|
|
|
|
 Far |
| WinNavigator |
| Frigate |
| Norton
Commander |
| WinNC |
| Dos
Navigator |
| Servant
Salamander |
| Turbo
Browser |
|
|
| Winamp,
Skins, Plugins |
| Необходимые
Утилиты |
| Текстовые
редакторы |
| Юмор |
|
|
|
File managers and best utilites |
Реферат: Основы термодинамики 2. 1 закон термодинамики реферат по физике
Доклад - Основы термодинамики - Физика
Реферат на тему:
«Первый закон термодинамики»
«Первый закон термодинамики, как и закон сохранения энергии в механике, часто дает возможность исследовать тепловые процессы в макроскопических системах даже в тех случаях, когда нам не известны детали микроскопической картины изучаемых явлений.
Первый закон универсален, он применим ко всем без исключения тепловым процессам в любых системах. Как и всякий закон сохранения, он не дает детальной информации о ходе процесса, но позволяет составить уравнение баланса, если заранее известно, какие энергетические превращения происходят в рассматриваемой системе.
Сделаем несколько замечаний о смысле входящих в уравнение первого закона величин. Количество переданной теплоты было определенно как мера изменения внутренней энергии системы при теплопередаче. Но не всегда подведение к системе теплоты приводит к изменению ее внутренней энергии. Например, при изотермическом расширении идеального газа подведение теплоты не сопровождается увеличением внутренней энергии газа. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и при изотермическом процессе не меняется, но газ совершает работу, и величина этой работы равна подводимому к системе количеству теплоты.
Совершение внешними силами механической работы над системой также может не сопровождаться изменением ее внутренней энергии. Если сжимать идеальный газ, принимая меры к тому, чтобы его температура при этом не увеличивалась, то внутренняя энергия газа останется без изменения, а окружающим телам перейдет некоторое количество теплоты, равное совершенной над газом при его сжатии работе»[1] .
«Применение первого закона термодинамики к процессам в одноатомных идеальных газах
1. Изотермический процесс (Т = const):
При изотермическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит и в форме теплопередачи, и в форме работы. Все подведенное к идеальному газу тепло затрачивается на совершение работы.
Если газ получает теплоту (Q > 0), то он совершает положительную работу (А` > 0), если газ отдает теплоту (Q < 0), то А` < 0. Работа внешних сил над газом в этом случае положительная (А > 0).
2. Изобарический процесс (р = const):
При изобарическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит в форме работы и теплопередачи. Сообщенная идеальному газу теплота затрачивается и на изменение внутренней энергии, и на совершение газом работы:
3. Изохорический процесс:
При изохорическом процессе обмен между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме теплопередачи. Вся подведенная к идеальному газу теплота затрачивается на изменение его внутренней энергии:
4. Адиабатический процесс (Q = 0):
Адиабатический процесс — процесс, при котором физическая система не получает теплоты извне и не отдает ее. Этот процесс протекает без теплообмена с окружающими телами.
При адиабатическом процессе:
При адиабатическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме работы. Работа при адиабатическом процессе совершается за счет изменения внутренней энергии газа.
Если А` > 0 (газ расширяется), то дельта U < 0 — температура газа понижается. Если же А` < 0 (газ сжимается), то дельта U > О — температура повышается»[2] .
«Змеевик как тепловая машина. Посмотрим как происходит протекание газа через змеевик. Если в змеевике газ охлаждается, т.е. отдает теплоту (Q<0), то совершаемая работа над газом положительна – внешние силы «проталкивают» газ через змеевик. Если теплота подводится к газу (Q>0), то наш змеевик подобен тепловой машине – газ сам совершает работу над внешними телами. Этот результат не зависит от того, какова величина давления газа на выходе и на входе. Единственное условие при этом – давление на входе должно быть больше давления на выходе, иначе газ просто потечет в обратную сторону.
Попробуем при помощи компрессора прокачивать через змеевик газ в вакуум. Для того чтобы процесс можно было считать стационарным, сечение выходного отверстия нужно сделать много меньше сечения входного. Змеевик теплоизолируем от окружающей среды.
Совершаемая компрессором над газом работа положительна и равна полной совершаемой над газом работе, ибо, выходя за вакуум, газ работы не совершает. Так как нет обмена теплотой, налицо противоречие с утверждением о том, что при адиабатическом протекании работа равна нулю.
Это противоречие возникло потому, что при прокаичвании газа в вакуум происходят и такие энергетические превращения, которые были совершенно несущественны. Действительно, первый закон термодинамики использовался в виде Q + A = U, где U – внутренняя энергия газа. Поэтому при использовании такой формулировки первого закона термодинамики заранее молчаливо предполагается, что в рассматриваемых процессах не происходит изменения механической энергии системы, т.е. не меняется потенциальная энергия газа как целого во внешнем поле, не меняется и кинетическая энергия движения газа как целого, не возникает в газе никаких макроскопических потоков. Теперь уже становится ясно, что при прокачивании газа в вакуум возникает макроскопический направленный поток, кинетическую энергию которого необходимо учитывать. Работа компрессора в этом случае как раз и определяет кинетическую энергию этого потока.
Если вход и выход змеевика расположены на разной высоте, то в уравнении закона сохранения энергии необходимо учитывать и изменение потенциальной энергии газа в поле тяжести, подобно тому как это делалось в гидродинамике при выводе уравнения Бернулли»[3].
Список использованной литературы:
1) Бутиков Е.И., Кондратьев А.С., Уздин В.М. Физика. Строение и свойства вещества. М. – С.-П., ФИЗМАТЛИТ.
2) Учебник «Физика-10» В.А.Касьянов, М., Дрофа, 2003.
3) www.fizika.asvu.ru/page.php?id=34 — Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы
Реферат
по дисциплине Концепции современного естествознания
на тему:
«Первое начало термодинамики».
«Термодинамика – это раздел физики, изучающий общие закономерности обмена тепловой энергии между системами, системой и внешней средой и производства работы за счет этой энергии».[4]
«Законы термодинамики описывают тепловые свойства тел, число молекул в которых огромно. Такие тела называются макросистемами. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т.п. – все это примеры макросистем. Тепловые свойства макросистем определяются термодинамическими параметрами (параметрами состояния): температурой, давлением и удельным объемом (объемом единицы массы)».[5]
«Изучая механику, мы говорили о двух формах энергии: кинетической и потенциальной. При переходе к изучению состояния газов было введено понятие температуры, как меры энергии хаотического движения молекул. Энергию хаотического движения молекул мы называли внутренней энергией газа. При изучении термодинамики для достижения максимальной наглядности пользуются модельными представлениями. Самая общая термодинамическая модель включает в себя: внешние источники тепловой энергии, рабочее тело и внешний приемник тепловой энергии, в который можно отводить энергию, накопленную в рабочем теле».[6]
«Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: совершение работы и теплообмен.
Известно, что в процессе превращения энергии действует закон сохранения механической энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Данное утверждение составляет основу первого начала термодинамики».[7]
«Первый закон термодинамики можно сформулировать так: количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:
».[8]
«Первое начало термодинамики является частным случаем закона сохранения энергии. В каком бы виде ни подводилась энергия к системе, всегда эта энергия расходуется на два процесса: 1) на повышение внутренней энергии системы; 2) на совершение системной работы».[9]
«Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель, который совершал бы работу «из ничего» без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу».[10]
«При изохорном процессе объем газа остается постоянным, поэтому газ не совершает работу.
Изменение внутренней энергии газа происходит благодаря теплообмену с окружающими телами:
При изотермическом процессе постоянна температура, поэтому внутренняя энергия не изменяется.
