Возраст Солнца, Звезд, Вселенной. Отличия научной картины мира от классической. Распределение солнечной энергии (стр. 2 из 4)
Внутренняя энергия - это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит вещество.
 |
Внутренняя энергия любой системы складывается из энергий, входящих в нее атомов и молекул. Она представляет собой сумму кинетической энергии движения частиц (атомов, молекул или ионов), потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия, энергии взаимодействия электронов и ядер в молекулах и энергии, отвечающей массе покоя частиц согласно уравнению Эйнштейна. Внутренняя энергия не относится к непосредственно измеряемым величинам. На опыте удается измерить только теплоту, поглощаемую или выделяемую системой, и определить работу, связанную с переходом из одного состояния системы в другое. При любых процессах совокупность величин Q – A не зависит от пути перехода, это позволило определить изменение внутренней энергии системы с помощью уравнения
dU = d Q – d A £ TdS – dU (1)
Положительным считается такое изменение энергии, которое отвечает увеличению U в системе.
В случае равновесного процесса
d A =dA = TdS – dU (2)
При S = const (равновесный адиабатный процесс)
dA = -dU и A = U1 - U2 (3)
Интегрируя при постоянной Т уравнение (2) получаем:
A = (U1 – TS1) - (U2 – TS2) (4)
Введем обозначение
F = U – TS (5)
получим (при Т = const)
A = F1 – F2 = -D F (6)
где F – функция состояния, называемая изохорно – изотермическим потенциалом или свободной энергией системы. Переписав уравнение (5) в виде
U = F + TS
Можно рассматривать внутреннюю энергия, как энергию, состоящую из двух частей – свободной энергии F и связанной энергии TS.
Изохорный потенциал системы, находящейся при постоянных объеме и температуре, стремится уменьшиться в самопроизволных процессах.
Представим элементарную работу как сумму работы расширения и других видов работы:
d A = pdV + d A¢ (7),
где d A¢ - сумма элементарных работ всех видов, кроме работы расширения.
Из уравнений (1, 7) получаем:
d A¢ £ TdS – dU – pdV (8)
Теперь можно найти A¢ , получаемую при переходе системы из одного состояния в другое. Интегрируя это уравнение в соответствующих пределах при постоянных температуре и давлении и сгруппировав все величины, относящиеся к одному состоянию получим:
A¢ £ (U1 – TS1 + pV1) - (U2 – TS2 + pV2)
Обозначив через G выражения, стоящие в скобках правой части уравнения, которые являются функциями состояния, т. е.
G º U – TS + pV º F + pV º H – TS (9)
Для равновесных процессов A¢ будет максимально:
A¢ = G1 – G2 = - D G
G – функция состояния, определяемая уравнением (9) и называемая изобарно – изотермическим потенциалом или свободной энергией системы.
Самопроизвольные процессы всегда идут с уменьшением свободной энергии (при T = const и V = const) или соответственно ее изобарного потенциала (при T = const и р = const). Иными словами могут идти лишь те процессы, при которых система способна совершать работу.
Смысл первого начала термодинамики можно сформулировать следующим образом: «Количество тепла Q, полученное системой, идет на приращение ее внутренней энергии (U2-U1) и на производство внешней работы».
Уравнение состояния идеального газа, записанное Бенуа Клапейроном (1799-1864) для 1 моля газа, имеет простой вид V=RT
Средняя кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул газа прямо пропорциональна абсолютной температуре. Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы, т.е. больше их кинетическая энергия.
Если тепло поступает в тело, температура возрастает, но не всегда. Может быть тепло преобразуется в работу? Например, тепло поступает в цилиндр, наполненный паром, газ расширяется и толкает поршень. Можно подобрать условия так, чтобы все поступающее тепло было использовано для получения работы, а газ остался при той же температуре, хотя его давление понизится. Если пар был под достаточно высоким давлением, он может и без добавки тепла выполнить работу, толкая поршень. Потеря внутренней энергии выразится в том, что упадет температура.
Другой случай, когда подведенная тепловая энергия не вызывает повышения температуры, это изменение состава вещества. Для превращения 1 г льда в 1 г воды необходимо 80 кал. Если это количества тепла подвести к системе, то ее температура не изменится. Если подвести еще 100 кал, то вода закипит. Если добавить еще 540 кал, то температура воды опять не будет меняться при кипении, но вода превратится в пар. Таким образом, тепловая энергия может поступать в вещество и превращаться непосредственно в работу или может накопиться в веществе и, не меняя его температуры, изменить его состояние[4].
