Подготовка к вступительным экзаменам в МГУ. Физика - Гомонова А.И.
Скачать (прямая ссылка):
2.1.23. Вертикальная цилиндрическая трубка с запаянными концами
разделена на две части тонким горизонтальным поршнем, способным
перемещаться вдоль нее без трения. Верхняя часть трубки заполнена неоном,
а нижняя - гелием, причем массы газов одинаковы. При некоторой
температуре поршень находится точно посередине трубки. После того, как
трубку нагрели, поршень переместился вверх и стал делить объем трубки в
отношении 1:3. Определить, во сколько раз а возросла абсолютная
температура газов.
Молярная масса неона MNe = 20 г/моль, молярная масса гелия
МНе = 4 г/моль.
108
Элементы термодинамики
2.1.24. Идеальный газ переводится из состояния р\ - 200 кПа, Т\ - 500
К в состояние pi = 138 кПа, Т2 = 300 К так, что объем газа меняется по
закону V - а + ЬТ, где а и b - постоянные, Т\> Т > Тг. Определить
максимальную концентрацию Пд молекул газа в этом процессе. Постоянная
Больцмана к = 1,38 • 10"23 Дж/К.
2.1.25. В баллоне объемом V - 10 л содержится водород при температуре
t = 20° С под давлением р = 107 Па. Какая масса Ат водорода была выпущена
из баллона, если при полном сгорании оставшегося газа образовалось т - 50
г воды? Универсальная газовая постоянная R - 8,3 Дж/(моль К); молярные
массы: водорода Мн? = 2 г/моль, воды Мн,0 = 18 г/моль.
2.2. Элементы термодинамики
Вопросы программы
• Термодинамическая система. Внутренняя энергия системы. Количество
теплоты и работа как меры изменения внутренней энергци. Теплоемкость
тела. Понятие об адиабатическом процессе. Первый закон термодинамики.
Применение первого закона термодинамики к изопроцессам. Расчет работы
газа с помощью pV - диаграмм. Теплоемкость одноатомного идеального газа
при изохорном и изобарном процессах.
• Необратимость процессов в природе. Второй закон термодинамики.
Физические основы работы тепловых двигателей. КПД теплового двигателя и
его максимальное значение.
Определения, понятия и законы
Термодинамика - это наука о наиболее общих тепловых свойствах
макроскопических тел. Термодинамический подход не требует ка-ких-либо
конкретных предположений о строении вещества, поэтому выводы
термодинамики имеют универсальный характер. Законы термодинамики
справедливы для всех тел независимо от их внутреннего строения.
Определения, понятия и законы
109
Термодинамическая система - это совокупность макроскопических тел,
которые могут взаимодействовать между собой и другими телами (внешней
средой). Термодинамическая система состоит из настолько большого числа
структурных частиц (атомов и молекул), чтобы ее состояние можно было
характеризовать макроскопическими параметрами: плотностью, давлением,
концентрацией веществ, образующих систему, и т.д.
Термодинамическая система находится в равновесии, если ее параметры не
меняются во времени и в системе нет потоков энергии и вещества. Для
равновесных термодинамических систем вводится понятие температуры как
параметра состояния, имеющего одинаковое значение для всех
макроскопических частей системы.
Термодинамические системы, не обменивающиеся с другими системами ни
энергией, ни веществом, называются изолированными. Если система не
изолирована, то ее состояние может меняться; изменение состояния системы
называется термодинамическим процессом.
Внутренняя энергия системы. Все макроскопические тела наряду с
механической энергией обладают также энергией, зависящей от внутреннего
состояния тел. Эту энергию называют внутренней. С точки зрения
молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия макроскопического тела
равна сумме кинетических энергий хаотического движения всех молекул (или
атомов) и потенциальных энергий взаимодействия молекул друг с другом (но
не с молекулами других тел.
Внутренняя энергия идеального газа равна кинетической энергии
хаотического движения молекул, поскольку потенциальная энергия
взаимодействия молекул равна нулю. Наиболее просто рассчитывается
внутренняя энергия одноатомных газов, состоящих из отдельных атомов, а не
молекул. Одноатомными являются инертные газы: гелий, неон, аргон и др. С
точки зрения механики одноатомный газ представляет собой систему частиц,
которые совершают только поступательное движение. Молекулы двух- (и
более) атомных газов могут совершать и другие виды движения -
вращательное и коле-
110
Элементы термодинамики
бательное, с которыми тоже связана определенная энергия. Поскольку
средняя кинетическая энергия молекулы одноатомного - 3
газа равна Е =- кТ , внутренняя энергия одного моля такого газа
U = -N.kT = -RT. (2.2.1)
2 А 2
Для v = - молей одноатомного идеального газа внутренняя М
энергия
U = -vRT. (2.2.2)
2
Внутренняя энергия данной массы идеального газа зависит только от
температуры и не зависит ни от давления, ни от объема газа, (для
неидеальных газов, а также других веществ, это, вообще говоря, неверно).
Количество теплоты и работа как меры изменения внутренней энергии. Расчет
работы газа с помощью рУ - диаграмм. Понятия об энергии и мере ее
