Учебное пособие: Механика, молекулярная физика и термодинамика

Получим выражение для статистического веса макросостояния. Пусть в системе имеется N частиц, а все фазовое пространство (область возможных значений координат и импульсов) разбито на m ячеек. Рассчитаем статистический вес состояния при котором: в 1ой ячейке находится N1 частиц; во 2ой ячейке – N2 частиц; и т.д.; в mой ячейке - Nm частиц. Для этого достаточно рассчитать число возможных перестановок частиц между ячейкам (они не изменяют числа частиц в ячейках). Это можно сделать, если из общего числа перестановок N частиц N! , исключить перестановки в пределах каждой ячейки Ni! (они ничего не изменяют).

                            .                                   

Если в системе создать искусственно неравновесное состояние, то в подавляющем большинстве случаев система самопроизвольно будет переходить в состояние с большей вероятностью. С другой стороны, согласно термодинамике, все самопроизвольные процессы в замкнутой системе, сопровождаются возрастанием энтропии. Поэтому следует ожидать, что между энтропией системы S в каждом состоянии и вероятностью W того же состояния должна существовать однозначная связь. Эта связь была установлена Больцманом (формула Больцмана)

                            ,                                                                         

где k – постоянная Больцмана.

Последнее соотношение можно рассматривать как определение энтропии. При таком понимании энтропии закон ее возрастания утрачивает свою абсолютность и становится статистическим законом. Энтропия замкнутой системы может не только возрастать, но и убывать. Это можно трактовать следующим образом: если система находится в неравновесном состоянии, то переход ее в более вероятное состояние будет происходить в подавляющем большинстве случаев, переходы же в менее вероятные состояния (с меньшей энтропией) настолько маловероятные, что практически не имеют никакого значения. Тогда закон возрастания энтропии оправдывается на практике с абсолютной достоверностью.

Примеры решения задач

Задача 1 Смесь азота и гелия при температуре 27 0С находится под давлением р=1,3×102 Па. Масса азота составляет 70 % от общей массы смеси. Найти кон­цен­тра­цию молекул каждого из газов.

                                                  M2=c2M,

где    M - масса смеси;

          с1 и с2 – процентное содержание азота и гелия.

С другой стороны, масса каждого из газов:    

                                                    (2)

где    V – объем газа;

          m - молярная масса газа;

          mi/NА – масса молекулы.

Приравнивая правые части уравнений (1) и (2), получим:

c1M=;         c2M=;

откуда        n1/n2==1/3. Так как n1+n2=n,

то                     n1==0,8×1022 м-3,                n2==2,4×1022 м-3.

Ответ: n1==0,8×1022 м-3,                   n2==2,4×1022 м-3.

Задача 2 Найти среднюю квадратичную скорость, среднюю кинетическую энергию поступательного движения и среднюю полную кинетическую энергию молекул азота и гелия при температуре 27 0С. Определить полную энергию всех молекул 100 г каждого из газов.

<uкв>=.                                                  (1)

Для расчета средней квадратичной скорости выражение (1) удобно преобразовать, умножив числитель и знаменатель на NA.

<uкв>=;

<uкв>=13,7×102 м/с – для гелия;

<uкв>=5,17×102 м/с – для азота.

Средняя полная энергия молекулы зависит от числа степеней свободы молекулы:

<E0>=.

Полная кинетическая энергия всех молекул, равная для идеального газа его внутренней энергии, может быть найдена как произведение Е0 на число всех молекул:

Е=U=Е0×N;           N=.

Гелий – одноатомный газ Þ i=3, тогда <E0>=6,2×10-21 Дж.

Азот – двухатомный газ Þ i=5, тогда <E0>=10,4×10-21 Дж.

Полная энергия всех молекул

Е=.

Для гелия W=93,5×103 Дж; для азота W=22,3×103 Дж.

Ответ: для гелия W=93,5×103 Дж; для азота W=22,3×103 Дж

Задача 3 Рассчитать среднюю длину свободного пробега молекул азота, коэф­фициент диффузии и вязкость при давлении р=105 Па и температуре 17 0С. Как изменятся найденные величины в результате двукратного увеличения объема газа: 1) при постоянном давлении; 2) при постоянной температуре? Эффективный диаметр молекул азота d=3,7×10-8см.

Концентрацию молекул можно определить из уравнения  p=nkT:

n=p/kT   подставим в уравнение (1):

 6,5×10-8 м.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21