Состав ядер атомов. Радиоактивность ядер. Реакции деления и синтеза ядер.

Размер ядра составляет 10^-14 – 10^-15 метров (следуя опытам Резерфорда).

Атомное ядро состоит из протонов - положительно заряженных частиц и нейтронов.

Атомное ядро характеризуется зарядом Z (равное числу протонов в атоме и совпадающее с порядковым номером х/э)

Радиоактивность - способность некоторых ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра, испуская при этом радиоактивные излучения.

Р/излучение бывает трех типов: α, β и γ.

1)α-излучение характеризуется малой проникающей способностью и отклоняется электрическими и магнитными полями. Представляет собой поток ядер гелия.

2)β-излучение характеризуется большей проникающей способностью, но меньшей ионизирующей способностью. Представляет собой поток быстрых электронов.

)γ-излучение не отклоняется электрическими и магнитными полями, обладает слабой ионизирующей способностью, но большой способностью проникновения (при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию). Представляет собой коротковолновое э/м излучение с чрезвычайно малой длиной волны, и, вследствие этого - ярко выраженными корпускулярными свойствами.

Радиоактивным распадом называют естественное превращение ядер, происходящее самопроизвольно.

dN = λNdt

λ - постоянная радиоактивного распада, или

N = N₀e^–λt

Из формулы следует, что число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону (закон полураспада - делим N и t на 2!).

Деление тяжелых ядер. В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или β-частиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.

В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов: (99,3 %) и (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.

Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

Обратите внимание, что в результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.

Продукты деления ядра урана нестабильны, так как в них содержится значительное избыточное число нейтронов. Действительно, отношение N / Z для наиболее тяжелых ядер составляет примерно 1,6 (рис. 6.6.2), для ядер с массовыми числами от 90 до 145 это отношение порядка 1,3–1,4. Поэтому ядра-осколки испытывают серию последовательныхβ^–-распадов, в результате которых число протонов в ядре увеличивается, а число нейтронов уменьшается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией

Термоядерные реакции. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A < 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10^–15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 10⁸–10⁹ К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития

Элементарные и фундаментальные частицы. Обменный механизм взаимодействий.

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами.

Со времён первого открытия элементарной частицы (электрона) в 1897 году обнаружено уже более 400 элементарных частиц. Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались. Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;

три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

гравитон — гипотетическая частица, переносящая г гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель.

Фундаментальные взаимодействия. Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по энергиям и характерным временам их протекания. Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре вида взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам:сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти виды взаимодействий называют фундаментальными.

Сильное (или ядерное) взаимодействие – наиболее интенсивное. Оно обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы – адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка10–15 м и менее. Поэтому его называют короткодействующим.

Электромагнитное взаимодействие. В нем могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны – кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира.

Слабое взаимодействие – определяет ход наиболее медленных процессов, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона

а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ ≥ 10–10 с).

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезд, планет и т. п.) с их огромными массами.

В 30-е годы XX века возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Эта гипотеза первоначально была выдвинута нашими соотечественниками И. Е. Таммом и Д. Д. Иваненко. Они предположили, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате обмена частицами, подобно тому, как ковалентная химическая связь атомов возникает при обмене валентными электронами, которые объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия. Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами – квантами электромагнитного поля.

Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. Эти частицы получили название π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: π+, π– и π0 (см. табл. 6.9.1).

В 1957 году было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых векторных бозонов W+, W– и Z0, обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия. Эти частицы были обнаружены в 1983 году в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов явилось очень важным достижением физики элементарных частиц. Это открытие ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие. Эта новая теория рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом участвуют векторные бозоны.

5.1 Молекурярно-кинетические представления о строении вещества в различных агрегатных состояниях.

Статистический метод описания состояния и поведения систем многих частиц.

Распределение молекул идеального газа по состояниям.:

Тела, которые нас окружают (твердые, жидкие, газообразные) воспринимаются нашими органами чувств как сплошные. Однако, тела не сплошные, а состоят из мельчайших невидимых невооруженным глазом частичек, расположенных не вплотную друг к другу, а на некотором расстоянии. Называют эти мельчайшие частицы вещества молекулами (уменьшительное от латинского слова "масса").

