КЛАССИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ КОНЦЕПЦИИ КЛАССИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ И СТАТИЧТИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ

Молекулярно-кинетическая теория строения вещества Вещество – основной вид материи, состоит из дискретных образований, обладающих массой покоя, в т.ч. из неделимых элементарных частиц, обладающих физическими параметрами (заряд, масса, энергия, спин и т.д.). Вещество имеет дискретную структуру, его структурные элементы находятся в беспрерывном движении, взаимодействуют друг с другом и образуют материальные тела. Агрегатные состояния вещества – твердое, жидкое и газообразное.

Два методы рассмотрения явлений природы: Термодинамический метод изучает внешние проявления явлений природы (анализ макропараметров вещества – объем V, масса m, давление p, температура T). Макропараметры взаимосвязаны и подчиняются определенным соотношениям - уравнениями состояния: законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля, Клапейрона-Менделеева, уравнение Ван-дер-Ваальса. Статистический метод изучает атомно-молекулярный механизм физических явлений (анализ микропараметров вещества – масса, скорость энергия отдельной молекулы). Статистический метод ограничивается рассмотрением средних микропараметров.

Статистика идеального газа. Огромная совокупность частиц выступает в новом качестве – представляет собой статистическую систему, которая подчиняется другим законам, не сводимым к законам механики. В статистической системе проявляются новые свойства, отсутствующие у отдельных молекул. Основное уравнение молекулярно- кинетической теории газов вскрывает глубокую и неразрывную связь между микро- и макропараметрами.

Основное уравнение молекулярно- кинетической теории газов Устанавливает соотношение между давлением газа на стенку сосуда и средней кинетической энергией хаотического движения молекул газа. Величина давления определяется средней кинетической энергией поступательного движения молекул. Давление – это результат коллективного действия огромной совокупности молекул, образующих статистическую систему. Температура определяется средней кинетической энергией хаотического движения молекул. Определена фундаментальная постоянная - постоянная Больцмана.

Распределение Максвелла-Больцмана Распределение – одно из понятий теории вероятностей и статистики. Распределение вероятности к.-л. случайной величины задается указанием возможных значений этой величины и соответствующих им вероятностей или плотности вероятности. Случайными являются микропараметры, которыми обладает в данный момент к.-л. молекула. Случайные величины починяются определенным законам – законам статистики. В частности, эти законы могут отчетливо проявляться в распределении молекул газа по скоростям с помощью функции распределения молекул газа по скоростям.

Функция распределения Максвелла-Больцмана Функция распределения показывает число молекул, скорости которых лежат в единичном интервале. Аналитически эту функцию определил Максвелл ( ). Вид функции распределения впервые экспериментально проверен Штерном в 1932 г. Функция распределения Максвелла имеет максимум. Скорость, соответствующая этому максимуму, называется наиболее вероятной скоростью. Это означает, что наибольшее число молекул обладает скоростями, близкими к данной. Распределение Максвелла является равновесным. Это означает, что в естественных условиям оно будет сохраняться сколь угодно долго. Температура имеет физическим смысл лишь в том случае, когда в статистической системе установилось распределение Максвелла. Работы Максвелла были развиты Больцманом ( ), который показал, что более общим является распределение не по скоростям, а по энергиям. Так была получена функция распределения Больцмана – функция распределения молекул газа по энергиям.

ТЕРМОДИНАМИКА Термодинамика возникла как наука о теплоте. Термодинамика – метод изучения вопросов, связанных с передачей различных видов энергии от одного тела к другому. Термодинамика основана на трех эмпирических законах, которые называются началами. Исторически первым установлено второе начало, потом первое-третье, а последним – нулевое.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ Закон сохранения и превращения энергии – один из основных законов, справедливых для неживой и живой природы. Важнейшее в нем – положение об эквивалентности теплоты и работы как разных форм энергии. Функции состояния – величины, однозначно определяемые при равновесии. Время как параметр в термодинамике не фигурирует. В классической равновесной термодинамике рассматриваются обратимые процессы. Да и равновесие в статическом состоянии соответствует смерти системы. Изолированные системы – термодинамические системы, находящиеся в состоянии адиабатической изоляции, которая исключает обмен теплотой и веществом с окружающей средой.

