Раздел 2. Термодинамика. Молекулярная физика

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Данный сборник лабораторных работ с элементами компьютерного моделирования содержит описания к лабораторным работам, в которых используются компьютерные модели, разработанные фирмой «Физикон» в среде Windows и включенные в CD-ROM «Открытая физика 1.0» часть 1.

Работа в среде Windows 9Х требует определенных навыков и привычки оперировать с некоторыми стандартными для этой среды способами организации диалога компьютер-пользователь. Для запуска программы необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, когда ее маркер расположен над эмблемой данной части сборника компьютерных моделей. После этого появится начальная картинка, имеющая вид

 

 

 

После этого необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, установив ее маркер над названием радела, в котором расположена данная модель. Для Молекулярной физики и термодинамики вы увидите следующую картинку

 

Чтобы увидеть дальнейшие пункты содержания данного раздела надо щелкать левой кнопкой мыши, установив ее маркер на кнопку со стрелкой вниз, расположенную в правом нижнем углу внутреннего окна.

 

 

Кнопки вверху картинки являются служебными. Предназначение каждой проявляется когда маркер мыши располагается над нею в течение 1-2 секунд (без нажатия кнопок мыши). Очень важной является кнопка с двумя вертикальными чертами «çê», которая служит для остановки эксперимента, а рядом расположенные кнопки – для шага «u ç» и продолжения «uu» работы.

Прочитав надписи во внутреннем окне установите маркер мыши над надписью требуемой компьютерной модели и дважды коротко нажмите левую кнопку мыши. В появившемся внутреннем окне (смотри рисунок в описании к лабораторной работе на стр. 11) сверху также будут расположены служебные кнопки. Кнопка с изображением страницы служит для вызова теоретических сведений. Перемещать окна можно, зацепив (нажав и удерживая левую кнопку) мышью заголовок окна (имеющий синий фон). Закрытие окна теории обеспечивается нажатием кнопки с крестом в правом верхнем углу внутреннего окна.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

АДИАБАТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

 

Ознакомьтесь с теорией в конспекте и учебнике (Савельев, т.1, §82,97).

Выберите «Термодинамика и молекулярная физика», «Адиабатический процесс». Нажмите кнопку с изображением страницы во внутреннем окне. Прочитайте теорию и запишите необходимое в свой конспект лабораторной работы. Закройте окно теории, нажав кнопку с крестом в правом верхнем углу внутреннего окна.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

* Знакомство с компьютерной моделью, описывающей адиабатический процесс в идеальном газе.

* Экспериментальное подтверждение закономерностей адиабатического процесса.

* Экспериментальное определение показателя адиабаты, количества степеней свободы и структуры молекул газа в данной модели.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

СОСТОЯНИЕ системы имеет фиксированные значения макроскопических параметров, описывающих систему в целом. Параметры, характеризующие систему в целом, называются ПАРАМЕТРАМИ СОСТОЯНИЯ. Примерами являются температура, давление, объем и т.д.

РАВНОВЕСНЫМ называется такое состояние системы, при котором все параметры системы имеют определенные значения, остающееся неизменными сколь угодно долго при неизменных внешних условиях.

ОБРАТИМЫМ называется процесс, при реализации которого в обратном направлении система проходит через те же состояния, что и при прямом ходе, но в обратной последовательности. Равновесные процессы всегда обратимы.

КРУГОВЫМ процессом (ЦИКЛОМ) называется процесс, при котором система после ряда изменений возвращается в исходное состояние.

УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона)

.

ТЕПЛОЕМКОСТЬ тела численно равна отношению количества тепла d’Q, сообщенного телу, к изменению температуры тела dT, которое при этом произошло:

С_ТЕЛА = .

УДЕЛЬНОЙ теплоемкостью вещества называется отношение теплоемкости к массе тела.

Если тело нем меняет свой объем, то оно не совершает работы, поэтому при постоянном объеме тела переданное телу тепло dQ’ идет на изменение его внутренней энергии dU.

ТЕПЛОЕМКОСТЬ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ

С_V = .

ТЕПЛОЕМКОСТЬ ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ идеального газа, молекулы которого имеют i степеней свободы

C_P = (1).

ОТНОШЕНИЕ является константой (в определенном диапазоне температур) для данного газа. Эта константа называется показателем адиабаты.

Формула (2) устанавливает связь отношения теплоемкостей g с числом степеней свободы молекулы газа i.

ЧИСЛО (количество) СТЕПЕНЕЙ СВОБОДЫ есть минимальное количество независимых координат, необходимых для однозначного описания положения молекулы в пространстве ИЛИ минимальное количество независимых движений, суперпозиция которых дает любое движение молекулы.

ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ всегда дает 3 степени свободы.

ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ дает 2 степени свободы для линейной молекулы и 3 степени свободы, если атомы в молекуле не расположены на одной линии.

КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ дает 2n_КОЛ степеней свободы, где n_КОЛ – количество независимых колебаний атомов в молекуле (у двухатомной молекулы n_КОЛ = 1).

АДИАБАТИЧЕСКИМ называется процесс, происходящий без теплообмена с внешней средой (d’Q = 0). Уравнение адиабаты

PV^g = const (3).

Принято также выделять ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ, ИЗОБАРИЧЕСКИЙ и ИЗОХОРИЧЕСКИЙ процессы.

 

МЕТОДИКА и ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

Внимательно рассмотрите картинку на рисунке, найдите рисунок элемента, в котором реализуется адиабатический процесс, обратите внимание на его теплоизоляцию. Найдите математическую формулировку условия теплоизоляции. Ознакомьтесь с графиками в правой части изображения.

 

Зарисуйте необходимое в свой конспект лабораторной работы.