Repetitor.Biniko.com
   Образовательный портал


Бесплатный каталог репетиторов
Новости   Профессии   Блоги
Вопросы и ответы   Форум
On-line тестирование






 
Главная
Поиск
Новости
Статьи
Профессии
ЕГЭ - Россия
ВНТ - Украина
ЕНТ - Казахстан
ЦТ - Беларусь
Блоги
Репетиторы
Вопросы и ответы
On-line тестирование
Форум

 




Регистрация:

  Учителя
  Учащиеся
Логин:    Пароль:   


Блоги

Категория: Физика

9. Макроскопические параметры

9. Макроскопические параметры



1. В классической механике мгновенное состояние механической системы определяется координатами и скоростями частиц, из которых состоит система. В молекулярной физике буквальное применение такого способа описания состояний физических систем сводилось бы к определению в каждый момент времени координат и скоростей всех молекул и атомов, а также электронов, атомных ядер и прочих частиц, из которых построены тела. Состояние, описанное столь детально, называется динамическим состоянием или микросостоянием. Квантовая механика дает иной способ описания микросостояний, на котором здесь нет необходимости останавливаться. Важно заметить только, что подобное детальное описание состояний макроскопических систем, ввиду колоссальности числа частиц в них, не только невозможно осуществить фактически, но оно само по себе не представляет никакого интереса. Понятие микросостояния в классическом или квантовом смысле полезно лишь постольку, поскольку оно может быть связано с макроскопическими свойствами вещества и может служить для определения последних. В термодинамике равновесные состояния макроскопических систем описываются несравненно более грубо — с помощью небольшого числа различных макроскопических параметров. К ним относятся, например, давление, плотность, температура, концентрация, объем системы, напряженность электрического и магнитного полей и т. д. Состояние, описанное с помощью макроскопических параметров, называется макроскопическим состоянием или макросостоянием. Именно в этом смысле понятие состояния употребляется в термодинамике. Термодинамически равновесное состояние газа, например, в отсутствие внешних силовых полей полностью определяется его массой, химической природой, давлением и температурой. Объем V, в котором заключен газ, не является независимым параметром, а может быть вычислен из уравнения состояния.

2. Чтобы выяснить смысл макроскопических параметров с молекулярной точки зрения, рассмотрим в качестве примера плотность газообразного, жидкого или твердого тела. Выделим мысленно в пространстве малую неизменную область с объемом V. Пусть М масса содержащегося в ней вещества. Плотностью вещества внутри объема V называется отношение р = M/V. Ввиду теплового движения число молекул или атомов в объеме V, а с ним и масса М непрерывно и беспорядочно меняются с течением времени. Это ведет к беспорядочному изменению и плотности р. Такие беспорядочные изменения плотности или других физических величин называются флуктуациями. Обозначим через plt р2, р„ значения величины р в равноотстоящие моменты времени tlt 4 Их среднее арифметическое по определению равно — (pi + Pa + -- +Рл)-

Опыт показывает, что при неизменных внешних условиях эта величина приближается к определенному пределу р, когда число п, а также общее время наблюдения tn — /] становятся достаточно большими. Величина р при макроскопическом описании и принимается за плотность тела. Если в объеме V содержится одна или небольшое число молекул, то отклонения мгновенных значений величины р от ее среднего значения р очень велики — они сравнимы с самой плотностью р. При увеличении объема V отклонения становятся все меньше и меньше. Для больших объемов, содержащих громадное количество молекул, флуктуации плотности мало заметны. Феноменологическая термодинамика от флуктуации отвлекается.

