Читать онлайн «Статистическая физика и термодинамика: Пособие по выполнению домашнего задания»

1. СОСТОЯНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Основные теоретические сведения Термодинамической системой называется совокупность макроскопиче- ских тел, которые могут обмениваться между собой и с другими телами (внеш- ней средой) энергией и веществом. В частности, система может состоять из од- ного тела в твердом, жидком или газообразном состоянии. Каждое макроскопи- ческое тело состоит из совокупности огромного числа структурных частиц (атомов и молекул). Поэтому описание микросостояния такой системы с под- робным перечислением физических характеристик каждой составляющей ее частицы нереально и бесполезно. Вместо этого в термодинамике для описания макроскопического состоя- ния вещества используют физические величины, которые характеризуют свой- ства системы в большом масштабе. Это давление Р, объем V, температура T, концентрация частиц n, масса тела m и т. п. Такие величины называются макро- параметрами или термодинамическими параметрами. Макропараметры принято делить на внешние, которые задают внешние условия для системы, и внутренние, которые описывают поведение системы во внешних условиях. Некоторые внутренние макропараметры связаны с количеством и свойствами молекул системы. Любая термодинамическая система независимо от начального состояния в заданных внешних условиях самопроизвольно переходит в единственное мак- росостояние, в котором она может находиться, пока не изменятся внешние ус- ловия. Это состояние называется равновесным. Функциональная зависимость между внутренними и внешними макропараметрами при равновесии называет- ся уравнением состояния. Соответственно с этим задачи по данной теме можно разделить на две группы. К первой группе относятся задачи, в которых используется или уста- навливается связь значения макропараметра с количеством или свойствами от- дельных молекул. Простейший пример: масса вещества равна сумме масс от- дельных молекул m = Nm1. Часто для решения подобных задач достаточно ис- пользовать взаимосвязь между различными способами описания количества вещества. Так, одному молю вещества (ν = 1 моль) соответствует масса веще- ства, равная молярной массе М, объем, равный молярному объему VM, или ко- личество молекул, равное числу Авогадро NA: 1 моль ⇔ М кг/моль ⇔ VM м3/моль⇔ NA 1/моль. Поэтому любое другое количество вещества можно выразить через про- порциональные величины ν, m, V, N m N V ν= = = . (1. 1) M N A VM Ко второй группе относятся задачи, в которых используются функ- циональные зависимости между внешними и внутренними макропараметрами.  2 Эти зависимости называются уравнениями состояния. Например, для идеаль- ных газов уравнение состояния имеет вид P = nkT , (1. 2) где k = 1,38. 10–23 Дж/К — постоянная Больцмана. Это же уравнение, записан- ное в другой форме, называется уравнением Клапейрона-Менделеева PV = νRT , (1. 3) .