В состоянии термодинамического равновесия параметрами системы являются давление Р, температура Т, объем V, масса m и т.д.
Указанные параметры (Р, V, T, m) не являются исчерпывающими из всего многообразия макроскопических параметров.
Все они описывают внутреннее состояние тел с точностью до флуктуаций.
Флуктуациями называют случайные отклонения физической величины от ее среднего значения.
Особенно малы флуктуации, когда физическая система находится в состоянии термодинамического равновесия.
Поэтому макроскопические параметры с высокой точностью характеризуют внутреннее состояние тел.
Закон, выражающий зависимость между параметрами состояния, называют уравнением состояния:
| f (Р, V, T) = 0. | (1.6) |
Установление вида этой функции в каждом конкретном случае является сложной задачей, которая решена только для идеальных газов. Из-за серьезных трудностей получить уравнение состояния для жидких и твердых тел на основе микроскопических представлений пока не удалось..
Идеальный газ - это газ, состоящий из материальных точек, которые взаимодействуют между собой только при упругом столкновении.
Взаимодействие молекул идеального газа со стенками сосуда, в котором они находятся, - абсолютно упругое.
Газ - состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и находятся в тепловом хаотическом движении, заполняя весь объем.
Газы широко распространены в в космическом пространстве.
Нейтральные, или ионизированные, атомы межзвездной среды входят в состав галактик в виде молекулярных облаков, в которых рождаются звезды, звездные ассоциации и т.д.
В состав атмосферы Земли входят газы: азот, кислород, углекислый газ и др.
Опытным путем установлено, что при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении идеальный газ подчиняется закону (уравнению) Клапейрона.
|
Уравнение Клапейрона устанавливает зависимость между термодинамическими параметрами идеального газа (давлением Р, объемом V и абсолютной температурой Т), характеризующими его состояние, т.е.
| PV=BT, | (1.7) |
где В - коэффициент пропорциональности; V - объем, занимаемый идеальным газом, зависит от массы газа m и его молярной массы М.
Уравнение состояния для одного моля идеального газа получено Менделеевым.
|
| PVM=RT, | (1.8) |
где R = 8,31 Дж / (моль ×К) - универсальная газовая постоянная; Vм - объем одного моля идеального газа.
Для произвольной массы газа формула (1.8) принимает вид
| (1.9) |
где m - масса газа; n = m/M - число молей.
Формулу (1.9) называют уравнением состояния идеального газа Менделеева - Клапейрона.
Из уравнения состояния идеального газа следует два следствия.
1. Закон Авогадро
В равных объемах различных газов, находящихся при одинаковых давлениях и температурах, содержится одинаковое число молекул, равное постоянной Авогадро NA=6.02 1023 моль-1.
|
Следовательно, постоянная Авогадро - число структурных элементов (атомов, молекул, ионов или других частиц) в единице количества вещества (например, в одном моле).
|
В частности, в 1 м3 любого идеального газа при t=0oC и Р =1 атм содержится число молекул, равное числу Лошмидта, т.е. L=2,7·1019 молекул.
2. Закон Дальтона
|
В состоянии теплового равновесия давление в смеси химически не взаимодействующих идеальных газов равно сумме парциальных давлений отдельных газов, входящих в смесь:
| P=P1+P2+P3+..... | (1.10) |
Парциальным называют давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал весь объем, равный объему смеси при той же температуре.
Пусть смесь состоит из Z газов. Число молекул первого газа равно N1, второго - N2 и т.д.
В состоянии термодинамического равновесия при постоянной температуре (Т=const) на основании уравнения Клапейрона для одного моля идеального газа (1.8)
Внутренняя энергия
Основной характеристикой внутреннего состояния физической системы является ее внутренняя энергия.
Внутренняя энергия (U) включает в себя энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов и т.п..) и энергию взаимодействия этих частиц, т.е. кинетическую, потенциальную и т.д., за исключением суммарной энергии покоя всех частиц.
