Вера Максимова
Молекулярная физика и теплота
Термодинамика
Термодинамика – это раздел физики, изучающий тепловые свойства тел или систем тел, передачу и распространения тепла. В данном случае мы рассмотрим термодинамику газа.
Система тел в этом случае называется термодинамической.
В термодинамике газа объектом исследования является идеальный газ. Идеальный газ – это модель газа, в котором молекулы находятся на расстоянии, при котором взаимодействие между ними отсутствует или пренебрежимо мало. Взаимодействие между молекулами происходит только при соударении.
Одними из основных характеристик термодинамики являются масса, давление (обозначается Р), объем (обозначается V), температура (обозначается T). Температура может быть выражена в шкале градусов Цельсии, предложенная шведским ученым Андерсом Цельсия (1701–1744 г). В этой шкале за ноль градусов принята температура таяния льда или замерзания воды. А за 100 градусов выбрана температура кипения воды. Интервал 0-100 градусов разделен равномерно на сто частей, одна сотая этого интервала принята за 1 градус Цельсии или в другой равноценной форме записи – 1 °C. Температурная шкала распространяется от ста градусов и более. Температура меньше нуля градусов имеет знак минус.
Развитие физике показало, что существует минимальная отрицательная температура ниже которой не может существовать вещество. Эта температура оказалась равной минус 273 °C или в другой записи (-273 °C) Английский физик Томсон (1856–1940 г.) предложил эту температуру принять за ноль градусов абсолютной шкалы. Абсолютная температурная шкала называется шкалой Кельвина и обозначается – К. Для перехода температуры по шкале Цельсия в Кельвины надо к численному значению температуры Цельсия прибавить 273. При переводе температуры от шкалы Кельвина к шкале Цельсия надо от численного значения температуры Кельвина вычесть 273. Необходимо отметить, что один градус Цельсия равен одному градусу Кельвина.
Газовые законы
Газовые законы справедливы для идеального газа.
Закон Бойля Мариотта
Этот закон был вначале открыт англичанином Бойлем (1627–1691 г. рисунок 6) в 1679 г., а затем независимо от него французом Мариоттом (1620–1684 г. рисунок 7). Суть его в том, что для идеального газа при изотермических условиях, то есть при постоянной температуре существует однозначное обратно пропорциональное соответствие между его давлением и объемом. То есть если давление газа увеличилось в два раза, то его объем уменьшился тоже в два раза. На рисунке 8 представлена две изотермы (линия характеризующая постоянную температуру при изменении давления и объема) соответствующие двум разным температурам. Изотерма характеризует зависимость между давлением и объемом в законе Бойля-Мариотта координатах P-V (давление – объем). Пусть из начального состояния газа характеризующегося параметрами P0, V0, T0, положение 1 на графике рисунка 8 .газ изотермически переходит в состояние с параметрами P1, V1, T0. При этом переходе давление падает от P0 до значения P1, а объем увеличивается от V0 до V1. Причем во сколько раз уменьшилось давление, во столько раз увеличился объем газа.
Рисунок 6. Роберт Бойль, 1627–1691 г. https://yandex.ru/images/search?rpt=simage&noreask=1&source=qa&text=Роберт+Бойль&stype=image&lr=11464&parent-reqid=1633432213738964-13612276082424179071-vla1-3501-vla-l7-balancer-8080-BAL-9063
Проведем эксперимент (рисунок 9). Пусть под поршнем находится газ некоторого объема V0. Поршень может свободно перемещаться без трения в цилиндре. На поршне находится груз с некоторой силой тяжести Р0. В начальный момент давление газа (PГ0) уравновешивается силой тяжести груза на поршне, то есть Р0.= PГ0. Температура газа – Т0.
Рисунок 7. Эдмон Мариотт (1620–1684 г.). https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/Edme_Mariotte.png
Для поддержания постоянной температуры газа сделаем теплоизоляцию, достаточную, чтобы температура газа не изменялась. То есть процесс будет изотермический. Заменим груз меньшей силой тяжести Р1. Тогда газ увеличит свой объем (V1) и поднимет груз на некоторую высоту h. Газ будет расширятся до тех пор пока давление газа PГ1 не станет равным силе тяжести груза на поршне Р1. Для поднятия груза необходимо приложить силу равную силе тяжести груза. Если есть сила, которая приводит к перемещению тела, значит, она совершает работу. Таким образом, при изотермическом процессе газ может совершать работу. Существенным замечанием является то, что процесс должен быть изотермическим. А для этого надо достаточно медленно изменять объем газа, чтобы его температура не изменилась.