Внутренняя энергия, теплота и работа В механике энергию принято разделять на кинетическую.(энергию движения) и потенциальную (энергию взаимодействия). В термодинамике полная энергия тела складывается из кинетической энергии движения тела как целого, из потенциальной энергии сил во внешнем поле сил и внутренней энергии. Внутренняя энергия – энергия теплового ( поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальная энергия их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии U термодинамической системы при ее взаимодействии с окружением: совершение над системой работы А и сообщения ей количества теплоты Q (1-е начало).

ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ При всех превращениях должен выполняться закон сохранения и превращения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Количественная формулировка первого начала термодинамики: Количество теплоты Q, сообщенное системе, идет на увеличение внутренней энергии U системы и совершение системой работы A над внешними телами, т.е. Q = U + A. Из уравнения следует, что теплота и работа есть две различные формы передачи энергии. Других форм передачи энергии не существует. Первое начало термодинамики не исключает создания машины, способной превращать в полезную работу всю подводимую к ней энергию. Из первого начала следует важный вывод: вечный двигатель первого рода невозможен, т.е. нельзя построить периодически действующую машину, которая бы совершала работу больше подводимой к ней энергии.

Нулевое начало термодинамики Первое начало термодинамики – это закон сохранения и превращения энергии в изолированной системе, утверждение существования внутренней энергии, поэтому его называют принципом энергии. В 1847 г. энергия утвердилась как основная сохраняющая величина.Теплота и работа определяют способы передачи энергии. Все тепловые процессы в отличие от механического движения необратимы, т.е. Для них обратные процессы, при которых реализуются те же тепловые состояния, но только в обратном направлении, практически невозможны. Нулевое начало термодинамики: Равенство температур во всех точках есть условия равновесия для двух систем или двух частей одной и той же системы. Все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы.

Обратимые и необратимые процессы Любое изменение микросостояния тела или системы тел называется процессом Обратимым называется процесс, который, будучи проведенным в противоположном направлении, возвращает систему в первоначальное состояние и не вызывает при этом никаких изменений в окружающей среде. Если при возвращении системы в первоначальное состояние в окружающей среде произошли какое-либо изменения, процесс будет необратимым. Практика показала, что любые естественные процессы, протекающие в природе, необратимы.

Второе начало термодинамики Окружающая среда обладает колоссальным запасом тепловой энергии. Двигатель работающий только за счет энергии, находящихся в тепловом равновесии тел, был бы практически вечным. Анализ работы тепловых машин привел к открытию второго начала термодинамики, которое исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Р. Клаузиус: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым. Количественная формулировка второго начала термодинамики: направление тепловых процессов определяется законом возрастания энтропии: S = k ln W, где k – постоянная Больцмана, W – статистический вес состояния (число возможных способов осуществления к.-л. состояния). Второе начало термодинамики имеет вероятностный характер. Необратимость тепловых процессов также имеет вероятностныцй характер.

Второе начало – закон возрастания энтропии Энтропия – мера необратимости рассеяния энергии (Р. Клаузиус, 1865). В статистической физике энтропия – мера вероятности W осуществления какого-либо состояния. Возрастание энтропии численно равно количеству теплоты, сообщенной телу при квазистатическом процессе, деленному на температуру по шкале Кельвина. S = Q/T. Энтропия как мера беспорядка в системах (Л. Больцман). В замкнутой макроскопической системе энтропия при любом реальном процессе либо возрастает, либо остается неизменной: S 0. Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. Энтропия как мера неупорядоченности системы.

Второе начало – закон возрастания энтропии Энтропия впервые выступает в качестве своеобразной стрелы времени – необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Энтропия как мера неупорядоченности системы. Упорядоченным называется состояние, осуществляемое относительно малым количеством способом, неупорядоченное состояние – относительно многим. Неравнозначность взаимных превращений теплоты и работы, вытекающих из второго начала термодинамики означает: энергию упорядоченного движения можно полностью преобразовать в энергию хаотического (теплоту), но энергию хаотического нельзя полностью преобразовать в энергию упорядоченного.

Понятие «качества» или «ранга» энергии Понятие энтропии позволяет оценить энергию с точки зрения ее «качества» или «ранга». Высший ранг получают низкоэнтропийные виды энергии, способные превращаться в другие виды: механическая и электрическая энергии с упорядоченным движением частиц или зарядов могут полностью превращаться в тепловую энергию Низший ранг достается теплоте, поскольку энергию, запаченную при какой-то температуре, можно отдать лишь телу, обладающему более низкой температурой. Промежуточной является химическая энергия из-за тепловых явлений, сопровождающих реакции.

