Учебные пособия по основам физики

Вещание

Если присмотреться, сначала можно увидеть дым от сгорания. Через некоторое время дым исчезает. Вы пользовались духами? Даже если вы распыляете духи в комнате, другие люди за пределами дома тоже могут почувствовать их аромат. Если мама готовит вкусную и аппетитную еду на кухне, аромат может доноситься и до соседнего дома. Почему так происходит?

Существует множество других примеров. Если капнуть несколько капель чернил в стакан с чистой водой, чернила или пищевой краситель равномерно распределятся по всей воде. Это происходит автоматически. Некоторые из приведенных выше примеров — это явления диффузии, которые часто встречаются в повседневной жизни. Диффузия — это процесс перемещения веществ из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Под концентрацией понимается количество молекул/молей вещества на единицу объема. Место с высокой концентрацией — это место, где на единицу объема приходится много молекул вещества. И наоборот, места с низкой концентрацией — это места, где на единицу объема приходится мало молекул.

Внутренняя энергия идеального газа

Энергия в одноатомном идеальном газе

Энергия в одноатомном идеальном газе — это суммарная поступательная кинетическая энергия молекул этого газа. Суммарная поступательная кинетическая энергия молекул идеального газа равна произведению средней поступательной кинетической энергии каждой молекулы и числа молекул (N). Математически это выражается так:

Теорема о равнораспределении энергии

Теорема о равнораспределении энергии была теоретически выведена Клерком Максвеллом с использованием статистической механики. Она называется теоремой, потому что её нельзя доказать экспериментальным путём. Равномерное распределение энергии означает её полное распределение.

KE = средняя поступательная кинетическая энергия молекул газа (Дж)

k = постоянная Больцмана = 1.38 × ^10⁻²³ Дж/К

T = абсолютная температура молекулы идеального газа (в Кельвинах)

Средняя кинетическая энергия газов

Помимо давления, одной из величин, определяющих макроскопическую природу газа, является температура (T). Уравнение давления газа:

Средняя кинетическая энергия газов 1

Кинетическая теория газов

Кинетическая теория утверждает, что каждое вещество состоит из атомов или молекул, и что эти атомы или молекулы непрерывно и беспрепятственно движутся. Это предположение кинетической теории соответствует положению и состоянию атомов или молекул газообразного вещества. Сила притяжения между атомами или молекулами, составляющими газ, слаба, поэтому атомы или молекулы могут свободно двигаться.

Закон Бойля, закон Шарля, закон Гей-Люссака.

Статья: Закон Бойля, закон Шарля, закон Гей-Люссака

Закон Бойля

Роберт Бойль (1627-1691) проводил эксперименты для исследования количественной зависимости между давлением газа и его объемом. Этот эксперимент проводился путем помещения определенного количества газа в закрытый контейнер. Достигнув достаточно точного результата, он обнаружил, что если температура газа остается постоянной, то при увеличении давления газа его объем уменьшается. Аналогично, при уменьшении давления газа его объем увеличивается. Давление газа обратно пропорционально его объему. Эта зависимость известна как закон Бойля. Математически:

Закон идеального газа

Законы газов Бойля, Шарля и Гей-Люссака не применимы ко всем газовым состояниям, поэтому наш анализ становится более сложным. В связи с этим была представлена модель идеального газа. Идеальный газ не существует в повседневной жизни; идеальный газ — это просто идеальная форма, облегчающая анализ. Существование концепции идеального газа также очень помогает нам в рассмотрении взаимосвязи между тремя законами газов.

Взаимосвязь между температурой, объемом и давлением газа.

Опираясь на три приведенных выше газовых закона, мы можем вывести более общую зависимость между температурой, объемом и давлением газа.

Энтропия

Конкретная формулировка второго закона термодинамики не может описать все необратимые процессы, поэтому нам нужна общая формулировка. Ожидается, что эта общая формулировка объяснит все необратимые процессы, происходящие во Вселенной. Общая формулировка второго закона термодинамики была сформулирована в середине XIX века через величину, называемую энтропией (S). Энтропия была впервые введена Клаузиусом и была сформулирована на основе цикла Карно (идеальной калорической машины). Согласно Клаузиусу, система испытывает изменения энтропии, когда получает дополнительное тепло (Q) при постоянной температуре, что представлено уравнением:

Коэффициент полезного действия холодильной машины

Статья о коэффициенте полезного действия холодильной машины

Охлаждающая машина — это машина, которая отводит тепло из места с низкой температурой, а затем передает его в зону с высокой температурой. Для того чтобы этот процесс произошел, машина должна совершить работу, поскольку тепло естественным образом перетекает из зоны с высокой температурой в зону с низкой температурой. Это подтверждается утверждением Клаузиуса:

Для охлаждающей машины невозможно передать тепло из места с низкой температурой в место с высокой температурой без совершения работы (второй закон термодинамики — утверждение Клаузиуса).

Машина совершает работу (Вт) для передачи тепла от низкой температуры (Q _L) к высокой температуре (Q _H). Согласно закону сохранения энергии, Q _L+ W = Q _H.

Тепловой двигатель Карно и цикл Карно

Чтобы выяснить, как повысить эффективность теплового двигателя, французский учёный Сади Карно (1796-1832) в 1824 году исследовал идеальную теоретическую калорическую машину. В то время первый и второй законы термодинамики ещё не были сформулированы. Первый закон не был сформулирован, потому что учёные ещё не знали, что тепло — это энергия. После экспериментов Джоуля и его коллег в 1830-х годах учёные обнаружили, что тепло — это энергия, которая передаётся за счёт разницы температур. Таким образом, первый закон термодинамики был сформулирован после 1830 года. Сади Карно исследовал идеальную теоретическую калорическую машину ещё в 1824 году. Его исследование фактически было направлено на повышение эффективности парового двигателя. Большинство паровых двигателей того времени были менее эффективны.