При изотермическом процессе количество теплоты, переданное газу от нагревателя, полностью расходуется на совершение работы:
Q = A.
При изотермическом расширении газа, находящегося в цилиндре под поршнем, молекулы газа, сталкиваясь с поршнем, уменьшает свою скорость и соответственно среднюю энергию, поэтому для поддержания постоянной температуры газа к нему подводится дополнительное количество теплоты.
При изотермическом сжатии газа (А<0) для сохранения постоянной температуры от газа отводится определенное количество теплоты (Q<0).
При изобарном расширении газа подведенное к нему количество теплоты расходуется на увеличении его внутренней энергии (U>0) и на совершение работы газом (А>0):
».[11]
Список использованной литературы:
1) Грибов Л.А., Прокофьева Н.И. Основы физики. М.: Гардарика, 1998
2) Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: Академический проект, 2003
3) Касьянов В.А. Физика. М.: Дрофа, 2003
Электролиты. Причины диссоциации
«Одной из характерных особенностей водных растворов солей, кислот и оснований является их электролитическая проводимость. В то же время дистиллированная вода очень плохо проводит электрический ток, а сухие кристаллические соли или щелочи вообще не обладают этой способностью.
Изучая свойства растворов солей, кислот и оснований, С. Аррениус пришел к заключению, что под действием молекул воды вещества в растворе подвергаются ионизации.
Вещества, водные растворы которых обладают электрической проводимостью, называют электролитами.
К электролитам относятся соединения, молекулы которых характеризуются полярной или ионной связью.
Вещества, водные растворы которых не проводят электрический ток, называют неэлектролитами.
Процесс распада электролита на ионы в водном растворе называют электролитической диссоциацией.
Механизм электролитической диссоциации позднее получил объяснение в связи с разработкой теории химической связи и химического равновесия. Распад электролита на ионы в растворе происходит в результате сложного физико-химического взаимодействия молекул с полярными молекулами воды. Если поместить кристаллы хлорида натрия в воду, то полярные молекулы воды принимают упорядоченное направленное положение по отношению к ионам в кристаллической решетке соли. Под влиянием этого взаимодействия и теплового движения молекул воды хлорид натрия распадается на ионы:
NaClNa+ + Cl-
В данном случае происходит взаимодействие молекул воды с ионами в кристаллической решетке соли, в результате чего гидратированные ионы переходят в раствор (Рис.1).
О том, насколько велика роль растворителя для процесса диссоциации, можно судить по поведению хлороводорода в воде и, например, в бензоле.
Раствор HCl в бензоле электрической проводимостью не обладает, следовательно, в данном растворе отсутствуют ионы, т.е. не происходит диссоциации. Водный же раствор хлороводорода содержит ионы Н+ и Сl-, хотя газообразный HCl представляет собой молекулу с полярной ковалентной связью.
При воздействии диполей воды полярная связь в HCl еще больше поляризуется и в конце концов происходит ионизация молекулы HCl:
HClН+ + Сl-
Рис.1. Распад кристаллов хлорида натрия на отдельные ионы под влиянием диполей воды:
а – открытых отдельных ионов; б – гидратированные ионы натрия и хлора в растворе
Далее ион водорода Н+ присоединяется к атому кислорода в молекуле Н2 О по донорно-акцепторному механизму. Пару электронов для образования связи поставляет атом кислорода. Следовательно, суммарно диссоциацию HCl можно изобразить уравнением:
HCl + Н2 О Н3 О+ + Сl-
Образующийся ион Н3 О+ называется гидроксонием»[12].
«Стрелки показывают, что процесс идет в двух направлениях: наряду с диссоциацией молекулы на два иона идет обратный процесс рекомбинации (воссоединения) ионов в нейтральную молекулу.
Положительные ионы, движущиеся к катоду, называются катионами, отрицательные – анионами, т.е движущиеся к аноду.
Заметим, что если молекулы растворенного вещества не диссоциируют на ионы, то раствор не является проводником. Примером могут служить водные растворы сахара и глицерина, которые являются хорошими изоляторами»[13].
Степень диссоциации. Факторы, влияющие на степень диссоциации
«Поведение водных растворов электролитов в химических реакциях во многом зависит от того, насколько полно они распадаются на ионы. Для количественной оценки диссоциации важное значение имеют параметры, как степень и константа диссоциации.
Степень диссоциации а – это отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к исходному числу молекул растворенного вещества:
Степень диссоциации иногда выражаю в процентах:
Степень диссоциации электролитов зависит от концентрации растворов: с понижением концентрации уменьшается взаимодействие ионов в растворе, которое приводит к образованию молекул, поэтому степень диссоциации возрастает. По степени диссоциации электролиты принято делить на сильные, слабые и средние. Сильные электролиты имеют а > 30%; слабые – а < 3%; средние — а в пределах от 3 до 30%.
К сильным электролитам в водных растворах относятся почти все соли, большинство неорганических кислот (HNO3, HCl, h3 SO4, HClO4 и др.), а также гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Средними электролитами являются h3 SO3, h4 PO4 и др. такие соединения, как h3 S, Cu(OH)2 и др. являются слабыми электролитами.
Деление электролитов на слабые, средние и сильные носит условный характер, так как степень диссоциации зависит от природы электролита и растворителя, от концентрации и температуры раствора. Водные растворы различных солей, кислот и оснований одной и той же концентрации в разной степени диссоциируют на ионы. На степень диссоциации существенно влияет присутствие одноименных ионов в растворе. Так, если в растворе имеется CuCl2, то равновесие системы
CuCl2Cu2+ + 2Cl-
Можно сдвинуть влево путем увеличения концентрации ионов Cu2+ илиCl-. Это достигается добавлением к раствору электролита, содержащего один из этих ионов»[14] .
«Процессом, противоположным электролитической диссоциации является молизация – воссоединение ионов противоположных знаков в нейтральные молекулы. Если между процессами диссоциации и молизации существует динамическое, подвижное состояние, то а находится из уравнения:
При имеем , т.е. в слабых растворах почти все молекулы диссоциированы. С ростом концентрации раствора а убывает. В сильных концентрированных растворах
»[15] .
Необычные электролиты
Встречаются весьма и необычные электролиты. Например, электролитом является стекло, представляющее собой сильно переохлажденную жидкость, обладающую громадной вязкостью. При нагревании стекло размягчается и его вязкость сильно уменьшается. Присутствующие в стекле ионы натрия Na+ приобретают заметную подвижность, и становится возможным прохождение электрического тока, хотя при обычных температурах стекло является хорошим изолятором.
Наглядной демонстрацией этого может служить опыт, схема которого показана на рис.2.
Рис.2.
Демонстрация электропроводности стекла при нагревании
Стеклянная палочка АВ включена в осветительную сеть через реостат R. Пока палочка холодная, ток в цепи ничтожный из-за высокого сопротивления стекла. Если палочку нагреть газовой горелкой до температуры 300-400 0С, то ее сопротивление упадет до нескольких десятков омов и нить лампочки Л раскалится. Теперь можно закоротить лампочку ключом К. При этом сопротивление цепи уменьшится, и сила тока возрастет. В таких условиях палочка будет эффективно нагреваться электрическим током и раскаляться до яркого свечения, даже если убрать горелку[16] .
[1] См.: бутиков Е.И., Кондратьев А.С., Уздин В.М. Физика. Строение и свойства вещества. М. – С.-П., ФИЗМАТЛИТ. – Стр. 141.
[2] См.: Учебник «Физика-10» В.А.Касьянов, М., Дрофа, 2003. – Стр. 248.
