Навколо нас відбуваються явища, зовні дуже побічно пов'язані з механічним рухом. Це явища, які спостерігаються при зміні температури тіл, що становлять макросистеми, або при переході їх з одного стану (наприклад, рідкого) в інше (тверде або газоподібне). Такі явища називаються тепловими. Теплові явища відіграють величезну роль в житті людей, тварин і рослин. Зміна температури на 20-30 ° С при зміні пори року змінює все навколо нас. Від температури навколишнього середовища залежить можливість життя на Землі. Люди домоглися відносної незалежності від навколишнього середовища після того як навчилися видобувати і підтримувати вогонь. Це було одним з величавшие відкриттів, зроблених на зорі розвитку людства.
Історія розвитку уявлень про природу теплових явищ - приклад того, яким складним і суперечливим шляхом осягають наукову істину.
Багато філософів давнини розглядали вогонь і пов'язану з ним теплоту як одну зі стихій, яка поряд із землею, водою і повітрям утворює всі тіла. Одночасно робилися спроби пов'язати теплоту з рухом, так як було відмічено, що при зіткненні тіл або терті один об одного вони нагріваються.
Перші успіхи на шляху побудови наукової теорії теплоти відносяться до початку XVII ст., Коли був винайдений термометр, і з'явилася можливість кількісного дослідження теплових процесів і властивостей макросистем.
Знову було поставлено питання про те, що ж таке теплота. Намітилися дві протилежні точки зору. Згідно з однією з них - речової теорії тепла, теплота розглядалася як особливого роду невагома "рідина", здатна перетікати з одного тіла до іншого. Ця рідина була названа теплорода. Чим більше теплорода в тілі, тим вища температура тіла.
Відповідно до іншої точки зору, теплота - це вид внутрішнього руху частинок тіла. Чим швидше рухаються частинки тіла, тим вище його температура.
Таким чином, уявлення про теплові явища і властивості пов'язувалося з атомістичні вченням древніх філософів про будову речовини. У рамках таких уявлень теорію тепла спочатку називали корпускулярної, від слова "корпускула" (частка). Її дотримувалися вчені: Ньютон, Гук, Бойль, Бернуллі.
Великий внесок у розвиток нової теорії тепла зробив великий російський вчений М.В. Ломоносов. Він розглядав теплоту як обертальний рух частинок речовини. За допомогою своєї теорії він пояснив у загальному процеси плавлення, випаровування і теплопровідності, а також прийшов до висновку про існування "найбільшого або останньому ступені холоду", коли рух частинок речовини припиняється. Завдяки роботам Ломоносова серед російських учених було дуже мало прихильників речовій теорії теплоти.
Але все ж, незважаючи на багато переваг нової теорії теплоти, до середини XVIII ст. тимчасову перемогу здобула теорія теплороду. Це сталося після того як експериментально було доведено збереження теплоти при теплообміні. Звідси був зроблений висновок про збереження (незнищенність) теплової рідини - теплорода. У речовій теорії було введено поняття теплоємності тіл і побудована кількісна теорія теплопровідності. Багато терміни, введені в той час, збереглися і зараз.
За допомогою нової теорії теплоти не вдалося отримати такі важливі для фізики кількісні зв'язки між величинами. Зокрема, не вдалося пояснити, чому теплота зберігається при теплообміні. У ті часи не була ясна зв'язок між механічною характеристикою руху частинок - їх кінетичної енергією і температурою тіла. Поняття енергії ще не було введено у фізику. Тому, ймовірно, на основі корпускулярної теорії не могли бути досягнуті в XVIII ст. ті чималі успіхи у розвитку теорії теплових явищ, які дала проста і наочна теорія теплороду.
До кінця XVIII ст. речова теорія теплоти початку стикатися з дедалі більшими труднощами і до середини XIX ст. зазнала повне і остаточне поразку. Великою кількістю різних дослідів було показано, що "тепловий рідини" не існує. При терті можна отримати будь-яку кількість теплоти: тим більше, чим більш тривалий час відбувається операція тертя. З іншого боку, при здійсненні роботи паровими машинами пара охолоджується і теплота зникає.