Демокрит (V в. до н. э.) назвал мельчайшие частицы, из которых состоят все тела в мире, атомами (неделимыми). Согласно Демокриту атомы имеют разные размеры, вес, форму и т.п

1) Все вещества состоят из мельчайших частиц - молекул. Молекула - наименьшая частица вещества, сохраняющая все его химические свойства. Все молекулы, образующие данное вещество, совершенно одинаковы. Молекулы состоят из атомов. Атом - мельчайшая частица химического элемента (105 шт.- 94 природных и 11 искусственных).

2) Между молекулами тела одновременно действуют силы взаимного притяжения и отталкивания.

3) Молекулы, образующие тела находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения (осцилляции).

Скорость движения молекул тем выше, чем выше температура тела. Температура - мера средней кинетической энергии молекул тела. Скорость движения молекул тела, определяющих кинетическую энергию, определяет тепловое состояние тела, величину его внутренней энергии. Хаотическое движение молекул называют тепловым.

Расщепление молекулы на атомы называется диссоциацией. Диссоциация происходит под действием 1) высокой температуры, 2) химических реакций, 3) облучения.

В основу термодинамики входят два метода исследования частиц: термодинамический и статический.

Поведение громадного числа молекул, составляющих макротела, изучается статистическим методом, который основан на том, что свойства макротел определяются свойствами молекул, особенностями их движения (скоростью, энергией, импульсом и т.д.) и взаимодействия. Например, температура может быть выражена через среднее значение кинетической энергии движения молекул. Статистический метод дает представление о механизме тепловых процессов, рассматривая их как бы изнутри макротел, он существенно дополняет термодинамический метод. Основные законы термодинамики также имеют статистический смысл.

В газе, находящемся в состоянии равновесия, установится некоторое стационарное (не меняющееся со временем) распределение молекул по скоростям, которое подчиняется вполне определенному статистическому закону. Такой закон был теоретически выведен Максвеллом.

При выводе этого закона Максвелл предполагал, что газ состоит из очень большого числа N тождественных молекул, находящихся в состоянии беспорядочного теплового движения при одинаковой температуре. Предполагалось также, что внешние поля на газ не действуют.

Закон Максвелла описывается некоторой функцией f(v), называемой функцией распределения молекул по скоростям. Различают три формы записи распределения Максвелла.

5.2 Термодинамический метод описания состояния и поведения систем многих частиц.

Термодинамические параметры, их связь по средним значениям характеристик молекул:

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа, внутренняя энергия идеального газа, температура.

Для изучения тепловых процессов в естествознании сформировался термодинамический метод исследования. Он заключается в том, что термодинамическая система рассматривается как один целостный объект (а не как множество ее элементов, молекул), и ее состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами системы), характеризующими ее свойства. В качестве таковых обычно выбирают абсолютную температуру(температуру по шкале Кельвина – Т), давление(Р), молярный объем (объем одного моля вещества – VМ). Параметры связаны друг с другом, поэтому состояние системы можно представить в виде уравнения. Например, для идеального газа массой в один моль эту связь выражает уравнение Менделеева-Клапейрона:

PVМ = RT, (5.1).где R = 8,314 Дж/моль * К – универсальная газовая постоянная.

ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ где S - площадь этой поверхности; - сумма приложенных перпендикулярно сил. При неравномерном распределении сил по поверхности равенство определяет среднее давление на данную площадку, а в пределе, при стремлении S к кулю, - давление в данной точке:

По кинетической теории давление газа на стенки сосуда возникает в результате непрерывных ударов о них отдельных молекул. Эти удары молекул о стенки приводят к некоторым смешениям частиц материала стенки и, значит, к ее деформации. Деформированная же стенка действует на газ упругой силой, направленной в каждой точке перпендикулярно к стенке. Сила эта равна по абсолютному значению и противоположна по направлению силе, с которой газ действует на стенку.