[3] См.: www.fizika.asvu.ru/page.php?id=34 — Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы
[4] Грибов Л.А., Прокофьева Н.И. Основы физики. М.: Гардарика, 1998, с.219
[5] Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: Академический проект, 2003, с.158
[6] Грибов Л.А., Прокофьева Н.И. Основы физики. М.: Гардарика, 1998, с.219
[7] Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: Академический проект, 2003, с. 161.
[8] Касьянов В.А. Физика. М.: Дрофа, 2003, с. 269.
[9] Грибов Л.А., Прокофьева Н.И. Основы физики. М.: Гардарика, 1998, с. 220.
[10] Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: Академический проект, 2003, с. 161.
[11] Касьянов В.А. Физика. М.: Дрофа, 2003, с.269,270,271.
[12] См.: Э.Т. Оганесян. Руководство по химии поступающим в вузы. М., «Высшая школа», 1991. – Стр. 116-117.
[13] См.: Б.М. Яворский, А.А. Пинский. Основы физики. Том 1. Механика. Молекулярная физика. Электродинамика. М., «Наука». – Стр.454.
[14] См.: Э.Т. Оганесян. Руководство по химии поступающим в вузы. М., «Высшая школа», 1991. – Стр. 119
[15] См.: Б.М. Яворский. А.А. Детлаф. Справочник по физике. М., «Наука», 1996. – Стр. 226.
[16] См.: Е.И.Бутиков, А.С. Кондратьев, В.М, Уздин. Физика. Строение и свойства вещества. М.-С.-П., «Физматлит», 2000. – Стр. 267.
www.ronl.ru
Реферат - Основы термодинамики - Физика
Реферат на тему:
«Первый закон термодинамики»
«Первый закон термодинамики, как и закон сохранения энергии в механике, часто дает возможность исследовать тепловые процессы в макроскопических системах даже в тех случаях, когда нам не известны детали микроскопической картины изучаемых явлений.
Первый закон универсален, он применим ко всем без исключения тепловым процессам в любых системах. Как и всякий закон сохранения, он не дает детальной информации о ходе процесса, но позволяет составить уравнение баланса, если заранее известно, какие энергетические превращения происходят в рассматриваемой системе.
Сделаем несколько замечаний о смысле входящих в уравнение первого закона величин. Количество переданной теплоты было определенно как мера изменения внутренней энергии системы при теплопередаче. Но не всегда подведение к системе теплоты приводит к изменению ее внутренней энергии. Например, при изотермическом расширении идеального газа подведение теплоты не сопровождается увеличением внутренней энергии газа. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и при изотермическом процессе не меняется, но газ совершает работу, и величина этой работы равна подводимому к системе количеству теплоты.
Совершение внешними силами механической работы над системой также может не сопровождаться изменением ее внутренней энергии. Если сжимать идеальный газ, принимая меры к тому, чтобы его температура при этом не увеличивалась, то внутренняя энергия газа останется без изменения, а окружающим телам перейдет некоторое количество теплоты, равное совершенной над газом при его сжатии работе»[1] .
«Применение первого закона термодинамики к процессам в одноатомных идеальных газах
1. Изотермический процесс (Т = const):
При изотермическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит и в форме теплопередачи, и в форме работы. Все подведенное к идеальному газу тепло затрачивается на совершение работы.
Если газ получает теплоту (Q > 0), то он совершает положительную работу (А` > 0), если газ отдает теплоту (Q < 0), то А` < 0. Работа внешних сил над газом в этом случае положительная (А > 0).
2. Изобарический процесс (р = const):
При изобарическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит в форме работы и теплопередачи. Сообщенная идеальному газу теплота затрачивается и на изменение внутренней энергии, и на совершение газом работы:
3. Изохорический процесс:
При изохорическом процессе обмен между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме теплопередачи. Вся подведенная к идеальному газу теплота затрачивается на изменение его внутренней энергии:
4. Адиабатический процесс (Q = 0):
Адиабатический процесс — процесс, при котором физическая система не получает теплоты извне и не отдает ее. Этот процесс протекает без теплообмена с окружающими телами.
При адиабатическом процессе:
При адиабатическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме работы. Работа при адиабатическом процессе совершается за счет изменения внутренней энергии газа.
Если А` > 0 (газ расширяется), то дельта U < 0 — температура газа понижается. Если же А` < 0 (газ сжимается), то дельта U > О — температура повышается»[2] .
«Змеевик как тепловая машина. Посмотрим как происходит протекание газа через змеевик. Если в змеевике газ охлаждается, т.е. отдает теплоту (Q<0), то совершаемая работа над газом положительна – внешние силы «проталкивают» газ через змеевик. Если теплота подводится к газу (Q>0), то наш змеевик подобен тепловой машине – газ сам совершает работу над внешними телами. Этот результат не зависит от того, какова величина давления газа на выходе и на входе. Единственное условие при этом – давление на входе должно быть больше давления на выходе, иначе газ просто потечет в обратную сторону.
Попробуем при помощи компрессора прокачивать через змеевик газ в вакуум. Для того чтобы процесс можно было считать стационарным, сечение выходного отверстия нужно сделать много меньше сечения входного. Змеевик теплоизолируем от окружающей среды.
Совершаемая компрессором над газом работа положительна и равна полной совершаемой над газом работе, ибо, выходя за вакуум, газ работы не совершает. Так как нет обмена теплотой, налицо противоречие с утверждением о том, что при адиабатическом протекании работа равна нулю.
Это противоречие возникло потому, что при прокаичвании газа в вакуум происходят и такие энергетические превращения, которые были совершенно несущественны. Действительно, первый закон термодинамики использовался в виде Q + A = U, где U – внутренняя энергия газа. Поэтому при использовании такой формулировки первого закона термодинамики заранее молчаливо предполагается, что в рассматриваемых процессах не происходит изменения механической энергии системы, т.е. не меняется потенциальная энергия газа как целого во внешнем поле, не меняется и кинетическая энергия движения газа как целого, не возникает в газе никаких макроскопических потоков. Теперь уже становится ясно, что при прокачивании газа в вакуум возникает макроскопический направленный поток, кинетическую энергию которого необходимо учитывать. Работа компрессора в этом случае как раз и определяет кинетическую энергию этого потока.
Если вход и выход змеевика расположены на разной высоте, то в уравнении закона сохранения энергии необходимо учитывать и изменение потенциальной энергии газа в поле тяжести, подобно тому как это делалось в гидродинамике при выводе уравнения Бернулли»[3].
Список использованной литературы:
1) Бутиков Е.И., Кондратьев А.С., Уздин В.М. Физика. Строение и свойства вещества. М. – С.-П., ФИЗМАТЛИТ.
2) Учебник «Физика-10» В.А.Касьянов, М., Дрофа, 2003.
3) www.fizika.asvu.ru/page.php?id=34 — Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы
Реферат
по дисциплине Концепции современного естествознания
на тему:
«Первое начало термодинамики».
«Термодинамика – это раздел физики, изучающий общие закономерности обмена тепловой энергии между системами, системой и внешней средой и производства работы за счет этой энергии».[4]
«Законы термодинамики описывают тепловые свойства тел, число молекул в которых огромно. Такие тела называются макросистемами. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т.п. – все это примеры макросистем. Тепловые свойства макросистем определяются термодинамическими параметрами (параметрами состояния): температурой, давлением и удельным объемом (объемом единицы массы)».[5]
«Изучая механику, мы говорили о двух формах энергии: кинетической и потенциальной. При переходе к изучению состояния газов было введено понятие температуры, как меры энергии хаотического движения молекул. Энергию хаотического движения молекул мы называли внутренней энергией газа. При изучении термодинамики для достижения максимальной наглядности пользуются модельными представлениями. Самая общая термодинамическая модель включает в себя: внешние источники тепловой энергии, рабочее тело и внешний приемник тепловой энергии, в который можно отводить энергию, накопленную в рабочем теле».[6]
«Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: совершение работы и теплообмен.
