Физика 10.3.1.1_дидактический материал урок №2

Дидактический материал к уроку №2

Раздел долгосрочного плана

« ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ»

Тема урока №2:  Термодинамические системы и термодинамические параметры

Цель обучения 10.3.1.1 - описывать связь температуры со  средней кинетической энергией поступательного движения молекул;

Совокупность макроскопических тел, которые при взаимодействии обмениваются энергией между собой и окружающей средой, называют термодинамической системой.

Взаимодействие в физике - воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения.

Физические величины (например, давление, температура и т.д.), характеризующие состояние термодинамической  системы в данный момент времени, называют параметрами состояния, или термодинамическими  параметрами. Число независимых параметров состояния равно числу степеней свободы термодинамической системы. Различают параметры состояния физической системы: экстенсивные, т.е. пропорциональные массе системы (объему, внутренней энергии и другим видам энергий), и интенсивные,  независящие от массы  (давления, температуры и пр.).

Рассмотрим некоторые из них.

Объем  V -  пространство, заполненное или может быть заполненное молекулами (атомами).

Давление Р - физическая величина, характеризующая интенсивность сил,  с которыми одно тело действует нормально (перпендикулярно) на поверхность другого.

При равномерном распределении силы по поверхности давление находится по формуле

             (1.4)

В СИ единицей измерения  давления считается паскаль (Па), Н/м²=Па. На практике традиционно используют некоторые внесистемные единицы.

 Например, 1 бар = 10⁵ Па,

                    1 ат =9,81 ×10⁴ Па (техническая атмосфера),

                    1 мм рт. ст. = 1,33×10²  Па,

                    1 атм =1,033 ат =1,013×10⁵ Па (нормальная атмосфера).

Для измерения давления используют манометры, барометры, вакуумметры, а также различные датчики давления.

Температура T - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия  для всех частей макроскопической системы и являющаяся мерой отклонения от этого равновесия. Температуру невозможно измерить непосредственно. Ее значение определяют по температурному изменению какого-либо удобного для измерений физического свойства вещества. Для этого существуют температурные шкалы. Например, газовая и термодинамическая температурная шкалы. Термодинамическая температурная шкала основана на выводах второго начала термодинамики.

Абсолютная температура по термодинамической температурной шкале обозначается символом Т, в СИ измеряется в кельвинах (К). Для термодинамической температурной шкалы, как и для любой другой, необходимо задать значения двух фиксированных температур. Например, Т₁=0 К (абсолютный нуль температуры) и Т₂=273,15 К  (точка плавления льда при нормальном давлении). На рис. 1.1 приведены некоторые температурные шкалы. Введение Т₁=0 К является экстраполяцией и не требует реализации абсолютного нуля.

Термодинамическая (абсолютная)  температурная шкала (шкала Кельвина) имеет единицы температуры, совпадающие с единицами температуры для стоградусной шкалы Цельсия, основанной на свойствах идеального газа и значениях t₁=0^oC (точка плавления льда) и t₂=100^oC (точка кипения воды). Соотношение между температурами по шкале Цельсия и шкале Кельвина записывают в виде:  Т = t^oC +273,15^oC. Нормальные условия - Т=0  0^oC, Р=1,013×10⁵ Па.

            На практике для измерения температуры используют термометры,  градуированные по высокостабильным реперным точкам, таким, как тройная точка кислорода, водорода, аргона; точки кипения этих и других газов (например, неона); точки затвердевания чистых металлов и т.д., температуры которых по термодинамической температурной шкале найдены предельно точными измерениями.

При  температуре абсолютного нуля (Т = 0 К  или  t = - 273,15oC), согласно выводам классической физики, в телах полностью прекращается тепловое хаотическое движение. Согласно квантовой теории, в области сверхнизких температур действуют законы квантовой механики. При Т = 0 К в телах существуют нулевые колебания микрочастиц, энергию которых нельзя отнять никакими способами. Состояние макроскопической системы определяется большим числом параметров, и установление равновесия по каждому из параметров протекает по-разному.

Состояние термодинамической системы, в которое она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени, в условиях изоляции от окружающей среды,  называют равновесным.

Состояние термодинамической системы, в котором хотя бы один из параметров, характеризующих ее состояние, изменяется, называют неравновесным.