рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Обратимые и необратимые процессы. Термодинамическая вероятность. Энтропия.

Обратимые и необратимые процессы. Термодинамическая вероятность. Энтропия. - раздел Механика, Курс лекций по физике. Механика Процесс Называется Обратимым, Если Систему Можно Вернуть В Исходное Состояние...

Процесс называется обратимым, если систему можно вернуть в исходное состояние через те же промежуточные состояния, что и в прямом процессе.

В прямом процессе на каком-то элементарном участке системы получает тепло δQ и совершает работу dA. При обратном процессе на этом же участке система отдает тепло δQ'= δQ и над ней будет совершена работа dA'= dA.

Равновесные изопроцессы обратимы.

Необратимые процессы – процессы неравновесные, они протекают с конечной скоростью и только в одном направлении так, что каждое последующее состояние системы оказывается ближе к состоянию термодинамического равновесия, чем предыдущее.

Опыт показывает, что все без исключения самопроизвольные процессы необратимы. Например, смешивание жидкостей, радиоактивный распад, электрический разряд, излучение света, распространение звука, диффузия, передача тепла от нагретых тел к холодным, расширение газа в пустоту, превращение механической энергии во внутреннюю и т.д.

Приведем два примера необратимого процесса.

1. Пусть имеется сосуд с перегородкой. С одной стороны перегородки - газ, с другой – пустота. Если перегородку убрать, то газ расшириться и заполнит весь сосуд. Может ли газ самопроизвольно вернуться в исходное состояние, т.е. сжаться? Опыт показывает, что нет. Вернуть газ в первоначальное состояние могут внешние силы, сжимая его и совершая над ним работу.

2. Пусть жидкость, налитая в сосуд, приведена во вращательное движение, после чего предоставлена самой себе. Опыт показывает, что через некоторое время механическое движение жидкости исчезнет, превратившись в тепловое движение ее молекул. Обратное самопроизвольное превращение невозможно: жидкость никогда сама по себе не придет во вращение. Следовательно, процесс превращения механической энергии во внутреннюю необратим.

Все необратимые процессы имеют одностороннее направление, что означает, что одни состояния системы более вероятны, другие - менее. Для характеристики различных состояний ТС в необратимом процессе вводится понятие термодинамической вероятности.

Рассмотрим распределение частиц газа по объему. Мысленно разделим объем V, занимаемый газом, на m одинаковых ячеек. Всем частицам присвоим номер. В следствие теплового движения частицы газа будут переходить из ячейки в ячейку.

Состояние ТС определяемое только тем, сколько частиц находится в каждой из ячеек, и какой их номер, называется микросостоянием или микрораспределением.

Состояние ТС определяемое только тем сколько частиц находится в каждой из ячеек не зависимо от их номера называется макросостоянием.

На рис. 8.8 изображены некоторые из возможных микро- и микросостояний для случая двух ячеек (m=2) и шести частиц (N=6): 1-одинаковые макро- и микросостояния; 2-одинаковые макро-, но различные макросостояния; 3-различные макро- и микросостояния.

Так как частицы газа находятся в непрерывном тепловом движении и переходят из ячейки в ячейку, то микро- и макросостояния газа непрерывно изменяются. Каждое макросостояние реализуется весьма большим числом микросостояний. Число микросостояний, посредством которых реализуется макросостояние, называется термодинамической вероятностью W этого макросостояния.

Термодинамическая вероятность макросостояния, при котором в первой ячейке оказывается N1 частиц, во второй - N2, m-й - Nm частиц, определяется по формуле

.

Следовательно, разные макросостояния имеют различную термодинамическую вероятность. Максимальная термодинамическая вероятность соответствует равновесному макросостоянию, для которого N1=N2=N3=….=Nm.

Термодинамические вероятности макросостояний для двух ячеек в каждых реализуются возможные микросостояния рис. 7.8 (3) равны:

3.1 W1= (по определению 0!=1)

3.2 W2=

3.3 W3=

Следовательно в случае небольшого числа частиц термодинамическая вероятность макросостояния, при котором частицы распределены по ячейкам равномерно (равновесное состояние), значительно больше термодинамической вероятности макросостояний, при которых частицы распределены по ячейкам неравномерно (неравновесное состояние).

 
Рис 7.8
 

Термодинамическая вероятность позволяет предсказать возможное направление состояния системы при самопроизвольных процессах. Пусть рассматриваемая нами система из шести частиц в данный момент времени находится в макросостоянии 1рис. 8.8 (3). В каких состояниях она будет находится в последующем? Возможно, в том же состоянии 1, но более вероятно – в состоянии 2, а еще более вероятно – в состоянии 3. В системе вероятнее всего будет развиваться процесс, сопровождающийся возрастанием термодинамической вероятности.

