- •Министерство образования российской
- •Содержание
- •От авторов
- •Молекулярная физика и термодинамика
- •11.1. Молекулярная физика и термодинамика. Основные положения и понятия. Динамические и статистические закономерности. Статистический и термодинамический методы исследования
- •11.2. Молекулярно-кинетическая теория
- •11.2.1. Модель идеального газа. Основное уравнение кинетической теории газов
- •11.2.2.2. Закон Гей-Люссака
- •11.2.2.3. Закон Шарля
- •11.2.2. Вывод основных газовых законов молекулярно кинетической теории
- •11.2.2.1. Закон Бойля-Мариотта
- •11.2.2.4. Объединенный газовый закон Мариотта - Гей-Люссака
- •11.2.2.5. Основное уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона)
- •11.2.2.6. Закон Авогадро
- •11.2.2.7. Закон Дальтона
- •11.3. Молекулярно-кинетический смысл абсолютной температуры
- •11.4. Экспериментальное подтверждение молекулярно-кинетической теории газов (опыт Штерна)
- •12.1. Распределение энергии по степеням свободы
- •12.2. Вероятность и флюктуации. Распределение молекул (частиц) по абсолютным значениям скорости. Распределение Максвелла. Скорости теплового движения частиц. Средняя длина свободного пробега молекул
- •12.3. Распределение Больцмана. Барометрическая формула
- •12.4. Внутренняя энергия и теплоемкости идеального газа. Классическая теория теплоемкостей
- •Формулы кинетической энергии молекул газа в зависимости от числа степеней свободы
- •13.1. Первое начало термодинамики
- •13.1.1. Первое начало термодинамики в применении к изопроцессам в идеальных газах
- •13.1.1.1. Изотермический процесс
- •13.1.1.2. Изобарический процесс
- •13.1.1.3. Изохорический процесс
- •13.1.1.4. Адиабатический процесс
- •13.2. Обратимые, необратимые и круговые процессы (циклы)
- •13.3. Цикл Карно. Максимальный кпд тепловой машины
- •13.4. Энтропия системы и её свойства. Определение изменения энтропии системы, совершающей какой-либо изопроцесс
- •1. Изотермический.
- •2. Изобарический.
- •3. Изохорический.
- •4. Адиабатический.
- •13.5. Второе начало термодинамики. Термодинамические потенциалы
- •13.5.1. Второе начало термодинамики
- •13.5.2. Термодинамические потенциалы
- •13.6. Третье начало термодинамики. Применения термодинамики
- •14.1. Термодинамика неравновесных процессов
- •14.2. Закон сохранения массы в термодинамике неравновесных процессов
- •14.3. Закон сохранения импульса в термодинамике неравновесных процессов
- •14.4. Закон сохранения энергии в термодинамике неравновесных процессов
- •14.5. Уравнение баланса энтропии
- •15.1. Реальные газы. Молекулярные силы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы Ван-дер-Ваальса и экспериментальны изотермы реальных газов
- •Критическая температура и температура кипения некоторых жидкостей
- •15.2. Внутренняя энергия реального газа
- •15.3. Эффект Джоуля - Томсона. Сжижение газов
- •15.4. Фазы и фазовые превращения. Фазовые диаграммы. Условия равновесия фаз
- •15.5. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Метастабильные состояния. Критическая точка
- •15.6. Тройная точка. Фазовые переходы 1-го и 2-го рода
- •16.1. Понятие о физической кинетике. Вязкость жидкостей и газов. Коэффициент вязкости жидкостей и газов. Динамическая и кинематическая вязкости
- •16.2. Диффузия и теплопроводность. Коэффициенты диффузии и теплопроводности
- •Кинетические явления (явления переноса). Переносимая величина, уравнение процесса, коэффициент процесса
- •17.1. Строение жидкостей
- •17.2. Свойства жидкостей (вязкость, текучесть, сжимаемость и тепловое расширение)
- •17.3. Поверхностное натяжение. Энергия поверхностного слоя жидкости
- •17.4. Поверхностные явления на границе раздела двух жидкостей или жидкости и твердого тела
- •17.5. Капиллярные явления. Закон Жюрена
- •17.6. Кинематическое описание движения жидкости
- •17.7. Уравнения равновесия и движения жидкости. Стационарное движение идеальной жидкости. Уравнение Бернулли
- •17.8. Гидродинамика вязкой жидкости. Силы внутреннего трения. Коэффициент вязкости. Стационарное течение вязкой жидкости. Уравнение неразрывности. Течение по трубе. Формула Пуазейля
- •17.9. Жидкие кристаллы
- •17.9.1. Строение жидких кристаллов (жк)
- •17.9.2. Физические свойства жидких кристаллов и их применение