Подобно плотности ведут себя и другие макроскопические пара-метры, например давление газа. Давление газа на стенку сосуда есть результат ударов о стенку молекул, беспорядочно движущихся с тепловыми скоростями. Возьмем малый участок стенки с площадью

Пусть F означает мгновенное значение силы, с которой действуют на этот участок ударяющие молекулы. Сила, отнесенная к единице площади, равна Р = F/S. Величина Р, как и плотность, беспорядочно флуктуирует во времени. В термодинамике имеют дело не с мгновенными, а со средними значениями величины Р за большие промежутки времени — очень большие по сравнению с длительностью одного удара, с длительностью промежутка времени между двумя последовательными ударами или другими характерными временами. Эту среднюю величину Р при макроскопическом рассмотрении и принимают за давление газа. То обстоятельство, что давление газа воспринимается нашими грубыми измерительными приборами как сила, непрерывная во времени и непрерывно распределенная по площади, на которую она действует, объясняется колоссальностью числа молекул, бомбардирующих эту площадь, а также исключительной малостью этих частиц. При повышении чувствительности приборов регистрируются и самопроизвольные беспорядочные колебания давления — тепловые флуктуации.

Из этих примеров видно, что макроскопические термодинамические параметры имеют смысл средних значений (за большой промежуток времени) каких-то функций, характеризующих динамическое состояние системы. Только с подобными средними и имеет дело феноменологическая термодинамика. Их мы будем обозначать посредством р, Р, V, т. е. будем опускать черту или любой другой знак усреднения.

3. Макроскопические параметры, определяющие состояние системы и ее отношение к окружающим телам, разделяются на внутренние и внешние. Внутренние параметры определяют внутреннее состояние системы. Внешними параметрами характеризуются внешние тела и силовые поля, воздействующие на систему. Приведем примеры внутренних и внешних параметров.

Пусть газ заключен в сосуде с твердыми стенками. Объем сосуда определяется положением внешних тел — стенок. Это внешний параметр. Давление, оказываемое газом на стенку сосуда, зависит от скоростей теплового движения его молекул. Оно является внутренним параметром. Если газ двух- или многоатомный, то при его нагревании молекулы диссоциируют, т. е. распадаются на атомы или группы атомов. При дальнейшем нагревании атомы газа ионизуются — расщепляются на заряженные ионы или электроны. Отношение числа диссоциировавшихся молекул к общему числу их называется степенью диссоциации молекул газа. Аналогично определяется степень ионизации его, как отношение числа ионизовавшихся атомов к общему числу их. Степень диссоциации и степень ионизации газа — внутренние параметры. В электрическом поле газ поляризуется, а в магнитном — намагничивается, возникают электрический и магнитный моменты газа. Эти величины являются внутренними параметрами. Напряженности же внешних электрического и магнитного полей, в которых помещен газ, являются параметрами внешними.

Допустим теперь, что газ заключен в цилиндре под поршнем, который может свободно перемещаться. Пусть на поршне лежит груз веса Q. Если площадь поршня равна S, то груз Q оказывает давление Р = Q/S на каждую единицу площади поршня. Давление Р в таком смысле будет внешним параметром, так как оно определяется весом внешнего тела — груза Q. Объем газа V определяется положением подвижной стенки сосуда — поршня. Однако теперь объем V становится внутренним параметром, так как положение поршня с грузом зависит от внутреннего давления, оказываемого газом на поршень.

В состоянии термодинамического равновесия каждый внутренний параметр является однозначной функцией внешних параметров и температуры системы. Это утверждение является результатом обобщения опытных фактов. Примером может служить уравнение состояния. Внутренний параметр — давление газа Р — здесь однозначно определяется температурой газа и внешним параметром — объемом сосуда V, в котором заключен газ. Сформулированное общее положение является одним из важнейших постулатов аксиоматической термодинамики. Уравнение, выражающее функциональную связь между внутренними и внешними параметрами системы в состоянии термодинамического равновесия, называется обобщенным уравнением состояния системы.



ГЛАВА II ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ



Автор: Диков Александр Дата: 2010-05-17 00:46:51 Просмотров: 6440


Комментарии отсутствуют


 

Добавить комментарий:


Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

 

    Репетиторы, математика, русский язык, физика, сдать ЕГЭ, ЕГЭ 2012, тестирование ЕГЭ, ответы по ЕГЭ, репетитор, карта сайта,


    Все права защищены и принадлежат авторам размещающих материалы на сайте. Данный сайт ни какой ответственности за размещенный материал не несет. Копирование материалов возможна только с указанием URL ссылки на исходный материал.