Второе начало термодинамики – принцип энтропии Второе начало термодинамики устанавливает направленность всех процессов в изолированных системах. Кельвин и Клаузис отделили это начало – хотя полное количество энергии сохраняется в любом процессе, распределение энергии изменяется необратимо. Поэтому второе начало термодинамики называют принципом энтропии. Для направления, в котором происходит изменение распределения энергии, оказывается не важно само количество энергии. Именно это сыграло важную роль в преобразовании энергии, запасенной в топливе, в движущую силу. Ограничения, установленные вторым законом термодинамики, показали, что трудно выделить упорядоченное движение из неупорядоченного.

Проблема тепловой смерти Вселенной Необратимое стремление к равновесию всякой системы, не обменивающейся энергией с другими системами, привело Р. Клаузиуса в середине XIX в. к ошибочному выводу о постепенном переходе всех видов энергии во Вселенной в энергию теплового движения. С течением времени энергия равномерно распределится по веществу Вселенной, тогда все макроскопические процессы в ней прекратятся. Такая гипотеза получила название «тепловая смерть Вселенной». Ограниченность такого вывода заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, к которым относится наша Вселенная.

Третье начало термодинамики Энтропия любой системы стремится к конечному пределу, не зависящему от давления, плотности или фазы, при стремлении температуры к абсолютному нулю (В. Нернст). Энтропия всякого тела стремится к нулю при стремлении к нулю температуры – тепловая теорема. Третье начало термодинамики предполагает атомное строение вещества. Теоремой Нернста завершается построение классической термодинамики.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КОНЦЕПЦИЯ Физическое поле – особая форма материи, связывающая частицы (объекты) вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действие одних частиц на другие. К физическим полям относятся электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантовые поля), соответствующие различным частицам (н-р, электрон-позитронное поле). Источником физических полей являются частицы. Электризация связана с разделением электрических зарядов.Электрические заряды могут взаимодействовать на расстоянии посредством электрического поля. Электрические поле – особое состояние среды, при котором на электрический заряд, помещенный в любую точку среды, действует электрическая сила.

Концепция дальнодействия и близкодействия Концепция дальнодействия – взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, и передача взаимодействия переходит мгновенно. Концепция близкодействия – взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве. Скорость передачи взаимодействия тел ограничена и не должна превышать скорость света в вакууме. Концепция корпускулярно-волнового дуализма: дискретные и непрерывные свойства материи едины и дополняют друг друга..

Электромагнитная теория Максвелла Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют только электрические заряды. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле – с порождаемым им магнитным полем, т.е. Электрические и магнитное поле неразрывно взаимосвязаны и образуют единое электромагнитное поле. Электромагнитное поле способно существовать вообще независимо от наличия электрических зарядов и электрических токов.

ВОЛНОВЫЕ И КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИИ Континуальность (непрерывность) и дискретность (прерывность) представляют собой две неразрывно связанные реальности объективного мира. Колебания – повторяющиеся во времени движения или процессы в природе. Резонанс (лат. откликаюсь) – резкое возрастание амплитуды (параметра) вынужденных установившихся колебаний при приближении частоты внешнего гармонического воздействия к частоте одного из собственных колебаний системы. Волны – это изменение состояния среды, распространяющиеся в ней без переноса вещества и несущие с собой энергию и импульс.

Волновое описание процессов Явление отражения Явление преломления Явление дисперсии – зависимость показателя преломления среды от частоты. Явление интерференции Явление дифракции Явление поляризации

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА Свет – электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве с конечной скоростью. Свет – поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямолинейным траекториям (И. Ньютон). Свет – упругая волна, распространяющаяся в мировом «эфире» *Гюйгенс). Свет имеет двойственную природу, сочетая в себе как волновые свойства, так и свойства, присущие частицам Фотоэффект, эффект Комптона).

Квантовые свойства света Испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом. Гипотеза Планка (1900 г.): излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия E которых определяется частотой ν: E = hν, где h – постоянная Планка. Свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств – корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного).

Кризис в физике Уравнения Максвелла являются неинварианты относительно преобразований Галилея. Теория эфира как абсолютной системы координат, к которой «привязаны» уравнения Максвелла, не нашли экспериментального подтверждения.