- •17.10. Магнитные жидкости
- •17.10.1. Структура магнитных жидкостей (мж)
- •17.10.2. Получение магнитных жидкостей
- •17.10.3. Свойства магнитных жидкостей
- •17.10.4. Применение магнитных жидкостей
- •17.11. Кристаллическое состояние
- •17.11.1. Отличительные черты кристаллического состояния
- •17.11.2 Классификация кристаллов
- •17.11.3 Физические типы кристаллических решеток
- •17.11.4 Тепловое движение в кристаллах. Теплоемкость кристаллов
- •17.11.5. Скорость звука в кристалле. Цепочечная модель
- •Можно записать дифференциальное уравнение
- •Библиографический список Основной
- •Дополнительный
- •Полунин Вячеслав Михайлович
- •Сычев Геннадий Тимофеевич
- •Конспект лекций по молекулярной физике и термодинамике для студентов инженерно-технических специальностей
13.5.2. Термодинамические потенциалы
Термодинамические потенциалы, определенные функции объема V, давления p, температуры T, энтропии S, числа частиц системы N и других макроскопических параметров x, характеризующих состояние термодинамической системы. К ним относятся:
внутренняя энергия U = U(S,V,N,x);
энтальпия H = H(S,p,N,x);
свободная энергия F = F(V,T,N,x);
энергия Гиббса G = G(p,T,N,x). (13.61)
Внутренняя энергия - энергия системы, зависящая от ее внутреннего состояния. Внутренняя энергия включает энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов и т.д.) и энергию взаимодействия этих частиц. Кинетическая энергия движения системы как целого и ее потенциальная энергия во внешних силовых полях во внутреннюю энергию системы не входят.
В термодинамике представляет интерес не само значение внутренней энергии системы, а ее изменение при изменении состояния системы. Поэтому обычно принимают во внимание только те составляющие внутренней энергии, которые изменяются в рассматриваемых процессах изменения состояния системы.
Понятие "внутренняя энергия" ввел в 1851 г. У. Томсон, определив изменение внутренней энергии системы в каком-нибудь процессе как алгебраическую сумму количества теплоты Q, которыми система обменивается в ходе процесса с окружающей средой, и работы А, совершенной системой или произведенной над ней. Это отражает первое начало термодинамики
13.62)
Принято считать работу положительной, если она производится системой над внешними телами, а количество теплоты положительным, если оно передается системе.
Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния физической системы, т.е. однозначной функцией независимых переменных, определяющих это состояние, например температуры T и объема V (или давления p). Однозначность внутренней энергии приводит к тому, что, хотя, каждая из величин Q и A зависит от характера процесса, переводящего систему из состояния с внутренней энергией U в состояние с энергией U, изменение U определяется лишь значениями внутренней энергии в начальном и конечном состояниях
(13.63)
Для любого замкнутого процесса, возвращающего систему в первоначальное состояние, изменение внутренней энергии равно нулю (U1 = U2; U = 0; dQ = dA).
Изменение внутренней энергии системы в адиабатическом процессе (при dQ = 0) равно работе, производимой над системой или произведенной системой dU = dA.
В случае простейшей физической системы с малым межмолекулярным взаимодействием - идеального газа - изменение внутренней энергии сводится к изменению кинетической энергии молекул:
(13.64)
где m - масса газа;
cv - удельная теплоемкость при постоянном объеме;
T – изменение температуры системы.
Поэтому U для идеального газа определяется только изменением температуры T (закон Джоуля). В физических системах, частицы которых взаимодействуют между собой (реальные газы, жидкости, твердые тела), внутренняя энергия включает также энергию межмолекулярного и внутримолекулярного взаимодействий. Внутренняя энергия таких систем зависит как от температуры, так и от давления (объема).
Экспериментально может быть измерено только изменение внутренней энергии в каком-либо физическом процессе, то есть внутренняя энергия определяется с точностью до постоянного слагаемого.
Методы статистической физики позволяют в принципе теоретически рассчитать внутреннюю энергию физической системы, но также лишь с точностью до постоянного слагаемого, зависящего от выбранного нуля отсчета.