Определение температуры в кинетической теории газов. В кинетической теории газов доказывается, что если две подсистемы (из одинаковых или разных молекул) могут обмениваться энергией, то в состоянии равновесия оказываются равными средние кинетические энергии поступательного движения их молекул. Исходя из этого, кинетическая теория газов определяет температуру как величину, пропорциональную средней кинетической энергии поступательного движения молекулы:

где k — постоянная Больцмана, которая выражается через универсальную газовую постоянную и число Авогадро (см. разд. 2.1): k = R/Na ~1,38•10 -23 Дж/К. Коэффициент пропорциональности выбран так, чтобы уравнение состояния идеального газа.

Внутренняя энергия данной массы идеального газа зависит только от его температуры и не зависит ни от давления, ни от объема.

5.3 Уравнение состояния идеального газа. Уравнения изопроцессов идеального газа.

Соотношение называется уравнением состояния идеального газа. Для одного моля любого газа это соотношение принимает вид: pV=RT.

Изотермический процесс (T = const) Изотермическим процессом называют квазистатический процесс, протекающий при постоянной температуре T. pV = const

Изохорный процесс (V = const) Изохорный процесс – это процесс квазистатического нагревания или охлаждения газа при постоянном объеме V и при условии, что количество вещества ν в сосуде остается неизменным.

Изобарный процесс (p = const ) Изобарным процессом называют квазистатический процесс, протекающий при неизменным давлении p.

5.4 Внутренняя энергия, способы ее изменения. Способы теплообмена. Количество теплоты. Первый закон термодинамики как закон сохранения энергии.

Газ, находящийся в состоянии термодинамического равновесия, можно характеризовать внутренней энергией. Внутренней энергией называют полную энергию его молекул. В термодинамике она включает в себя суммарную кинетическую энергию теплового движения молекул и потенциальную энергию их взаимодействия.

Существует два способа изменения внутренней энергии системы – механическая работа и теплопередача (теплообмен).

Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называется

теплообменом (теплопередачей).

Существует три вида теплообмена:

1. теплопроводность;

2. конвекция;

3. излучение.

Первый закон термодинамики - это закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления. Он показывает, от каких причин зависит изменение внутренней энергии.

термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел остается постоянной, изменяться может лишь внутренняя энергия каждого тела.

В общем случае при переходе системы из одного состояния в другое внутренняя энергия изменяется одновременно как за счет совершения работы, так и за счет передачи теплоты.

Первый закон термодинамики формулируется именно для таких общих случаев:

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

Если система является изолированной, то работа внешних сил равна нулю (А = 0) и система не обменивается теплотой с окружающими телами (Q = 0). В этом случае согласно первому закону термодинамики или U1=U2. Внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной (сохраняется).

Внутренняя энергия термодинамической системы может изменяться двумя способами: посредством совершения работы над системой и посредством теплообмена с окружающей средой. Энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой, называется коли́чеством теплоты́ или просто теплотой.

5.5 Работа газа, теплоемкость, изменение внутренней энергии, первый закон термодинамики при изопроцессах.

Работой газа называется его неквазистатическое расширение, а также последующее давление на определенную поверхность (как правило данный закон выполним для газа, находящегося в закрытом пространстве, например, поршне) под действием внешних сил.Теплоемкость– свойство материала поглощать определенное количество тепла при нагревании и выделять его при охлаждении.Газ, находящийся в состоянии термодинамического равновесия, можно характеризовать внутренней энергией.

Внутренней энергией называют полную энергию его молекул. В термодинамике она включает в себя суммарную кинетическую энергию теплового движения молекул и потенциальную энергию их взаимодействия.Закон Генри — закон, по которому при постоянной температуре растворимость газа в данной жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором. Закон пригоден лишь для идеальных растворов и невысоких давлений. Собственно, закон Генри констатирует достаточно простой факт: чем выше давление газа над поверхностью жидкости, тем труднее растворенному в ней газу высвободиться. И это совершенно логично с точки зрения молекулярно-кинетической теории, поскольку молекуле газа, чтобы вырваться на свободу с поверхности жидкости, нужно преодолеть энергию соударений с молекулами газа над поверхностью, а чем выше давление и, как следствие, число молекул в приграничной области, тем сложнее растворенной молекуле преодолеть этот барьер.

Количество теплоты. Теплоемкость.

Принцип равнораспределения энергии по степеням свободы молекул и теплоемкость идеальных газов при изопроцессах.

