Статистические свойства макросистем (МКТ)

В середине 19го века была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно мех. работе, кол-во теплоты оказалось мерой изменения энергии.

Тепловая энергия – это энергия неупорядоченного хаотического движения, а другие виды энергии связаны с упорядоченным движением. Порядок легко превращается в хаос. Гораздо сложнее наоборот. Поэтому любой вид энергии переходит в тепловую, однако тепловая энергия переходит в другие виды энергии, ограниченна и всегда не полностью.

Открытие закона сохранения энергии способствовало созданию различающихся, но взаимодополняющихся методов исследований. Это статистический подход и термодинамический подход.

Статистический подход – это вероятностный метод описания сложных систем. Вещество всех тел состоит из отдельных мельчайших частиц, находящихся в виде хаотического теплового движения.

Открыл М.Ломоносов в середине 18 века и сформулировал молекулярную гипотезу – частицы вещества – шарики, их поверхность шероховата. Они беспорядочно движутся и сталкиваются между собой. Из-за шероховатости, при столкновении они получают дополнительное вращательное движение.

К концу 19 века сформулировалась теория поведения больших общностей атомов и молекул.

Статистический метод основан на том, что поведение отдельной частицы считается несущественным.

Свойства макросистемы определяются свойствами всех частиц, особенностями их движения, ускорёнными их характеристиками всех частиц.

Макроскопические характеристики имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул. Исходя из молекулярной теории, состояние вещества определяется с помощью характеристик: массы, давления, темп. и объёма.

В основе этой теории лежат 3 положения:

1) любое тело состоит из большого числа частиц малого размера;

2) частицы вещества находятся в беспорядочном движении;

3) скорость движения молекул зависит от темп. Вещества.

В количественном выражении служат опытные газовые законы. Это законы Болер-Мариотто, Гей Люссака, Авогадро и т.д. + основное уравнение кинетической теории идеальных газов и закон Максвелла.

Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории следует средне кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа:

E=3/2К*T, где

Е – средняя кинетическая энергия;

К – постоянная Больцмана;

Т – температура

При абсолютном нуле прекращается поступательное движение молекул газа, и давление тоже становится = нулю.

Первое положение мол.к.теории доказывается опытным путём.

До 20го века считалось, что глубже описывают мир фундаментальные динамические теории (классическая механика Ньютона). В этой механике был применён детерминированный подход.

Кроме того, статистический метод даёт приближённый результат (с определённой долей вероятности), основывается на средних и более вероятных значениях.

Мол.к.теория применяется в квантовой механике, теории эволюции и др. Например, согласно квантовомеханическим представлениям, мир описывается с точки зрения вероятностного подхода, т.е. физические величины, характеризующие систему, не могут принимать одновременно точные значения, т.е. одни характеристики более точные, другие – менее.

Принцип неопределённости (1927) Бернера Гейзенберга (1901 - 1976) – им анализировались координаты и импульс – мера механического движения для материальной точки = mv. Он сделал вывод: в квантовой механике существуют ограничения возможности одновременной точности координаты частиц и импульса. Связано с волновой двойственностью.

15. Термодинамические свойства макросистем – законы термодинамики.

Термодинамика (т\д) – в отличие от молекулярно-кинетического (м\к) не рассматривает конкретно молекулярные картины. Т\д рассматривает св-ва тел конечных размеров.

Тело т\ки – некоторая часть пространства, заполненная веществом.

В т\д на основании опытных данных формируются основные законы, которые называются принципами. Эти законы и выводы из них применяются к конкретным физическим явлениям, связанным с превращением энергии макроскопическим путём.

Т\д подход не применяется к малым объёмам, к которым не могут быть применены статистические законы. Т\д методами решаются вопросы о газе, электричестве, излучении и т.д.

Т ермодинамика – это учение о связи и взаимопревращении различных типов энергии, теплоты и работы – это наука, исследующая причины тепловых явлений.

Система – тело или группа тел, мысленно выделенная из окр.среды.

Система находится в состоянии равновесия, когда её состав и свойства не претерпевают изменений при постоянных внешних условиях.

Система называется замкнутой, если она не обменивается ни со средой, ни с веществом, ни с энергией. В замкнутой системе процессы перераспределения энергии происходят только между элементами, а в замкнутой – ещё и со средой.

До конца 18го века считалось, что теплота – это невесомая жидкость, передаваемая от одного тела к другому. Эта жидкость – теплород. Теплота передаётся от тела к телу, а энергия охраняется. Чем больше теплородов в теле, тем выше температура.

В 19ом веке было доказано, в т\ке тела распределяются набором т\ких параметров или всех физических и химических свойств.

Т\кие параметры: темп.,объём и давление. Процесс в т\ке – изменение хотя бы одного т\кого параметра.

Первый закон т\ки:

Одна из самых важных характеристик системы – полная энергия системы:

E=Ek+En+V - внутр. энергия системы

Внутренняя энергия является суммой различных энергий:

1) кинетическая энергия молекулярного движения;

2) межмолекулярная энергия;

3) внутримолекулярное взаимодействие;

4) энергия электронного возбуждения: лучистая, ядерная, магнитная и т.д.

Внутренняя энергия системы – это та энергия, которая заключена в телах, заключающих эту систему.

В идеальном газе молекуле не взаимодействуют друг с другом, и внутренняя энергия газа определяется только кинетической энергией хаотического движения молекул.

Изменение внутренней энергии системы всегда является результатом обмена энергией между системой и средой (открытая система).

Этот обмен энергии со средой происходит в результате 2х процессов: совершения работы и передачи тепла.

Работа проявляется в передаче упорядоченного потока энергии, а тепло – в передаче хаотического.

В СИ измеряется в Дж.

Первый закон т\д устанавливает энергетический баланс, но не показывает процесс. Этот закон – математическое выражение закона сохранения энергии системы. Суммарное произведение энергии равно 0.

Переход системы из одного состояния в другое связан с сообщением системе некоторого количества теплоты и с совершением системы работы над внешними телами:

Q=A+дельта U (изменение внутренней энергии системы)

Дельта U=q-A, т.е. внутренняя энергия т\кой системы возрастает на величину теплоты, сообщённой системе и уменьшается на величину работы, совершённой системой против внешних сил.

F=q-дельта U – работа, совершаемая системой над внешними телами либо за счёт количества теплоты, либо за счёт уменьшения внутренней энергии системы, следует невозможность построение вечного двигателя, т.е. машины, которая совершала бы работу без потребления энергии извне.

Если q=0, то работа может совершаться только за счёт уменьшения внутренней энергии, но внутренняя энергия имеет конечную величину, то есть она будет исчерпана.

Внутренняя энергия – это функция состояния систем, зависит только от параметров этих систем.

1) T=consA - изотермический процесс, внутренняя энергия удельного газа не изменяется.

делU=U2-U1

делU=0; q=A

2) V=const - изотопный процесс – всё тепло идёт на изменение внутр.энергии

3) Q=U2-U1+p(V2-V1) - изобарный процесс

U+pV=H - энтальпия процесса

Q=U2-U1+p(V2-V1)=H2-H1-делH

При постоянном давлении, сообщённое телу тепло равняется изменению энтальпии.

Реакции отрицательные – экзотермические; если делН – положительная – это процессы эндотермические, т.е.для их проникновения тепло системе нужно сообщить.

Второй закон термодинамики – в окр.мире сущ-ют процессы, разрешённые первым законом т\ки, но в действительности эти процессы происходить не могут. Например, невозможен переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому. Тело, массой m, находящееся на высоте h над землёй падает вниз. На высоте h тело обладает потенциальной энергией, равной mgh. При падении потенциальная энергия переходит в кинетическую. В случае, когда кин.энергия становится потенциальной - энергетический баланс сохраняется.

В момент удара тела о землю кинетическая энергия переходит в тепловую, и тепло рассеивается в окр.среду. Суммарное кол-во энергии остаётся постоянным.

Второй закон т\ки устанавливает направление течения и характер процессов, происходящих в природе. Этот закон даёт возможность определить, какими должны быть внешние условия, чтобы процесс мог происходить в нужном направлении и требуемой среде.

В 1859году Рудольф Клаузиус открыл этот закон.

Не возможен процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от менее нагретого тела к более нагретому.