Известно, что в процессе превращения энергии действует закон сохранения механической энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Данное утверждение составляет основу первого начала термодинамики».[7]
«Первый закон термодинамики можно сформулировать так: количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:
».[8]
«Первое начало термодинамики является частным случаем закона сохранения энергии. В каком бы виде ни подводилась энергия к системе, всегда эта энергия расходуется на два процесса: 1) на повышение внутренней энергии системы; 2) на совершение системной работы».[9]
«Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель, который совершал бы работу «из ничего» без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу».[10]
«При изохорном процессе объем газа остается постоянным, поэтому газ не совершает работу.
Изменение внутренней энергии газа происходит благодаря теплообмену с окружающими телами:
При изотермическом процессе постоянна температура, поэтому внутренняя энергия не изменяется.
При изотермическом процессе количество теплоты, переданное газу от нагревателя, полностью расходуется на совершение работы:
Q = A.
При изотермическом расширении газа, находящегося в цилиндре под поршнем, молекулы газа, сталкиваясь с поршнем, уменьшает свою скорость и соответственно среднюю энергию, поэтому для поддержания постоянной температуры газа к нему подводится дополнительное количество теплоты.
При изотермическом сжатии газа (А<0) для сохранения постоянной температуры от газа отводится определенное количество теплоты (Q<0).
При изобарном расширении газа подведенное к нему количество теплоты расходуется на увеличении его внутренней энергии (U>0) и на совершение работы газом (А>0):
».[11]
Список использованной литературы:
1) Грибов Л.А., Прокофьева Н.И. Основы физики. М.: Гардарика, 1998
2) Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: Академический проект, 2003
3) Касьянов В.А. Физика. М.: Дрофа, 2003
Электролиты. Причины диссоциации
«Одной из характерных особенностей водных растворов солей, кислот и оснований является их электролитическая проводимость. В то же время дистиллированная вода очень плохо проводит электрический ток, а сухие кристаллические соли или щелочи вообще не обладают этой способностью.
Изучая свойства растворов солей, кислот и оснований, С. Аррениус пришел к заключению, что под действием молекул воды вещества в растворе подвергаются ионизации.
Вещества, водные растворы которых обладают электрической проводимостью, называют электролитами.
К электролитам относятся соединения, молекулы которых характеризуются полярной или ионной связью.
Вещества, водные растворы которых не проводят электрический ток, называют неэлектролитами.
Процесс распада электролита на ионы в водном растворе называют электролитической диссоциацией.
Механизм электролитической диссоциации позднее получил объяснение в связи с разработкой теории химической связи и химического равновесия. Распад электролита на ионы в растворе происходит в результате сложного физико-химического взаимодействия молекул с полярными молекулами воды. Если поместить кристаллы хлорида натрия в воду, то полярные молекулы воды принимают упорядоченное направленное положение по отношению к ионам в кристаллической решетке соли. Под влиянием этого взаимодействия и теплового движения молекул воды хлорид натрия распадается на ионы:
NaClNa+ + Cl-
В данном случае происходит взаимодействие молекул воды с ионами в кристаллической решетке соли, в результате чего гидратированные ионы переходят в раствор (Рис.1).
О том, насколько велика роль растворителя для процесса диссоциации, можно судить по поведению хлороводорода в воде и, например, в бензоле.
Раствор HCl в бензоле электрической проводимостью не обладает, следовательно, в данном растворе отсутствуют ионы, т.е. не происходит диссоциации. Водный же раствор хлороводорода содержит ионы Н+ и Сl-, хотя газообразный HCl представляет собой молекулу с полярной ковалентной связью.
При воздействии диполей воды полярная связь в HCl еще больше поляризуется и в конце концов происходит ионизация молекулы HCl:
HClН+ + Сl-
Рис.1. Распад кристаллов хлорида натрия на отдельные ионы под влиянием диполей воды:
а – открытых отдельных ионов; б – гидратированные ионы натрия и хлора в растворе
Далее ион водорода Н+ присоединяется к атому кислорода в молекуле Н2 О по донорно-акцепторному механизму. Пару электронов для образования связи поставляет атом кислорода. Следовательно, суммарно диссоциацию HCl можно изобразить уравнением:
HCl + Н2 О Н3 О+ + Сl-
Образующийся ион Н3 О+ называется гидроксонием»[12].
«Стрелки показывают, что процесс идет в двух направлениях: наряду с диссоциацией молекулы на два иона идет обратный процесс рекомбинации (воссоединения) ионов в нейтральную молекулу.
Положительные ионы, движущиеся к катоду, называются катионами, отрицательные – анионами, т.е движущиеся к аноду.
Заметим, что если молекулы растворенного вещества не диссоциируют на ионы, то раствор не является проводником. Примером могут служить водные растворы сахара и глицерина, которые являются хорошими изоляторами»[13].
Степень диссоциации. Факторы, влияющие на степень диссоциации
«Поведение водных растворов электролитов в химических реакциях во многом зависит от того, насколько полно они распадаются на ионы. Для количественной оценки диссоциации важное значение имеют параметры, как степень и константа диссоциации.
Степень диссоциации а – это отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к исходному числу молекул растворенного вещества:
Степень диссоциации иногда выражаю в процентах:
Степень диссоциации электролитов зависит от концентрации растворов: с понижением концентрации уменьшается взаимодействие ионов в растворе, которое приводит к образованию молекул, поэтому степень диссоциации возрастает. По степени диссоциации электролиты принято делить на сильные, слабые и средние. Сильные электролиты имеют а > 30%; слабые – а < 3%; средние — а в пределах от 3 до 30%.
К сильным электролитам в водных растворах относятся почти все соли, большинство неорганических кислот (HNO3, HCl, h3 SO4, HClO4 и др.), а также гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Средними электролитами являются h3 SO3, h4 PO4 и др. такие соединения, как h3 S, Cu(OH)2 и др. являются слабыми электролитами.
Деление электролитов на слабые, средние и сильные носит условный характер, так как степень диссоциации зависит от природы электролита и растворителя, от концентрации и температуры раствора. Водные растворы различных солей, кислот и оснований одной и той же концентрации в разной степени диссоциируют на ионы. На степень диссоциации существенно влияет присутствие одноименных ионов в растворе. Так, если в растворе имеется CuCl2, то равновесие системы
CuCl2Cu2+ + 2Cl-
Можно сдвинуть влево путем увеличения концентрации ионов Cu2+ илиCl-. Это достигается добавлением к раствору электролита, содержащего один из этих ионов»[14] .
«Процессом, противоположным электролитической диссоциации является молизация – воссоединение ионов противоположных знаков в нейтральные молекулы. Если между процессами диссоциации и молизации существует динамическое, подвижное состояние, то а находится из уравнения:
При имеем , т.е. в слабых растворах почти все молекулы диссоциированы. С ростом концентрации раствора а убывает. В сильных концентрированных растворах
»[15] .
Необычные электролиты
Встречаются весьма и необычные электролиты. Например, электролитом является стекло, представляющее собой сильно переохлажденную жидкость, обладающую громадной вязкостью. При нагревании стекло размягчается и его вязкость сильно уменьшается. Присутствующие в стекле ионы натрия Na+ приобретают заметную подвижность, и становится возможным прохождение электрического тока, хотя при обычных температурах стекло является хорошим изолятором.
Наглядной демонстрацией этого может служить опыт, схема которого показана на рис.2.
Рис.2.