Количество теплоты.

Количеством теплоты (Q) называется изменение внутренней энергии тела, происходящее в результате теплопередачи. Количество теплоты всегда передается от более горячих тел к более холодным до достижения ими одинаковой температуры (теплового равновесия), если нет иных процессов, кроме теплопередачи.В замкнутой системе тел выполняется уравнение теплового балланса: Q1 + Q2 + ... = 0 - количество теплоты, которое теряют горячие тела, равно количеству тепла, получаемому холодными.

Первый закон термодинамики(Q=ΔU+A')

Количество теплоты, переданное телу,

идет на изменение его внутренней энергии (ΔU)

и на совершение им работы(A').

Теплоемкость.

ТЕПЛОЁМКОСТЬ -отношение подведенного к телу количества теплоты ΔQ к достигнутой при этом разности температур тела ΔT(кол-во теплоты,поглощаемой телом при нагревании):

Удельная теплоемкость — это способность разных веществ к поглощению теплоты при их нагревании.

Удельная теплоемкость вещества определяется отношением количества теплоты, полученной им при нагревании, к массе вещества и изменению его температуры:

Молярная теплоемкость — количество теплоты, необходимое для нагревания 1 моль вещества на 1 К:

Принцип равнораспределения энергии по степеням свободы молекул.

В статистической физике выводится закон Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы молекул: для статистической системы, которая находится в состоянии термодинамического равновесия, на каждую поступательную и вращательную степени свободы приходится в среднем кинетическая энергия, равная kT/2 , а на каждую колебательную степень свободы — в среднем энергия, равная kT. Колебательная степень обладает вдвое большей энергией, т.к. на нее приходится как кинетическая энергия (как в случае поступательного и вращательного движений), так и потенциальная, причем средние значения потенциальной и кинетической и энергии одинаковы. Значит, средняя энергия молекулы:

где i — сумма числа поступательных, числа вращательных в удвоенного числа колебательных степеней свободы молекулы: i = iпост. + iвращ. + 2iколеб.

Закон равнораспределения показывает, что при тепловом равновесии, любая степень свободы (компоненты векторов положения или скорость частицы), которая появляется только как квадратичная функция в энергии, обладает средней энергией равной ½k в T и поэтому вносит вклад ½k в теплоёмкость системы.

Теплоемкость идеальных газов при изопроцессах.

1)Изохорический (изохорный) процесс – процесс изменения состояния газа, при котором объём газа остаётся постоянным: V=const.Для изохорического процесса:

Работа газа при изохорном процессе равна нулю: А=0.

Все полученное тепло идет на изменение внутренней энергии в соответствии с первым началом термодинамики:

Молярная теплоемкость при изохорном процессе:

(Q-количество теплоты,c-удельная теплоемкость,M-молярная масса,i-количество степеней свободы,R-универсальная газовая постоянная,T-температура).

Изобарический (изобарный) процесс - процесс изменения состояния газа, при котором давление газа остаётся постоянным: р = const. Для изобарного процесса:

Работа газа при изобарном расширении:

Изменение внутренней энергии:

Количество полученного тепла в соответствии с первым началом термодинамики:

Молярная теплоемкость при изобарном процессе:

Изотермический процесс- процесс изменения состояния газа, при котором температура газа остаётся постоянным: Т = const. Для изотермического процесса:

PV=const

Работа газа при изотермическом расширении:

Изменение внутренней энергии при изотермическом процессе равно нулю:

Все полученное тепло идет на совершение работы в соответствии с первым началом термодинамики:

Круговые процессы, их к.п.д. К.п.д. идеального и реального цикла Карно.

Круговые процессы, их к.п.д.

Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное.

Круговые процессы называется прямым, если его результатом является совершение работы над внешними телами и переход определённого количества теплоты от более нагретого тела (нагревателя) к менее нагретому (холодильнику).

Термический к.п.д. в круговых процессах определяется по формуле

К.п.д. идеального и реального цикла Карно.

В термодинамике цикл Карно — это обратимый круговой процесс, состоящий из двух адиабатических и двух изотермических процессов. В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой — холодильником.

Коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

Из последнего выражения следует, что КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит ни от устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела. Этот результат составляет содержание первой теоремы Карно. Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля, а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм.

К.п.д. цикла Карно одинаков и для идеального и для реального газа.

Обратимые и необратимые процессы. Необратимость механических, тепловых, электромагнитных процессов; особенность тепловой энергии.

Термодинамическая вероятность и энтропия.

Второй закон термодинамики. Изменение энтропии при изопроцессах.

Порядок и беспорядок и направление реальных процессов в природе.

Обратимым называется процесс, который отвечает следующим условиям:

1. его можно провести в двух противоположных направлениях;

2. в каждом из этих случаев система и окружающие ее тела проходят через одни и те же промежуточные состояния;

3. после проведения прямого и обратного процессов система и окружающие ее тела возвращаются к исходному состоянию.

Всякий процесс, не удовлетворяющий хотя бы одному из этих условий, является необратимым.

Механические ,тепловые ,электромагнитные процессы в природе имеют определенную направленность и протекают только в одномопределенном направлении. В обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут. Для правильного понимания необратимости процессов необходимо сделать следующее уточнение: необратимыми называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать лишь в одном определенном направлении; в обратном направлении они могут протекать только при внешнем воздействии.

Реальные процессы сопровождаются диссипацией энергии (из-за трения ,теплопроводности и т.д.).Обратимые процессы- это идеализация реальных процессов.

Термодинамическая вероятность и энтропия.

Энтропия — это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия, тем хаотичнее движение материальных частиц, составляющих систему.

Для определения физического содержания энтропии берут отношение теплоты Q, которое получило тело в изотермическом процессе, к температуре Т теплоотдающего тела, называемое приведенным количеством теплоты.

Приведенное количество теплоты, которое сообщается телу на малом участке процесса, равно δQ/T. Строгий формальный анализ показывает, что приведенное количество теплоты, которое сообщается телу в любом обратимом круговом процессе, равно нулю:

Из равенства нулю интеграла, взятого по замкнутому контуру, следует, что подынтегральное выражение δQ/T есть полный дифференциал некоторой функции, которая определяется только состоянием системы и не зависит от пути, которым система пришла в это состояние. Таким образом,

Функция состояния, у которой дифференциал равен δQ/T, называется энтропией и обозначается S.

Термодинамическая вероятность W состояния системы — это число способов, с помощью которых может быть реализовано данное состояние макроскопической системы, или число микросостояний, которые осуществляют данное макросостояние.

Cогласно Больцману, энтропия cиcтемы и термодинамическая вероятность связаны между собой следующим образом:

,где k — постоянная Больцмана.

Таким образом, энтропия определяется логарифмом числа микросостояний, с помощью которых может быть осуществлено данное макросостояние. Значит, энтропия может рассматриваться как мера вероятности состояния термодинамической системы. Формула Больцмана позволяет дать энтропии следующее статистическое толкование: энтропияявляется мерой неупорядоченности системы. Действительно, чем больше число микросостояний, которые реализуют данное макросостояние, тем больше энтропия. В состоянии равновесия — наиболее вероятного состояния системы — число микросостояний максимально, при этом также максимальна и энтропия.

Второй закон термодинамики.

Второй закон термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов, которые могут происходить в термодинамических системах.

Второй закон термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю.

Изменение энтропии при изопроцессах.

Энтропия системы является функцией ее состояния, определенная с точностью до произвольной постоянной.

Таким образом, по формуле можно определить энтропию лишь с точностью до аддитивной постоянной, т.е. начало энтропии произвольно. Физический смысл имеет лишь разность энтропий.
Исходя из этого, найдем изменения энтропии в процессах идеального газа.
Так как при Т = const,

, или

Таким образом, изменение энтропии ΔS_1-2 идеального газа при переходе его из состояния 1 в состояние 2 не зависит от вида перехода 1 - 2.
Каждый из изопроцессов идеального газа характеризуется своим изменением энтропии, а именно:

· изохорический: , т.к. ;

· изобарический: т.к. Р₁ = Р_2;

· изотермический: т.к. ;

· адиабатический: ’ т.к.

