WYKŁAD 1. W przypadku zbiornika zawierającego gaz, stan układu jako całości jest opisany przez: temperaturę, ciśnienie i objętość.

Transkrypt

1 WYKŁAD 1 Pzedmiot badań temodynamiki. Jeśli chcemy opisać układ złożony z N cząstek, to możemy w amach mechaniki nieelatywistycznej dla każdej cząstki napisać ównanie uchu: 2 d i mi = Fi, z + Fi, j, i, j =1,..., N (1) 2 dt i, j, i j gdzie - wypadkowa sił zewnętznych działających na cząstkę, F i, z F ij - siła z jaką j-ta cząstka działa na i-tą cząstkę, F ij = F ji - siły niutonowskie. Rozwiązanie układu ównań (1) w ogólnym jest badzo tudne. Można ozwiązać ten układ dla N= 2, edukując poblem zagadnienia dwóch ciał do zagadnienia jednego ciała. Już w pzypadku N=3 nie da się znaleźć ogólnego ozwiązania analitycznego, choć można je obliczyć z dużą dokładnością metodami numeycznymi. W pzyodzie jesteśmy otoczeni układami składającymi się z badzo dużej ilości cząstek. Pzykład: W 1 cm 3 gazu liczba cząstek N jest zędu Dla takiego układu ozwiązanie ównań (1) jest niewykonalne. Opis metodami statystycznymi. W pzypadku zbionika zawieającego gaz, stan układu jako całości jest opisany pzez: tempeatuę, ciśnienie i objętość. Paamety makoskopowe Takie paamety są związane ze śednimi watościami paametów opisujących stan poszczególnych cząstek. b Paamety mikoskopowe 1

2 Możemy za pomocą następującego diagamu zdefiniować pzedmiot badań temodynamiki i fizyki statystycznej: Paamety mikoskopowe <v>, <E k >, <v 2 > b Fizyka statystyczna Temodynamika fenomenologiczna Funkcje temodynamiczne: U enegia wewnętzna S entopia H entalpia F enegia swobodna G entalpia swobodna Pzykłady układów, któymi się zajmujemy: - gazy, ciecze, ciała stałe - gaz elektonowy w metalach - istoty żywe - gomady gwiazd, galaktyki - mateia jądowa - plazma kwakowo-gluonowa 2

3 Możemy badania powadzić na óżnym poziomie : Własności makoskopowe V,p T (V objętość, p ciśnienie, T tempeatua) L T (L długość pęta) R T (R opó elektyczny) Układ Peltiea: - obniżenie tempeatuy kosztem pacy pądu elektycznego - wytwazanie siły elektomotoycznej SEM kosztem dostaczonej enegii cieplnej Stany skupienia mateii: pzemiany fazowe (lód woda paa wodna) b Stuktua mikoskopowa Podstawowe pojęcia temodynamiki: Definicja Układ temodynamiczny wyodębniony w jakiś sposób z otoczenia wycinek świata mateialnego Definicja Układ odosobniony (izolowany) układ któy nie wymienia z otoczeniem ani mateii ani enegii.. Pzykład: układ odosobniony. Ścianki adiabatyczne izolujące cieplnie układ od otoczenia. (np. ścianki naczynia Dewaa) Jest to układ: - wieloodny (zawiea dwie fazy) - jednoskładnikowy (zawiea tylko wodę) Definicja Układ otwaty układ któy może wymieniać z otoczeniem zaówno enegię (pzewodnictwo cieplne, pomieniowanie) jak i mateię (np. pzez paowanie). Pzykład: woda w otwatym naczyniu. 3

4 Definicja Stan ównowagi temodynamicznej stan układu, któy jest niezmienny w czasie. Doświadczenie poucza nas, że układ izolowany niezależnie od swojego stanu początkowego dochodzi do stanu ównowagi temodynamicznej po odpowiednio długim czasie (czas elaksacji). W fizyce statystycznej stan ównowagi jest to stan o maksymalnym pawdopodobieństwie. Rozważmy dwa izolowane układy A i B: Teaz łączymy układy ścianką diatemiczną, pozwalającą na pzepływ ciepła: Połączony układ dojdzie do ównowagi temodynamicznej. Podukłady A i B połączonego układu będą w ównowadze między sobą. Rozważmy tzy układy A,B i C: A i B są w ównowadze B i C są w ównowadze temodynamicznej temodynamicznej A i C są w ównowadze temodynamicznej nazywamy to zeową zasadą temodynamiki. 4

5 Paamety opisujące układ: paamety makoskopowe: m - masa, ρ - gęstość, V - objętość, p - ciśnienie, T- tempeatua, E - natężenie pola elektycznego itd. paamety zewnętzne: opisują własności otoczenia, któe wpływają na stan układu. Będą to kształt i objętość układu oaz siły zewnętzne działające na układ. paamety wewnętzne: ciśnienie, gęstość, tempeatua itd. paamety intensywne/ekstensywne : intensywne niezależne od ilości mateii (np. ρ, p, T) ekstensywne (addytywne) popocjonalne do ilości mateii (np. V, m, S - entopia) Definicja Poces temodynamiczny każda zmiana układu, pzy któej zmienia się watość choćby jednego z paametów. Definicja Pocesy kwazistatyczne odbywające się z nieskończenie małą pędkością, tzn. układ w każdej chwili jest w stanie ównowagi (taki poces to ciąg stanów ównowagi poces ównowagowy) p A B V Kyteium kwazistatyczności pocesu: Jeśli A jest paametem ulegającym zmianie A w czasie elaksacji τ, to poces jest kwazistatyczny gdy: da A << dt τ Poces kwazistatyczny jest pocesem odwacalnym. Aby poces był odwacalny, żądamy by po powocie układu ze stanu końcowego do początkowego ównież otoczenie układu znalazło się z powotem w stanie początkowym. Definicja Poces niekwazistatyczny każdy poces zachodzący ze skończoną szybkością. W stanach pośednich nie istnieją watości p i T, któe chaakteyzowałyby cały układ, w układzie istnieją gadienty ciśnienia i tempeatuy. Jest to poces nieodwacalny. 5

6 Pzykład: poces odwacalny. Jeżeli odważników jest dużo i są małe ( m 0), to poces ten jest odwacalny. Otoczenie układu powóciło do stanu początkowego. Pzykład: poces nieodwacalny. Otoczenie nie powóciło do stanu początkowego. pzypadek 1 pzypadek 4! 6