У середині XIX ст. було доведено зв'язок між механічною роботою і кількістю теплоти. Подібно роботі кількість теплоти виявилося мірою зміни енергії. Нагрівання тіла пов'язане не зі збільшенням у ньому кількості особливої невагомою "рідини", а зі збільшенням його енергії. Принцип теплорода був замінений набагато більш глибоким законом збереження енергії. Було встановлено, що теплота є формою енергії.
Значний внесок у розвиток теорій теплових явищ і властивостей макросистем внесли німецький фізик Р. Клаузіус (1822-1888), англійський фізик-теоретик Дж. Максвелл, австрійський фізик Л. Больцман (1844-1906) та інші вчені.
Молекулярно-кінетична теорія будови і теплових властивостей речовини.
Відкриття закону збереження енергії сприяло розвитку двох якісно різних, але взаємно доповнюють методів дослідження теплових явищ і властивостей макросистем:
термодинамічного і статистичного (молекулярно-кінетичного). Перший з них лежить в основі термодинаміки, другий - молекулярної фізики.
Одночасно зі створенням термодинамічних методів дослідження розвивалися і корпускулярні уявлення теплових властивостей макросистем, відповідно до яких ставилося завдання пояснення всіх процесів, що відбуваються з макросистемах, на основі припущення про те, що речовина складається з атомів або молекул, рух яких підпорядковується законам Ньютона.
До кінця XIX ст. була створена послідовна теорія поведінки великих спільнот атомів і молекул - молекулярно-кінетична теорія, або статистична механіка. Численними дослідами була доведена справедливість цієї теорії.
Процеси, що вивчаються молекулярною фізикою, є результатом сукупної дії величезного числа молекул. Поведінка величезного числа молекул аналізується за допомогою статистичного методу, який заснований на тому, що властивості макроскопічної системи в кінцевому результаті визначаються властивостями частинок систем, особливостями їх руху та усередненими значеннями кінетичних та динамічних характеристик цих частинок (швидкості, енергії, тиску і т. д. ). Наприклад, температура тіла визначається швидкістю безладного руху його молекул, але так як в будь-який момент часу різні молекули мають різні швидкості, то вона може бути виражена тільки через середнє значення швидкості руху молекул. Не можна говорити про температуру однієї молекули. Макроскопічні характеристики тел мають фізичний сенс лише у випадку великої кількості молекул.
В даний час в науці і техніці широко використовуються як термодинамічні, так і статистичні методи опису властивостей мікросистеми.
В основі молекулярно-кінетичних уявлень про будову і властивості макросистем лежать три положення:
• будь-яке тіло - тверде, рідке або газоподібне - складається з великої кількості дуже малих часток - молекул (атоми можна розглядати як одноатомні молекули);
• молекули всякої речовини перебувають у безладному, хаотичному, що не має якого-небудь переважного напрямку русі;
• інтенсивність руху молекул залежить від температури речовини.
Теплові процеси пов'язані з будовою речовини та її внутрішньою структурою. Наприклад, нагрівання шматочка парафіну на кілька десятків градусів перетворює його в рідину, а така ж нагрівання металевого стержня помітно не впливає на нього. Таке різне дію нагрівання пов'язано з відмінностями у внутрішньому будову цих речовин. Тому дослідження теплових явищ можна використовувати для з'ясування загальної картини будови речовини. І, навпаки, певні уявлення про будову речовини допомагають зрозуміти фізичну сутність теплових явищ, дати їм глибоке наочне тлумачення.
Властивості і поведінку макросистем, починаючи від розріджених газів верхніх шарів атмосфери і закінчуючи твердими тілами на Землі, а також надтвердими ядрами планет і зірок, визначаються рухом і взаємодією один з одним часток, з яких складаються всі тіла: молекул, атомів, елементарних частинок.