Демонстрация электропроводности стекла при нагревании
Стеклянная палочка АВ включена в осветительную сеть через реостат R. Пока палочка холодная, ток в цепи ничтожный из-за высокого сопротивления стекла. Если палочку нагреть газовой горелкой до температуры 300-400 0С, то ее сопротивление упадет до нескольких десятков омов и нить лампочки Л раскалится. Теперь можно закоротить лампочку ключом К. При этом сопротивление цепи уменьшится, и сила тока возрастет. В таких условиях палочка будет эффективно нагреваться электрическим током и раскаляться до яркого свечения, даже если убрать горелку[16] .
[1] См.: бутиков Е.И., Кондратьев А.С., Уздин В.М. Физика. Строение и свойства вещества. М. – С.-П., ФИЗМАТЛИТ. – Стр. 141.
[2] См.: Учебник «Физика-10» В.А.Касьянов, М., Дрофа, 2003. – Стр. 248.
[3] См.: www.fizika.asvu.ru/page.php?id=34 — Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы
[4] Грибов Л.А., Прокофьева Н.И. Основы физики. М.: Гардарика, 1998, с.219
[5] Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: Академический проект, 2003, с.158
[6] Грибов Л.А., Прокофьева Н.И. Основы физики. М.: Гардарика, 1998, с.219
[7] Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: Академический проект, 2003, с. 161.
[8] Касьянов В.А. Физика. М.: Дрофа, 2003, с. 269.
[9] Грибов Л.А., Прокофьева Н.И. Основы физики. М.: Гардарика, 1998, с. 220.
[10] Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: Академический проект, 2003, с. 161.
[11] Касьянов В.А. Физика. М.: Дрофа, 2003, с.269,270,271.
[12] См.: Э.Т. Оганесян. Руководство по химии поступающим в вузы. М., «Высшая школа», 1991. – Стр. 116-117.
[13] См.: Б.М. Яворский, А.А. Пинский. Основы физики. Том 1. Механика. Молекулярная физика. Электродинамика. М., «Наука». – Стр.454.
[14] См.: Э.Т. Оганесян. Руководство по химии поступающим в вузы. М., «Высшая школа», 1991. – Стр. 119
[15] См.: Б.М. Яворский. А.А. Детлаф. Справочник по физике. М., «Наука», 1996. – Стр. 226.
[16] См.: Е.И.Бутиков, А.С. Кондратьев, В.М, Уздин. Физика. Строение и свойства вещества. М.-С.-П., «Физматлит», 2000. – Стр. 267.
www.ronl.ru
Реферат - Основы термодинамики 2
Реферат на тему:
«Первый закон термодинамики»
«Первый закон термодинамики, как и закон сохранения энергии в механике, часто дает возможность исследовать тепловые процессы в макроскопических системах даже в тех случаях, когда нам не известны детали микроскопической картины изучаемых явлений.
Первый закон универсален, он применим ко всем без исключения тепловым процессам в любых системах. Как и всякий закон сохранения, он не дает детальной информации о ходе процесса, но позволяет составить уравнение баланса, если заранее известно, какие энергетические превращения происходят в рассматриваемой системе.
Сделаем несколько замечаний о смысле входящих в уравнение первого закона величин. Количество переданной теплоты было определенно как мера изменения внутренней энергии системы при теплопередаче. Но не всегда подведение к системе теплоты приводит к изменению ее внутренней энергии. Например, при изотермическом расширении идеального газа подведение теплоты не сопровождается увеличением внутренней энергии газа. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и при изотермическом процессе не меняется, но газ совершает работу, и величина этой работы равна подводимому к системе количеству теплоты.
Совершение внешними силами механической работы над системой также может не сопровождаться изменением ее внутренней энергии. Если сжимать идеальный газ, принимая меры к тому, чтобы его температура при этом не увеличивалась, то внутренняя энергия газа останется без изменения, а окружающим телам перейдет некоторое количество теплоты, равное совершенной над газом при его сжатии работе»1.
«Применение первого закона термодинамики к процессам в одноатомных идеальных газах
Изотермический процесс (Т = const):
/>
При изотермическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит и в форме теплопередачи, и в форме работы. Все подведенное к идеальному газу тепло затрачивается на совершение работы.
Если газ получает теплоту (Q > 0), то он совершает положительную работу (А` > 0), если газ отдает теплоту (Q < 0), то А` < 0. Работа внешних сил над газом в этом случае положительная (А > 0).
Изобарический процесс (р = const):
/>
При изобарическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит в форме работы и теплопередачи. Сообщенная идеальному газу теплота затрачивается и на изменение внутренней энергии, и на совершение газом работы:
/>
/>
/>
Изохорический процесс:
При изохорическом процессе обмен между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме теплопередачи. Вся подведенная к идеальному газу теплота затрачивается на изменение его внутренней энергии:
/>
Адиабатический процесс (Q = 0):
Адиабатический процесс — процесс, при котором физическая система не получает теплоты извне и не отдает ее. Этот процесс протекает без теплообмена с окружающими телами.
При адиабатическом процессе:
/>
При адиабатическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме работы. Работа при адиабатическом процессе совершается за счет изменения внутренней энергии газа.
Если А` > 0 (газ расширяется), то дельта U < 0 — температура газа понижается. Если же А` < 0 (газ сжимается), то дельта U > О — температура повышается»1.
«Змеевик как тепловая машина. Посмотрим как происходит протекание газа через змеевик. Если в змеевике газ охлаждается, т.е. отдает теплоту (Q<0), то совершаемая работа над газом положительна – внешние силы «проталкивают» газ через змеевик. Если теплота подводится к газу (Q>0), то наш змеевик подобен тепловой машине – газ сам совершает работу над внешними телами. Этот результат не зависит от того, какова величина давления газа на выходе и на входе. Единственное условие при этом – давление на входе должно быть больше давления на выходе, иначе газ просто потечет в обратную сторону.
Попробуем при помощи компрессора прокачивать через змеевик газ в вакуум. Для того чтобы процесс можно было считать стационарным, сечение выходного отверстия нужно сделать много меньше сечения входного. Змеевик теплоизолируем от окружающей среды.
Совершаемая компрессором над газом работа положительна и равна полной совершаемой над газом работе, ибо, выходя за вакуум, газ работы не совершает. Так как нет обмена теплотой, налицо противоречие с утверждением о том, что при адиабатическом протекании работа равна нулю.
Это противоречие возникло потому, что при прокаичвании газа в вакуум происходят и такие энергетические превращения, которые были совершенно несущественны. Действительно, первый закон термодинамики использовался в виде Q+ A= U, где U– внутренняя энергия газа. Поэтому при использовании такой формулировки первого закона термодинамики заранее молчаливо предполагается, что в рассматриваемых процессах не происходит изменения механической энергии системы, т.е. не меняется потенциальная энергия газа как целого во внешнем поле, не меняется и кинетическая энергия движения газа как целого, не возникает в газе никаких макроскопических потоков. Теперь уже становится ясно, что при прокачивании газа в вакуум возникает макроскопический направленный поток, кинетическую энергию которого необходимо учитывать. Работа компрессора в этом случае как раз и определяет кинетическую энергию этого потока.
Если вход и выход змеевика расположены на разной высоте, то в уравнении закона сохранения энергии необходимо учитывать и изменение потенциальной энергии газа в поле тяжести, подобно тому как это делалось в гидродинамике при выводе уравнения Бернулли»1.
Список использованной литературы:
Бутиков Е.И., Кондратьев А.С., Уздин В.М. Физика. Строение и свойства вещества. М. – С.-П., ФИЗМАТЛИТ.
