либо, пусть самым общим, моделям микроструктуры вещества (например, к идее дискретности вещества на микроуровне) и взаимодействия микрочастиц, участвующих в тепловых процессах.

Феноменологическая термодинамика представляет собой не только  относительно самостоятельный, но и законченный (в том смысле, что здесь никто не ждет каких-либо фундаментальных изменений или дополнений в теории) раздел физики. Этот раздел не нуждается в сложном математическом аппарате (в отличие от статистической  механики, изучающей тот же круг природных явлений, но требующей заметно больше знаний по математике).

Комментарии
#1 | Arnorec January 31 2014 19:58:29
где сам конспект, кроме введения?
Добавить комментарий
Пожалуйста, залогиньтесь для добавления комментария.
Рейтинги
Рейтинг доступен только для пользователей.

Пожалуйста, авторизуйтесьили зарегистрируйтесь для голосования.

Нет данных для оценки.

Время загрузки: 0.07 секунд 4,204,995 уникальных посетителей