Пусть система находится в состоянии 3. В каких состояниях она будет находится в дальнейшем? Вероятнее всего, в этом же состоянии, но не исключено, что она самопроизвольно перейдет в состояние 2 или даже в состояние1. Правда такие переходы, сопровождаются уменьшением термодинамической вероятности, случаются чрезвычайно редко, особенно если велико число частиц, но они возможны.

Переход из неравновесных состояний в равновесные (необратимый процесс) есть переход из состояний с термодинамической вероятностью меньше, чем максимальная, в состояние с максимальной термодинамической вероятностью. Такой переход осуществляется с набольшей вероятностью. Вместе с тем принципиально возможен самопроизвольный переход системы из равновесного состояния в неравновесное или из некоторого неравновесного состояния в еще более неравновесное. Вероятность такого перехода мала, но то, что она отлична от нуля, означает, что необратимыми следует называть такие процессы, обратные которым невозможны абсолютно, а только крайне маловероятны.

Отметим свойства термодинамической вероятности:

1) W-однозначная функция состояния системы.

2) в равновесном состоянии W максимальна.

3) если система находится в равновесии, то наиболее вероятным изменением W является возрастание.

4) Термодинамическая вероятность W системы, состоящей из n невзаимодействующих частей, равна произведению термодинамических вероятностей этих частей

W=W1W2…..Wn.

Л. Больцман ввел в рассмотрение физическую величину S, называемую энтропией, которая связана с термодинамической вероятностью W соотношением

S=k ln W,

где k-постоянная Больцмана.

Энтропия – скалярная величина, характеризующая макросостояние ТС

и равна постоянной Больцмана, умноженной на логарифм термодинамической вероятности этого состояния.

Так как энтропия непосредственно связанная с термодинамической вероятностью, т ее свойства определяется свойствами термодинамической вероятности:

1) энтропия – однозначная функция состояния

2) В равновесном состоянии энтропия максимальна

3) если система не находится в равновесии, то наиболее вероятным изменением энтропии является возрастание

4) энтропия-величина аддитивная, т.е. энтропия системы, состоящей из n невзаимодействующих частей, равна сумме энтропий этих частей:

S=k ln W=k ln (W1W2….Wn)=k ln W1+k ln W2+…+k ln Wn

S=S1+S2+…+Sn.

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Курс лекций по физике. Механика

Уральский государственный университет путей сообщения.. кафедра физики..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Обратимые и необратимые процессы. Термодинамическая вероятность. Энтропия.

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Понятия и определения
Механика – изучает движение тел в пространстве с течением времени. Движение без учета сил действующих на тело, рассматривается в кинематике, а с учетом их в динамике.

Модуль вектора ускорения
(1.12) Вектор ускорения можно разложить на два вектора (рис. 1.5)

Равномерно, прямолинейно движение.
В зависимости от векторов скорости и ускорения различают равномерное и ускор

Ускоренное, прямолинейное движение
Движение по прямолинейной траектории с постоянным ускорением , совпадающим со скоростью

Вращательное движение
Рассмотрим движение м.т. по окружности радиусом R с постоянной линейной скоростью в

Колебательное движение
Движение будет колебательным, если его кинематические характеристики повторяются с течением времени. Если движение тела повторяется через равные промежутки времени, то оно называется перио

Модуль касательного и нормального ускорения.
Модули касательного и нормального ускорения находятся из соотношения , (1.38) где

Равномерное криволинейное движение.
Частным случаем ускоренного движения является движение тела брошенного со скоростью под углом

Сложение гармонических колебаний
Материальная точка может участвовать одновременно в нескольких колебательных движениях. Сложить два или несколько колебаний – значит найти закон, которому подчиняется результирующее движение, найти

Законы Ньютона.
При изучении движения тел в пространстве важно выбрать такую систему отсчета, в которой бы перемещение тела в отсутствии действия на него сил происходило равномерно и прямолинейно. Ньютон,

Динамика поступательного движения тела
  Твёрдое тело (ТТ) – это тело, которое не деформируется при действии на него сил. Масса ТТ представляется в виде суммы материальных точек связанных между собой внутренними сил

Динамика вращательного движения
При вращательном движении ТТ все его точки движутся по окружностям с центрами на оси вращения ( рис. 2.3). Угловые

Лекция 4.
2.4. Динамика колебательного движения   Рассмотрим динамику колебательного движения на примере колеб

Принцип относительности Галилея. Неинерциальные системы отсчета
Механическое движение в инерциальных системах отсчета одинаково и никаким опытом невозможно установить, покоится данная система отсчета или

Для самостоятельного изучения
2.6.1. Понятие силы. Равнодействующая сила Сила – это векторная величина, характеризующая взаимо

Силы трения
Силы трения возникают в результате взаимодействия движущихся и покоящихся тел, соприкасающихся друг с другом. Различают внешнее (с

