Основы физической кинетики Дифракция волн Естественный и поляризованный свет Законы теплового излучения Фотоэффект Строение атомного ядра Элементарные частицы и античастицы. Закон радиоактивного распада Дифракция ренгеновских лучей

Основы термодинамики

Основы физической кинетики

 Явления переноса

Статистическая физика имеет дело с равновесными состояниями тел и с обратимыми процессами (т.е. с процессами, при которых система проходит через последовательность равновесных состояний). Наука, изучающая процессы, возникающие при нарушении равновесия, носит название физической кинетики.

При нарушении равновесия система стремится вернуться в равновесное состояние. Мы ограничимся рассмотрением явлений, возникающих в газах в тех случаях, когда отклонения от равновесия невелики. При нарушениях равновесия в телах возникают потоки тепла, либо массы, электрического заряда и т.п. В связи с этим соответствующие процессы носят название явлений переноса. Причиной любого явления переноса является наличие градиента некоторой физической величины. Мы рассмотрим три явления переноса в газах – теплопроводность, диффузию и внутреннее трение или вязкость. Во всех этих явлениях важную роль играет такая физическая величина как средняя длина свободного пробега молекул газа.

Средняя длина свободного пробега молекул газа

Молекулы газа, находясь в тепловом движении, непрерывно сталкиваются друг с другом. Термин “столкновение” применительно к молекулам не следует понимать буквально и представлять себе этот процесс подобным соударению твёрдых шаров. Под столкновением молекул подразумевают процесс взаимодействия между молекулами, в результате которого молекулы изменяют направление своего движения.

На рисунке показана кривая, изображающая взаимную потенциальную энергию двух молекул как функцию расстояния r между их центрами. Рассмотрим с помощью этой кривой процесс сближения (соударения) молекул. Поместим мысленно центр одной из молекул в начало координат, а центр второй молекулы представим перемещающимся по оси r. Пусть вторая молекула летит по направлению к первой из бесконечности, имея начальный запас кинетической энергии eк=e1. Приближаясь к первой молекуле, вторая молекула под действием силы притяжения движется со всёвозрастающей скоростью. В результате кинетическая энергия eк молекулы растёт, а потенциальная eп одновременно уменьшается, но их сумма e = eк+eп = const остаётся неизменной. При прохождении молекулой точки с координатой ro силы притяжения сменяются силами отталкивания, вследствие чего молекула начнёт быстро терять скорость (в области отталкивания кривая eп идёт круто вверх). В момент, когда потенциальная энергия eп становится равной полной энергии системы e1, скорость молекулы обращается в нуль. В этот момент имеет место наибольшее сближение молекул друг с другом. После остановки молекулы все явления протекают в обратной последовательности. Интерференция волн Согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов связывают с понятием когерентности. Волны называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени.

Минимальное расстояние, на которое сближаются центры двух молекул, называется эффективным диаметром молекулы d. Величина

s = pd2

называется эффективным сечением молекулы. Как видно из рисунка, эффективный диаметр молекул зависит от их энергии, а следовательно, и от температуры. С повышением температуры эффективный диаметр молекул уменьшается.

  Различают теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении, если в процессе нагревания вещества его объем или давление поддерживается постоянным.

Из выражения для  получаем для количества теплоты одного моля ():

Тогда выражение первого начала термодинамики будет иметь вид:

.

Если газ нагревается при постоянном объеме, то работа внешних сил равна нулю (т.к. , а ) и сообщаемая газу извне теплота идет только на увеличение его внутренней энергии:

,

т. е. молярная теплоемкость газа при постоянном объеме  равна изменению внутренней энергии 1 моля газа при повышении его температуры на 1 К. Ранее было получено для внутренней энергии  или, учитывая, что ,

,

тогда

.

Релятивистский закон сложения скоростей.

Пусть некоторое тело движется вдоль оси x` в системе отсчета   со ско­ростью относительно последней. Найдем проекцию скорости  этого тела в систе­ме отсчета  на ось x этой системы:

.

Релятивистские масса и импульс. Взаимосвязь массы и энергии.

Эйнштейн показал, что масса тела зависит от его скорости:

где m0 – масса тела в той системе отсчета, где тело покоится (масса покоя);

m – масса тела в той системе, относительно которой тело движется;

u – скорость тела относительно системы отсчета, в которой определяется масса m.

Релятивистский импульс:

,

где m – релятивистская масса.


Молекулярная физика и термодинамика