Учебник «Физика-10» В.А.Касьянов, М., Дрофа, 2003.
www.fizika.asvu.ru/page.php?id=34 — Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы
Реферат
по дисциплине Концепции современного естествознания
на тему:
«Первое начало термодинамики».
«Термодинамика – это раздел физики, изучающий общие закономерности обмена тепловой энергии между системами, системой и внешней средой и производства работы за счет этой энергии».1
«Законы термодинамики описывают тепловые свойства тел, число молекул в которых огромно. Такие тела называются макросистемами. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т.п. – все это примеры макросистем. Тепловые свойства макросистем определяются термодинамическими параметрами (параметрами состояния): температурой, давлением и удельным объемом (объемом единицы массы)».2
«Изучая механику, мы говорили о двух формах энергии: кинетической и потенциальной. При переходе к изучению состояния газов было введено понятие температуры, как меры энергии хаотического движения молекул. Энергию хаотического движения молекул мы называли внутренней энергией газа. При изучении термодинамики для достижения максимальной наглядности пользуются модельными представлениями. Самая общая термодинамическая модель включает в себя: внешние источники тепловой энергии, рабочее тело и внешний приемник тепловой энергии, в который можно отводить энергию, накопленную в рабочем теле».3
«Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: совершение работы и теплообмен.
Известно, что в процессе превращения энергии действует закон сохранения механической энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Данное утверждение составляет основу первого начала термодинамики».1
«Первый закон термодинамики можно сформулировать так: количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:
/>».2
«Первое начало термодинамики является частным случаем закона сохранения энергии. В каком бы виде ни подводилась энергия к системе, всегда эта энергия расходуется на два процесса: 1) на повышение внутренней энергии системы; 2) на совершение системной работы».3
«Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель, который совершал бы работу «из ничего» без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу».4
«При изохорном процессе объем газа остается постоянным, поэтому газ не совершает работу.
Изменение внутренней энергии газа происходит благодаря теплообмену с окружающими телами:
/>
--PAGE_BREAK--При изотермическом процессе постоянна температура, поэтому внутренняя энергия не изменяется.
При изотермическом процессе количество теплоты, переданное газу от нагревателя, полностью расходуется на совершение работы:
Q= A.
При изотермическом расширении газа, находящегося в цилиндре под поршнем, молекулы газа, сталкиваясь с поршнем, уменьшает свою скорость и соответственно среднюю энергию, поэтому для поддержания постоянной температуры газа к нему подводится дополнительное количество теплоты.
При изотермическом сжатии газа (А<0) для сохранения постоянной температуры от газа отводится определенное количество теплоты (Q<0).
При изобарном расширении газа подведенное к нему количество теплоты расходуется на увеличении его внутренней энергии (U>0) и на совершение работы газом (А>0):
/>».1
Список использованной литературы:
Грибов Л.А., Прокофьева Н.И. Основы физики. М.: Гардарика, 1998
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: Академический проект, 2003
Касьянов В.А. Физика. М.: Дрофа, 2003
Электролиты. Причины диссоциации
«Одной из характерных особенностей водных растворов солей, кислот и оснований является их электролитическая проводимость. В то же время дистиллированная вода очень плохо проводит электрический ток, а сухие кристаллические соли или щелочи вообще не обладают этой способностью.
Изучая свойства растворов солей, кислот и оснований, С. Аррениус пришел к заключению, что под действием молекул воды вещества в растворе подвергаются ионизации.
Вещества, водные растворы которых обладают электрической проводимостью, называют электролитами.
К электролитам относятся соединения, молекулы которых характеризуются полярной или ионной связью.
Вещества, водные растворы которых не проводят электрический ток, называют неэлектролитами.
Процесс распада электролита на ионы в водном растворе называют электролитической диссоциацией.
Механизм электролитической диссоциации позднее получил объяснение в связи с разработкой теории химической связи и химического равновесия. Распад электролита на ионы в растворе происходит в результате сложного физико-химического взаимодействия молекул с полярными молекулами воды. Если поместить кристаллы хлорида натрия в воду, то полярные молекулы воды принимают упорядоченное направленное положение по отношению к ионам в кристаллической решетке соли. Под влиянием этого взаимодействия и теплового движения молекул воды хлорид натрия распадается на ионы:
NaClNa++ Cl-
В данном случае происходит взаимодействие молекул воды с ионами в кристаллической решетке соли, в результате чего гидратированные ионы переходят в раствор (Рис.1).
О том, насколько велика роль растворителя для процесса диссоциации, можно судить по поведению хлороводорода в воде и, например, в бензоле.
Раствор HClв бензоле электрической проводимостью не обладает, следовательно, в данном растворе отсутствуют ионы, т.е. не происходит диссоциации. Водный же раствор хлороводорода содержит ионы Н+и Сl-, хотя газообразный HClпредставляет собой молекулу с полярной ковалентной связью.
При воздействии диполей воды полярная связь в HClеще больше поляризуется и в конце концов происходит ионизация молекулы HCl:
HClН++ Сl-
/>
Рис.1. Распад кристаллов хлорида натрия на отдельные ионы под влиянием диполей воды:
а – открытых отдельных ионов; б – гидратированные ионы натрия и хлора в растворе
Далее ион водорода Н+присоединяется к атому кислорода в молекуле Н2О по донорно-акцепторному механизму. Пару электронов для образования связи поставляет атом кислорода. Следовательно, суммарно диссоциацию HClможно изобразить уравнением:
HCl+ Н2О Н3О+ + Сl-
Образующийся ион Н3О+ называется гидроксонием»1.
«Стрелки показывают, что процесс идет в двух направлениях: наряду с диссоциацией молекулы на два иона идет обратный процесс рекомбинации (воссоединения) ионов в нейтральную молекулу.
Положительные ионы, движущиеся к катоду, называются катионами, отрицательные – анионами, т.е движущиеся к аноду.
Заметим, что если молекулы растворенного вещества не диссоциируют на ионы, то раствор не является проводником. Примером могут служить водные растворы сахара и глицерина, которые являются хорошими изоляторами»1.
Степень диссоциации. Факторы, влияющие на степень диссоциации
«Поведение водных растворов электролитов в химических реакциях во многом зависит от того, насколько полно они распадаются на ионы. Для количественной оценки диссоциации важное значение имеют параметры, как степень и константа диссоциации.
Степень диссоциации а – это отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к исходному числу молекул растворенного вещества:
/>
Степень диссоциации иногда выражаю в процентах:
/>
Степень диссоциации электролитов зависит от концентрации растворов: с понижением концентрации уменьшается взаимодействие ионов в растворе, которое приводит к образованию молекул, поэтому степень диссоциации возрастает. По степени диссоциации электролиты принято делить на сильные, слабые и средние. Сильные электролиты имеют а> 30%; слабые – а < 3%; средние — а в пределах от 3 до 30%.
К сильным электролитам в водных растворах относятся почти все соли, большинство неорганических кислот (HNO3, HCl, h3SO4, HClO4и др.), а также гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Средними электролитами являются h3SO3, h4PO4 и др. такие соединения, как h3S, Cu(OH)2и др. являются слабыми электролитами.
Деление электролитов на слабые, средние и сильные носит условный характер, так как степень диссоциации зависит от природы электролита и растворителя, от концентрации и температуры раствора. Водные растворы различных солей, кислот и оснований одной и той же концентрации в разной степени диссоциируют на ионы. На степень диссоциации существенно влияет присутствие одноименных ионов в растворе. Так, если в растворе имеется CuCl2, то равновесие системы
CuCl2/>Cu2++ 2Cl-
Можно сдвинуть влево путем увеличения концентрации ионов Cu2+илиCl-. Это достигается добавлением к раствору электролита, содержащего один из этих ионов»1.