В области низких температур при T0 внутренняя энергия конденсированных систем (жидких и твердых тел) приближается к определенному постоянному значению U, которое может быть принято за начало отсчета внутренней энергии.
Дифференцированием U по S и V можно определить ряд других параметров системы.
Энтальпия (теплосодержание, тепловая функция Гиббса) - характеризует состояние макроскопической системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве основных независимых переменных энтропии S и давления p - H(S,p,N,x).
Энтальпия аддитивная функция (т.е. энтальпия всей системы равна сумме энтальпий составляющих ее частей). С внутренней энергией U системы энтальпия связана соотношением
(13.65)
где V - объем системы.
Полный дифференциал энтальпии (при неизменных N и x) имеет вид
(13.66)
Из формулы (13.66) можно определить температуру T и объем V системы
(13.67)
При постоянном давлении теплоемкость системы
Cp = (dH/dt). (13.68)
Эти свойства энтальпии при постоянном давлении аналогичны свойствам внутренней энергии при постоянном объеме
(13.69)
Равновесному состоянию системы при постоянных значениях энтропии S и давлении p соответствует минимальное значение энтальпии. Изменение энтальпии (H) равно количеству теплоты, которое сообщают системе или отводят от нее при постоянном давлении, поэтому значения H характеризуют тепловые эффекты фазовых переходов (плавления, кипения и т. д.), химических реакций и других процессов, протекающих при постоянном давлении. При тепловой изоляции тел (и постоянном давлении p) энтальпия сохраняется, поэтому ее иногда называют теплосодержанием или тепловой функцией. Условие сохранения энтальпии лежит, в частности, в основе теории эффекта Джоуля - Томсона, нашедшего важное практическое применение при сжижении газов. Термин "энтальпия" был предложен Х. Камерлинг-Оннесом.
Свободная энергия - одно из названий изохорно-изотермического термодинамического потенциала или Гельмгольца энергии. Она определяется как разность между внутренней энергии термодинамической системы (U) и произведением ее энтропии (S) на температуру (T)
(13.70)
где TS - связанная энергия.
Энергия Гиббса это изобарно-изотермический потенциал. Свободная энтальпия, характеристическая функция термодинамической системы при независимых параметрах p, T и N (G). Она определяется через энтальпию H, энтропию S и температуру T равенством
(13.71)
Со свободной энергией (энергией Гельмгольца), энергия Гиббса связана соотношением
(13.72)
Энергия Гиббса пропорциональна числу частиц N; отнесенная к одной частице, она называется химическим потенциалом. Гиббса энергия удобна для описания процессов, в которых возможен обмен веществом с окружающими телами. Понятие "Гиббса энергия" введено в термодинамику Дж. У. Гиббсом. В изотермически равновесном процессе, при постоянном давлении, убыль Гиббса энергии системы равна полной работе системы за вычетом работы против внешнего давления, (т.е. равна полезной максимальной работе). Ее обычно выражают в кДж/кг или кДж/моль.
Зная термодинамические потенциалы как функции выше указанных параметров, их дифференцированием можно получить все остальные параметры, характеризующие систему, подобно тому, как в механике можно определить компоненты действующих на систему сил, дифференцируя потенциальную энергию системы по соответствующим координатам.
Если известен какой-либо термодинамический потенциал, то можно определить все термодинамические свойства системы, в частности получить уравнение состояния системы. Термодинамические потенциалы выражают условия термодинамического равновесия системы и критерии его устойчивости.
Совершаемая термодинамической системой в каком-либо процессе работа определяется убылью термодинамического потенциала, отвечающего условиям процесса.
Так, например:
а) при постоянстве числа частиц (N = const) в условиях теплоизоляции (адиабатический процесс, S = const) элементарная работа dA равна убыли внутренней энергии
;
б) при изотермическом процессе (T = const)
.
В этом процессе работа совершается не только за счет внутренней энергии, но и за счет поступающей в систему теплоты;
в) для систем, в которых возможен обмен веществом с окружающей средой (изменение N), возможны процессы при постоянном давлении p и постоянной температуре T. В этом случае элементарная работа dA всех термодинамических сил кроме сил давления, равна убыли термодинамического потенциала Гиббса (G), т.е.
![]()
Теоретическое определение термодинамических потенциалов как функций соответствующих переменных составляет основную задачу статистической термодинамики. Термодинамические потенциалы широко применяются для получения общих соотношений между физическими свойствами макроскопических тел и анализа термодинамических процессов и условий равновесия в физико-химических системах.