Безпосереднім доказом існування хаотичного руху молекул служить броунівський рух, який полягає в тому, що досить малі (видимі тільки під мікроскопом) зважені в рідині частинки завжди знаходяться в стані безперервного, безладного руху, не залежного від зовнішніх причин, і виявляється проявом внутрішнього руху, що здійснюється під впливом безладних ударів молекул.
Кількісним втіленням молекулярно-кінетичних уявлень служать досвідчені газові закони (Бойля-Маріотта, Гей-Люссака, Авогадро, Дальтона), рівняння Клапейрона-Менделєєва (рівняння стану), основне рівняння кінетичної теорії ідеальних газів, закон Максвелла для розподілу молекул тощо
Перше положення молекулярно-кінетичних уявлень - будь-яке тіло складається з великого числа дуже малих частинок-молекул - доведено численними дослідами, одночасно підтвердили реальне існування молекул і атомів.
Рівняння стану ідеального газу.
Кількісним втіленням молекулярно-кінетичних уявлень служать досвідчені газові закони (Бойля-Маріотта, Гей-Люссака, Авогадро, Дальтона), рівняння Клапейрона-Менделєєва (рівняння стану), основне рівняння кінетичної теорії ідеальних газів, закон Максвелла для розподілу молекул тощо
З основного рівняння молекулярно-кінетичної теорії випливає важливий висновок: середня кінетична енергія поступального руху однієї молекули ідеального газу прямо пропорційна його термодинамічній температурі і залежить тільки від неї:
Е = (3 / 2) кТ
де k - постійна Больцмана, Т - температура.
З даного рівняння випливає, що при Т = 0 середня кінетична енергія дорівнює нулю, тобто при абсолютному нулі припиняється поступальний рух молекул газу, а отже, його тиск дорівнює нулю. Термодинамічна температура - міра кінетичної енергії поступального руху ідеального газу, а наведена формула розкриває молекулярно-кінетичне тлумачення температури.
У молекулярно-кінетичної теорії користуються ідеалізованою моделлю ідеального газу, згідно з якою:
• власний об'єм молекул газу пренебрежимо малий у порівнянні з об'ємом посудини;
• між молекулами газу відсутні сили взаємодії;
• зіткнення молекул газу між собою і зі стінками посудини абсолютно пружні.
Модель ідеального газу можна використовувати при вивченні реальних газів, тому що в умовах, близьких до нормальних (наприклад, кисень і гелій), а також при низьких тисках і високих температурах вони близькі за своїми властивостями до ідеального газу. Крім того, внісши поправки, що враховують власний об'єм молекул газу і діючі молекулярні сили, можна перейти до теорії реальних газів, з якої слід рівняння Ван-дер-Ваальса, що описує стан реального газу.
Ідеальні гази підпорядковуються рівнянню стану Менделєєва-Клапейрона:
pV = (m / m) RТ,
де p - тиск газу; V - його обсяг; m - маса газу; m - молярна маса; R - універсальна газова постійна (R = 8,31 Дж / моль К).
Інше вирівняне:
p = nkT,
де k = R / Nа - постійна Больцмана; Nа - число Авогадро (Nа = 6,02 1023 моль-1;
k = 1,38 * 10-23 Дж / К), n - число молекул в одиниці об'єму, Т - температура.
Енергія взаємодії молекул і агрегатні стани. Поняття про фазових переходах.
Більшу частину енергії людина використовує у вигляді тепла. Теплота - основа енергії.
Кожна система має свій запас внутрішньої енергії.
Три основні частини внутрішньої енергії:
сумарна кінетична енергія - хаотичне тепловий рух атомів і молекул.
сумарна потенційна енергія атомів і молекул між собою.
внутрішньомолекулярний або внутріатомної енергія елементів макросистем.
Способи існування макросистем:
тверді тіла (кристали).
рідкі (изотропия), аморфні тверді тіла.
газ.
(При високій температурі перехід від твердого до газу; за низької - навпаки; при середній перехід до рідина);
дуже висока температура - плазма.
вогонь.
Ек - кінетична енергія, Еп - потенційна енергія.
Єк>> Еп - тверде;
Еп ~ Ек - рідина;
Еп <<Ек - газ.
Ідеальний газ - теоретична модель для вивчення реальних газів Еп = 0.
Фаза - однорідне агрегатний стан.
Переходи між різними агрегатними станами - фазові переходи.
Поняття термодинамічної рівноваги і температури.
Температура - фізична величина, що характеризує стан термодинамічної рівноваги макроскопічної системи. Відповідно до рішення XI Генеральної конференції з мір та ваг (1960р.) в даний час рекомендовано застосовувати тільки дві температурні шкали - термодинамічну та Міжнародну практичну, градуйовані відповідно в кельвінах і градусах Цельсія. Аналіз показує, що 0К (абсолютний нуль) недосяжний, хоча наближення до нього як завгодно близько можливо.
Будь-яка зміна в термодинамічній системі, пов'язане зі зміною хоча б одного його термодинамічної параметра, називається термодинамічним процесом. Макроскопічна система перебуває в термодинамічній рівновазі, якщо її стан з плином часу не змінюється (передбачається, що зовнішні умови розглянутої системи при цьому не змінюються).
Абсолютна температура - Т (k) = t ° (c) + 273 °
Стан термодинамічної рівноваги - це стан, у якому приходить макросистема при ізолювання даної системи від інших систем (існують відкриті та ізольовані системи). Отримати ізольовану систему дуже складно.
Поняття температури можна застосовувати до ізольованих систем або до систем, що знаходяться в стаціонарному стані. (Градис температури - перепад температури.)
Рівновага термодинамічної системи - стан системи, в якій тіла покояться один щодо одного, володіючи однаковими температурами і тиском. Досягнувши цього стану, система сама по собі з нього не виходить. Значить все термодинамічні процеси, що наближаються до теплового рівноваги, незворотні.
Теплота, внутрішня енергія і робота. Перший початок (закон) термодинаміки.
Внутрішня енергія - енергія теплового (поступального, обертального і коливального) руху молекул і потенційною енергією їх взаємодії.
Можливі два способи зміни внутрішньої енергії термодинамічної системи при її взаємодії із зовнішніми тілами: шляхом здійснення роботи і шляхом теплообміну.
Коли системи взаємодіють між собою вони обмінюються енергією.
Робота пов'язана з переміщенням, теплообмін пов'язаний з теплотою.
Відомо, що в процесі перетворення енергії виконується закон збереження енергії. Оскільки теплове рух теж механічне (тільки не спрямоване, а хаотичне), то при всіх перетвореннях повинен виконуватися закон збереження енергії не лише зовнішніх, а й внутрішніх рухів. У цьому полягає якісна формулювання закону збереження енергії для термодинамічної системи - перший початок термодинаміки. Кількісна його формулювання: кількість теплоти rQ, повідомлене тілу, йде на збільшення внутрішньої енергії rU і на вчинення теплом роботи RА, тобто
rQ, = rU + RА.
Q - теплота отримана макросистеми від інших систем.
rU - зміна внутрішньої енергії макросистеми.
А - робота, яку здійснила макросистема над іншими системами.
Якщо віддає тепло - «- Q», якщо отримує - «+ Q».
Якщо здійснює роботу - «-А», якщо над системою - «+ А».
З першого початку термодинаміки випливає важливий висновок: неможливі вічний двигун першого роду, тобто такий двигун, який здійснював би роботу «з нічого», без зовнішнього джерела енергії. При наявності зовнішнього джерела частина енергії неминуче переходить в енергію теплового, хаотичного руху молекул, що і є причиною неможливості повного перетворення енергії зовнішнього джерела в корисну роботу.
Численні досліди показують, що всі теплові процеси незворотні на відміну від механічного руху.
Якщо реалізується якої-небудь термодинамічний процес, то зворотний процес, при якому проходяться ті ж теплові стану, але тільки у зворотному напрямку, практично неможливий. Іншими словами, термодинамічні процеси незворотні.
При підготовці цієї роботи були використані матеріали з сайту http://www.studentu.ru