«Процессом, противоположным электролитической диссоциации является молизация – воссоединение ионов противоположных знаков в нейтральные молекулы. Если между процессами диссоциации и молизации существует динамическое, подвижное состояние, то а находится из уравнения:
продолжение --PAGE_BREAK--/>
При />имеем />, т.е. в слабых растворах почти все молекулы диссоциированы. С ростом концентрации раствора а убывает. В сильных концентрированных растворах
/>»2.
Необычные электролиты
Встречаются весьма и необычные электролиты. Например, электролитом является стекло, представляющее собой сильно переохлажденную жидкость, обладающую громадной вязкостью. При нагревании стекло размягчается и его вязкость сильно уменьшается. Присутствующие в стекле ионы натрия Na+ приобретают заметную подвижность, и становится возможным прохождение электрического тока, хотя при обычных температурах стекло является хорошим изолятором.
Наглядной демонстрацией этого может служить опыт, схема которого показана на рис.2.
/>
Рис.2.
Демонстрация электропроводности стекла при нагревании
Стеклянная палочка АВ включена в осветительную сеть через реостат R. Пока палочка холодная, ток в цепи ничтожный из-за высокого сопротивления стекла. Если палочку нагреть газовой горелкой до температуры 300-400 С, то ее сопротивление упадет до нескольких десятков омов и нить лампочки Л раскалится. Теперь можно закоротить лампочку ключом К. При этом сопротивление цепи уменьшится, и сила тока возрастет. В таких условиях палочка будет эффективно нагреваться электрическим током и раскаляться до яркого свечения, даже если убрать горелку1.
Ссылки (links): www.fizika.asvu.ru/page.php?id=34www.ronl.ru
Реферат - Законы термодинамики и термодинамические параметры систем
Киевский национальний университет
им.Т.Г.Шевченко
философскийфакультет
заочноеотделение
ЗАКОНЫТЕРМОДИНАМИКИИТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫСИСТЕМпервыйкурс, направление: философия
дисциплина:физика
студент: А.В. Фойгт
преподаватель: С.Г.Остапченко
Киев2003
ПЛАН:
Вещество и его внутренняя энергияЗаконы изменения внутренней энергии вещества при постоянном давленииЗаконы изменения внутренней энергии вещества при постоянной температуре1
Подпонятием вещество в современной физической науке принято подразумевать элементыпериодической системы, либо их соединения, поскольку и первое, и второе имеютпостоянный химический состав при наличии внешних условий воздействия на них.Любое вещество может находиться в жидком, твердом или газообразном состоянии.Совокупность данных элементов и их соединений во всех присущих им агрегатныхсостояниях образуют материю. Любое выбранное вещество и взаимодействующее с нимсоседнее вещество (вещества) представляют систему.
Вещество характеризуетсямассой. Однако пониманием внутренней энергии вещества U не может служить энергия егомассы. Поддается измерению лишь изменение внутренней энергии. В современнойфизике принято считать, что, поскольку существует само вещество, то существуети его внутренняя энергия, и изменение этой энергии.
При постоянном давлении, когдатемпература системы повышается или понижается, внутренняя энергия веществасоответственно увеличивается или уменьшается. Энергия, поступившая вследствиеизменения температуры от вещества в среду или наоборот, называется теплотой q.
При постоянной температуре,когда давление системы повышается или понижается, внутренняя энергия веществаизменяется так же, как и в случае изменения температуры: при повышении –увеличивается, при понижении – уменьшается. Энергия, переданная веществу присжатии? называется работой сжатия, отданная при расширении – работой расширения(w).
Энергия вещества может такжеизменяться и при постоянном давлении и при постоянной температуре системы,находясь в гомогенной фазе с другими веществами того же агрегатного состояния.
При быстром нагревании иследующем за ним быстром охлаждении вещества можно получить стекло.
Атом является для элементанаименьшей единицей массы, энергия которой изменяется. Разновидностей атомовнасчитывается около ста. При разделении элементов на части каждая из нихсостоит из целого количества атомов. При делении веществ, состоящих изнескольких элементов, каждая часть будет содержать конечное целое числомолекул.
И энергия, и материя невозникают из ничего и не исчезают в ничто. Количество атомов материи, какносителя энергии, постоянно при любых физических или химических процессах.
Проследить даннуюзакономерность можно на изолированной системе веществ, не имеющей возможностиэнергообмена с другими системами. Энергия такой системы всегда будет постоянна,несмотря на то, что энергия каждого из веществ, ее составляющих, будетизменяться. Отсюда следует, что закон сохранения энергии относится не котдельному веществу, но к системе, в которую оно входит. В отдельном веществедействует лишь закон сохранения материи.
В процессах изобарического иизотермического изменения или растворения вещества вещество как таковоесохраняется. При химических реакциях сохраняются атомы исходных веществ
Открытие в 1842-м году законасохранения энергии, согласно которому энергия не возникает и не исчезает, апретерпевает только превращения при химическом или физическом изменениивеществ, окончательно отвергло идею perpetuummobile. Однако математик Гиббс в 1876 году вводитпонятие энтальпии:
H = U + PV, (1)
где U – внутренняяэнергия вещества, P –внешнее давление, а V –объем вещества. Произведение давления на объем имеет размерность энергии, такимобразом, уравнение Гиббса вполне корректно, и с его помощью можно описатьвозникновение энергии из ничто. Тем не менее внутреннюю энергию вещества,эквивалентную его массе,
U = mc2<sup/> (2)
нельзяповысить путем обычного умножения внешнего давления на объем, даже если приэтом мы выходим на соразмерную энергии величину. Произведение давления на объемлишь вносит ошибку в расчеты, поэтому понятие энтальпии серьезно втермодинамике не рассматривается.
2
Еслимежду выбранным веществом и окружающей средой присутствует температурныйградиент, возникает теплота – один из видов транспорта энергии. После переносаэнергии мы можем говорить только об энергии вещества, поскольку теплотойвещество не обладает.
Приувеличении внутренней энергии вещества на dU под воздействиемтеплоты dq,опыт покказывает, что dq больше dU,поскольку при увеличении внутренней энергии вещество увеличивает объем насоответствующее dV, таким образом, часть энергии идет насовершение работы расширения dw.
Балансвнутренней энергии, теплоты и работы расширения является математическимвыражением первого закона термодинамики при постоянном давлении:
dU = dq – dw (3)
Работа,наряду с теплотой, тоже является транспортом энергии.
Присмешивании в термостате двух веществ в одинаковых агрегатных состояниях, можемнаблюдать следующее:
А)температура термостата остается постоянной (энергия раствора не изменилась посравнению с суммарной энергией смешанных веществ каждого по отдельности)
Б)для поддержания температуры термостата его необходимо нагреть (энергия раствораувеличилась по сравнению с энергиями веществ по отдельности)
В)для поддержания температуры термостата его необходимо охладить (энергияраствора уменьшилась)
СлучаиБ и В подтверждают первый закон термодинамики в чистом виде.
Возьмемрасплав какого-либо вещества при температуре T1. При этом величина U1будет являться равновесной внутренней энергией расплава при температуре T1.Нагревая расплав до температуры T2, получаем U2 – равновеснуювнутреннюю энергию вещества приT2. Быстро охлаждая расплав от температуры T2до T1 получаем U3, отличное от U1,поскольку внутренняя энергия расплава при охлаждении уменьшается с конечнойскоростью. При длительной выдержке быстро охлажденного расплава при температуреT1 его внутренняя энергия вновь приметзначение U1.
Изменениевнутренней энергии расплава при любых внешних условиях подчиняется первомузакону термодинамики.