Сила вязкого трения и сопротивления среды.
Сила вязкого трения возникает между слоями одного и того же сплошного тела (жидкости или газа). Сила вязкого трения за­висят от отно

Деформация стержня
Стержень длинной l0 и сечением S при действии сил и перпендикул

Колебания математического и физического маятников
Математический маятник Математический маятник представляет собой материальную точку, подвешенную на

Работа. Мощность
  При перемещении тела на расстояние s под действием постоянной силы F совершается работа. (3.1) где α

Энергия поступательного движения (кинетическая энергия)
  Если тело массой m движется под действием некоторой силы и изменяет скорость на пути s от

И всегда положительна в любой системе отсчета.
  dr

Работа и энергия вращательного движения
  При повороте тела под действием силы F на бесконечно малый угол dφ любая его точка

Энергия колебательного движения
В процессе колебаний тела или системы тел происходят периодические переходы его кинетической энергии в потенциальную и потенциальной в кинетическую. Кинетическая энергия  

Потенциальная энергия тела относительно поверхности Земли
Потенциальная энергия тела массой m, относительно поверхности Земли на высоте h (рис 3.10).

Работа силы тяжести
Найдем работу, которую совершает сила тяжести

Потенциальная энергия пружины
Внешняя сила, сжимая или растягивая пружину, совершает работу. Освобожденная от внешнего воздействия, пружина восстанавливает свою форму, а потенциальная энергия, запасенная пружиной в процессе деф

Потенциальный барьер и яма
Потенциальная энергия может быть представлена графически. График, выражающий зависимость потенциальной энергии от соответствующей коорди

Для самостоятельного изучения
4.4.1. Применение законов сохранения к упругому и неупругому соударению двух тел. При соударении тела деформируются. При

Продольные и поперечные волны
Если какую-либо частицу или совокупность частиц упругой среды привести в колебательное движение, то колебания не останутся локализованными в том месте, где они возникли, а благодаря взаимодействию

Уравнение плоской гармонической волны. Волновое уравнение.
Уравнение волны позволяет найти смещение s любой частицы среды от ее положения равновесия. Смещение зависит от координат частицы и времени s(x, y, z, t) и является периодической функцией.

Размеры и масса молекул
Вещество в молекулярной физике рассчитывается как совокупность гигантского количества атомов и молекул. Молекулы движутся х

Движение и столкновение молекул газа
В газе молекулы перемещаются, испытывая соударения друг с другом. При каждом соударении скорость молекулы изменяется по величине и по напра

Давление и температура.
  Вещество может находиться объеме, при температуре Т и давление Р. Эти три величины, характеризующие состояние вещества, называются параметрами состояния. Давление P — это с

Диффузия, внутреннее трение, теплопроводность.
В газе находящимся в объеме всегда имеется неоднородность плотности, давления, температуры. Хаотическое движение молекул постепенно выравнивает эту неоднородность, и газ приходит в состояние равнов

Давление идеального газа на стенку
Давление газа в сосуде определяется взаимодействием его молекул со стенкой. Выделим на поверхности стенки сосуда достаточно малую площадку

Уравнение состояния идеального газа
Опытным путем было получено отношение, которое равно постоянной велечине. При условии, что газ имеет Р = 1,01∙105

Термодинамическая система. Внутренняя энергия идеального газа
Термодинамическая система (ТС) - это совокупность макроскопических тел обменивающихся энергией в форме работы и тепла как друг с другом, так и внешней средой. Внутренняя энергия сис

Работа и теплопередача
Обмен энергией между (ТС) и окружающими ее телами может проходить в двух формах: макроскопической (в форме работы) и микроскопической (в форме теплопередачи, или теплооборота). Работа

Первое начало термодинамики, термодинамические изопроцессы.
Количество тепла δQ подведенное к ТС, затрачивается на изменение внутренней энергии и на совершение работы. δQ=dA+dU. (7.3) Если на ТС действуют силы обуславливающие дав

Теплоемкость
Теплоемкость – количество тепла δQ, которое необходимо сообщить телу, чтобы повысить его температуру на один градус: C=

Изменение энтропии в изопроцессах
Пусть система совершает процесс с изменением термодинамической вероятности указанной на рис. 8.9. Состояние системы с термодинамической вероятностью W1 в начальный момент времен

Второе начало термодинамики
Приведем наиболее простую формулировку второго начала термодинамики: тепло не может переходить самопроизвольно холодных тел к горячим. Это утверждение многократно подтверждается в нашей практике, в

Динамика
· Свободное тело - тело, на которое не действуют какие-либо другие тела. · Инерциальная система отсчета- система отсчета, в которой свободное тело покоитс

ОБОЗНАЧЕНИЯ
– координаты – орты координат

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги