Сборник задач по физике Курс лекций по физике Оптика Кинематика Теплопроводность

Лекции по физике теория газов

Работой называется такая пеpедача энеpгии, котоpая обусловлена силой. Силы могут иметь pазличное пpоисхождение, поэтому и pабота в теpмодинамике может быть pазличной по своей физической пpиpоде. Однако наиболее важна pабота, обусловленная силой давления, т.е. pабота pасшиpения и сжатия системы. Найдем ее выpажение. С этой целью pассмотpим цилиндp, наполненный газом и закpытый поpшнем.

Изобpазим на диагpамме p - V какой-нибудь пpоцесс над газом.

Рис. 6.1.1

При расширении газа (рис. 6.1.1) поршень площадью  под действием силы   переместился на . Элементарная работа . Так как давление , то  , где .

Работа при конечном изменении объема от  до  равна: .

На гpафике пpоцесс изобpажается линией. Графически работа определяется площадью криволинейной трапеции на – диаграмме (рис. 6.1.2):

   

На графиках стрелкой указаны направления процессов. При увеличении объема системы работа газа положительна, при уменьшении – отрицательна.

Внутренняя энергия тела может изменяться, если действующие на него внешние силы совершают работу (положительную или отрицательную). Например, если газ подвергается сжатию в цилиндре под поршнем, то внешние силы совершают над газом некоторую положительную работу A'. В то же время силы давления, действующие со стороны газа на поршень, совершают работу A = –A'.

Рис. Работа газа при расширении.

Фазовые диаграммы. Тройная точка

Разные фазы одного и того же вещества могут находиться в равновесии, соприкасаясь друг с другом. Такое равновесие наблюдается лишь в ограниченном интервале температур, причем каждому значению температуры Т соответствует свое давление Р, при котором возможно равновесие. Для наглядного изображения фазовых превращений используются фазовые диаграммы состояний, на которых в координатах Р, Т задается зависимость между температурой фазового перехода и давлением. Строятся такие диаграммы на основе экспериментальных данных.

На рис.3 изображена характерная диаграмма состояния вещества. Три фазы одного и того же вещества (твердая, жидкая и газообразная) могут находиться в равновесии только при единственном значении температуры ТТР и давлении РТР. Эту точку называют тройной (ТР). В тройной точке сходядтся три кривые равновесия фаз, взятых попарно: 1) кривая испарения (КИ) определяет условия равновесия между жидкой и газообразной фазами (например, между водой и водяным паром);

2) кривая плавления (КП) определяет условия равновесия между твердой и жидкой фазами (например, между льдом и водой); 3) кривая сублимации (КС) определяет условия равновесия между твердой и газообразной фазами (например, между льдом и водяным паром). Каждое вещество имеет только одну тройную точку. Тройная точка воды имеет ТТР =273,16 К (или tТР=0,01°С) и РТР=611 Па, что соответствует 1/166 физической атмосферы. При такой температуре и давлении вода, лед и водяной пар находятся в равновесии, т.е. могут оставаться в таком состоянии сколь угодно долго.

Уравнение Клапейрона-Клаузиуса выражает связь наклона кривой равновесия двух фаз с теплотой фазового перехода q и изменением фазового объема V2-V1:

 . (6)

II. Элементы квантовых статистик и квантовой физики твердого тела

В последующих 4 лекциях будут изучаться тепловые и электрические свойства твердых кристаллических тел с использованием квантовой механики и квантовой статистики.

Излучение. Любое тело излучает электромагнитные волны, на образование которых расходуется внутренняя энергия тела, т.е. если нет притока теплоты или работы извне (из окружающей среды), тело охлаждается. Любое тело частично отражает, а частично поглощает электромагнитные волны. Поглощение электромагнитных волн увеличивает внутреннюю энергию тела. С увеличением температуры энергия излучения растет. Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме. Интенсивность излучения и поглощения энергии телом зависит от состояния его поверхности: черное шероховатое тело излучает и поглощает электромагнитные волны лучше, чем тело зеркальное (при прочих равных условиях).
На главную