Теплоту,выделяющуюся как при быстром, так и при медленном охлаждении расплава, нельзяиспользовать для изменения внутренней энергии расплава. Это подчеркивает тотфакт, что реальные процессы протекают в природе энергетически необратимо.
Внутренняяэнергия вещества вблизи абсолютного нуля температур принимает наименьшеезначение U, величина которого намнеизвестна. Температурный коэффициент внутренней энергии вещества припостоянном давлении можно назвать энергоемкостью вещества CU,которая отличается от принятой в классической термодинамике теплоемкости, посколькувещество не обладает теплотой, а лишь внутренней энергией.
Кромеобмена энергией вещество может принимать участие в физических и химическихпроцессах. Для управления ими служит другой уровень внутренней энергии Ufr,совпадающий с уровнем UT при T=0K и находящийся ниже U.Температурный коэффициент уровня внутренней энергии Ufr<sub/>называется энтропией вещества S:
S = — (Ufr — U0) / T (4)
Таккак при температуре абсолютного нуля уровни энергий UT и Ufr<sub/>совпадают, то изменениеуровней внутренней энергии вещества UT и Ufr<sub/>удобно отсчитывать от величиныU. Энергоемкость веществаопределяется как температурный коэффициент внутренней энергии U.
Разностьмежду уровнем внутренней энергии Ufr<sub/>ивеличиной U0 называется свободной энергиейвещества G:
G = Ufr — U0 (5)
Отсюдаследует:
S = — (G / T) (6)
Такимобразом, энтропия вещества является температурным коэффициентом свободнойэнергии и никакой другой интерпретации не имеет.
Внутренняяи свободная энергия для многих веществ измерены в широком интервале. При 1000Кзначения U и G для элементов втвердом состоянии составляют соответственно: U= 13,1-33,7 кДж/моль, G= -12.7— -89.3 кДж/моль.
Уровнивнутренней энергии вещества UT и Ufr<sub/> связаны между собойчерез энтропию вещества уравнением:
UT - Ufr = ST(7)
Уравнение,связывающее между собой внутреннюю U и свободную Gэнергии вещества:
U – G = TS (8)
U = G + TS (9)
Этонаиболее часто используемое в термодинамических расчетах уравнение. Последифференцирования уравнения (6)и с учетом уравнения (8)находим:
DU*= TdS*, (10)
илив общем случае для любого вещества в любом состоянии:
dU = TdS (11)
Этоуравнение второго закона термодинамики, справедливое для любого вещества влюбом агрегатном и структурном состоянии. Энергия и энтропия вещества при любойтемпературе и любой скорости процесса связаны между собой уравнением (11).
Энтропиявещества изменяется только тогда, когда изменяется его внутренняя энергия.Независимая от внутренней энергии трактовка энтропии противоречит самой сутивторого закона термодинамики.
Несложнопутем равенства совместить уравнения (3) и (11). При P = const:
TdS = dU = dq – dw (12)
СогласноР. Клаузиусу (1865) энергия мира постоянна, энтропия мира стремится кмаксимуму. Вслед за ним М. Лауэ также допускает независимое от внутреннейэнергии существование энтропии. Экспериментально данное допущение проверитьневозможно, так как об изменении энтропии вещества мы можем судить только поизменению внутренней энергии.
Неразрывностьвнутренней энергии и энтропии исключают время и скорость процесса при еготермодинамическом анализе. Любая трактовка энтропии, учитывающая сведения оструктуре вещества, в принципе неверна. Попытка Больцмана в 1877-м годуобъяснить энтропию через меру числа возможных микросостояний W:
S = k log W (13)
хотьи была поддержана Планком, однако осталась экспериментально недоказуемой,поэтому для определения энтропии вещества с 1865-го года используется второйзакон термодинамики, а не уравнение (13).
Прималых давлениях внутренняя энергия вещества не зависит от давления и такимобразом результаты, полученные в экспериментах при низких температурах,исключают влияние давления на внутреннюю энергию вещества. Любое вещество припостоянном отнятии энергии со временем теряет возможность отдавать энергию идостигает минимального уровня внутренней энергии U0.Этот уровеньзависит от структуры вещества: например, уровень U0 дляаморфного состояния вещества выше, чем для кристаллического.
Любоевещество вблизи абсолютного нуля теряет способность отдавать внутреннююэнергию:
dUfr,T—0= 0 (14)
Отсюдаследует, что:
dGT—0 = 0 (15)
атакже
dST—0 = 0 (16)
Энтропиялюбого вещества независимо от структуры равна нулю, если температура близка кабсолютному нулю.
Изизложенного выше становится ясно, что общим для всех без исключения веществсвойством является внутренняя энергия, которой они обладают уже только потому,что существуют. Это и является содержанием трех законов термодинамики.
3
Присжатии в термостате конденсированного вещества для поддержания в нем постояннойтемпературы необходим отвод некоторого количества теплоты dq.Одновременно при сжатии увеличивается внутренняя энергия вещества на dU.
dU = dw – dq (17)
Уравнение(17)является уравнением первого закона термодинамики для случая, когда внутренняяэнергия вещества увеличивается за счет работы сжатия. Внутренняя энергияконденсированного вещества с ростом давления при постоянной температуреувеличивается.
Припомощи понятия энтальпии (1),а также соотношений
dqобр= dH = TdScl (18)
TdScl = dU + PdV (19)
(Scl / P)T = — (V / T)P (20),
гдеScl<sub/> -энтропия вклассической термодинамике, qобр - теплота обратимогопроцесса, получено следующее уравнение для зависимости внутренней энергии отдавления при постоянной температуре:
(U / P)T = V(kTP — aT) (21)
Вданном уравнении a и kT — коэффициенты сжимаемости и объемного расширения вещества, V, P и T– молярный объем, давление и термодинамическая температура.
Некоторыерезультаты расчета величины V(kTP — aT) при давлении в 1000 бар:для лития –0,545 * 106м3, длякальция -0,346 * 106м3, для оксида аллюминия- 0,168 * 106м3, для хлорида натрия — 0,247 * 106м3.
Длячистого вещества справедливо уравнение:
D* = (U* / P)T = kTPV –bq (22),
ГдеD* - барический коэффициент внутреннейэнергии, kT — изотермическийкоэффициент сжатия, bq — барическийкоэффициент теплоты, теряемой веществом при изотермическом сжатии (зависит отприроды вещества и может быть определен только опытным путем).
Еслипри температуре T повысить давление, то внутренняя энергиявещества будет увеличиваться, а свободная энергия – уменьшаться. Величины d(U)и d(G) оказываютсясвязанными между собой уравнениями:
d(U) = PdE (23)
-d(G) = EdP (24),
гдеE – барический коэффициент свободной энергиивещества. С ростом давления барический коэффициент увеличивается.
Уравнение(23) является уравнением второго закона термодинамики для процесса увеличениявнутренней энергии вещества при его изотермическом сжатии.
Приодновременном понижении температуры и давления вещество теряет способностьотдавать энергию. Поэтому третий закон термодинамики (14) справедлив и длядавления:
DU0= dUT—0, P—0 = 0 (25)
Прималых давлениях и температуре выше абсолютного нуля энергия вещества также независит от давления:
dUT—0, P—0 = 0 (26)
Уравнение(26) является третьим законом термодинамики при постоянной температуре. Из негоследует, что прирост внутренней энергии вещества и уменьшение его свободнойэнергии за счет давления при постоянной температуре и малых давлениях равны нулю.
Приопределении изменения внутренней энергии за счет повышения температуры идавления величина U0 является общей точкойотсчета энергии вещества.
www.ronl.ru
|
|
..:::Счетчики:::.. |
|
|
|
|
|
|
|
|