Отметим, что в последнем случае адиабатический процесс называют изоэнтропийным процессом, т.к. .

Порядок и беспорядок и направление реальных процессов в природе.

На молекулы не действуют силы из вне, если между молекулами практически не действуют силы сцепления, то возникает идеальный беспорядок в их расположении. Чтобы избавиться от сил сцепления между молекулами, тело надо нагреть, расплавить и испарить. Труднее избавиться от внешних сил, прежде всего от силы тяжести. Однако в тонком по вертикале слое газа влияние силы тяжести не скажется. Молекулы такого слоя газа расположены в совершенном беспорядке.

Переход тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому это переход от беспорядка к порядку. При фазовых превращениях условие равновесия двух фаз наступает тогда, когда возможности теплового движения (стремление к беспорядку) в одной из них компенсируются большей устойчивостью (стремление к порядку) в другой. Если температура растет, то беспорядок берет верх. Если температура падает, то стремление к устойчивости (к порядку) ведет к соответствующему фазовому переходу.

Вязкость. Основной закон вязкого течения Ньютона.

Молекулярно-кинетическая теория вязкости газов.

Вязкость -внутреннее трение, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.

Основной закон вязкого течения был установлен Ньютоном:

где F — тангенциальная сила, вызывающая сдвиг слоёв жидкости (газа) относительно друг друга; S — площадь слоя, по которому происходит сдвиг; (v₂ — v_l)/(z₂— z₁) — градиент скорости течения (быстрота изменения её от слоя к слою), иначе — скорость сдвига. Коэффициент пропорциональности η называется коэффициентом динамической вязкости или просто вязкости. Он количественно характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению её слоёв. Величина, обратная вязкости, φ =¹/_η называется текучестью.

Вязкость любых жидкостей проявляется при перемещении в потоке разных слоев друг относительно друга с различной скоростью. Свободнодисперсные жидкообразные системы обладают вязкостью и способностью течь.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет вязкость движением и взаимодействием молекул. В газах расстояния между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому вязкость газов определяется главным образом молекулярным движением. Между движущимися относительно друг друга слоями газа происходит постоянный обмен молекулами, обусловленный их непрерывным хаотическим (тепловым) движением. Переход молекул из одного слоя в соседний, движущийся с иной скоростью, приводит к переносу от слоя к слою определённого количества движения. В результате медленные слои ускоряются, а более быстрые замедляются. Работа внешней силы F, уравновешивающей вязкое сопротивление и поддерживающей установившееся течение, полностью переходит в теплоту.

Вязкость газа не зависит от его плотности (давления), так как при сжатии газа общее количество молекул, переходящих из слоя в слой, увеличивается, но зато каждая молекула менее глубоко проникает в соседний слой и переносит меньшее количество движения (закон Максвелла). Для вязкости идеальных газов в молекулярно-кинетической теории даётся следующее соотношение:

где m — масса молекулы, n — число молекул в единице объёма, Длина свободного пробега молекулы между двумя соударениями её с другими молекулами. Так как Т (несколько возрастает также и λ), то В. газов увеличивается при нагревании (пропорционально

Теплопроводность. Закон Фурье.

Молекулярно-кинетическая теория теплопроводности газов.

В любом неравномерно нагретом теле теплота передается от более теплых его частей к более холодным. Это явление называется теплопроводностью. Используя молекулярно-кинетическую теорию, можно найти скорость, с которой газ проводит тепло. Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур .

Теория теплопроводности рассматривает тело как непрерывную среду. Согласно основному закону теплопроводности - закону Фурье - вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален вектору градиента температуры:

где - коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К). Он характеризует способность вещества, из которого состоит рассматриваемое тело, проводить теплоту.

Градиент— вектор, своим направлением указывающий направление наибольшего возрастания некоторой величины , значение которой меняется от одной точки пространства к другой (скалярного поля), а по величине (модулю) равный быстроте роста этой величины в этом направлении.

Знак «-» указывает на противоположное направление вектора теплового потока и вектора градиента температуры. Вектор плотности теплового потока q всегда направлен в сторону наибольшего уменьшения температуры.

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 187; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 9 10 11 12 13 14 15 16 1718

Мы поможем в написании ваших работ!