6. ДАЙТЕ ПОНЯТИЕ ОБ ОБРАТИМЫХ И НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССАХ. ПРИВЕДИТЕ ПРИМЕРЫ. КАК СТРОИТСЯ ТЕРМОДИНАМИКА ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ? ДАЙТЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ПРЯМОЙ И ОБРАТНОЙ СВЯЗИ В СЛОЖНОЙ СИСТЕМЕ
Термодинамика открытых систем изучает существенно неравновесные процессы. В их описании ключевую роль играет понятие возрастания энтропии системы за счет процессов, происходящих внутри нее. Такой подход привел к новому взгляду на привычные понятия. Выдающаяся роль в развитии данного научного направления принадлежит И.Р. Пригожину, удостоенному за свои работы Нобелевской премии в 1977 году. Большой вклад внесли также Л. Берталанфи, Л. Онзагер, Л.И. Мандельштам, М.А. Леонтович, М. Эйген, Г. Хакен.
Открытые системы, в которых наблюдается прирост энтропии, получили название диссипативных. В таких системах энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного хаотического движения, т.е. в тепло. Если замкнутую систему вывести из состояния равновесия, то в ней начнутся процессы, возвращающие ее к состоянию термодинамического равновесия, в котором ее энтропия достигает максимального значения. Со временем степень неравновесности будет уменьшаться, однако, в любой момент времени ситуация будет неравновесной. В случае открытых систем отток энтропии наружу может уравновесить ее рост в самой системе. В этих условиях может возникнуть и поддерживаться стационарное состояние. Такое состояние Берталанфи назвал текущим равновесием. По своим характеристикам текущее равновесие может быть близко к равновесным состояниям. В этом случае производство энтропии минимально (теорема Пригожина). Если же отток энтропии превышает ее внутреннее производство, то возникают и разрастаются до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации.
Возникновение металлической связи. Валентные электроны металлов достаточно слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них. Поэтому металл содержит ряд положительных ионов, расположенных в определенных положениях кристаллической решетки, и большое количество электронов, свободно перемещающихся по всему кристаллу. Электроны в металле осуществляют связь между всеми атомами металла.
Полупроводники отличаются от других классов твердых тел многими специфическими особенностями, главнейшими из которых являются:
1) положительный температурный коэффициент электропроводности, то есть с повышением температуры электропроводность полупроводников растет;
2) удельная проводимость полупроводников меньше, чем у металлов, но больше, чем у изоляторов;
3) большие значения термоэлектродвижущей силы по сравнению с металлами;
4) высокая чувствительность свойств полупроводников к ионизирующим излучениям;
5) способность резкого изменения физических свойств под влиянием ничтожно малых концентраций примесей;
6) эффект выпрямления тока или неомическое поведение на контактах.
Среди простых веществ полупроводниками являются бор, кремний, германий, серое олово, некоторые модификации фосфора, мышьяка и сурьмы, а также селен, теллур и йод. Совсем недавно открыта новая модификация углерода - фуллерит, который является полупроводником в отличие от алмаза и графита. Помимо них известны многочисленные полупроводниковые соединения: оксиды, сульфиды, селениды, теллуриды, арсениды, антимониды, интерметаллические полупроводники, тройные и более сложные полупроводниковые соединения.
Неорганические полупроводниковые вещества, как правило, обладают координационной структурой, то есть в их пространственных решетках отсутствуют молекулы. Другими словами, они обладают немолекулярной структурой. Поэтому макроскопическое тело полупроводника состоит либо из большого числа одинаковых атомов (простое вещество), либо также из большого числа (порядка числа Авогадро) различных атомов (соединение).
Огромную роль играют поверхностные свойства полупроводников. Нередко поверхностные энергетические уровни и зависящие от них свойства преобладают над объемными характеристиками полупроводников. Поэтому, чтобы улучшить электрофизические характеристики полупроводниковых приборов, в полупроводниковом приборостроении особое внимание обращают на травление поверхности, влияние адсорбированных газов, присутствие посторонних взвешенных частиц и т.п.
Диэлектрики - тела, плохо проводящие ток. В диэлектриках в отличие от проводников практически нет свободных зарядов, способных перемещаться на значительные расстояния по всему объему тела.
Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул (к такому типу диэлектриков относят все газовые диэлектрики, жидкие диэлектрики, а также часть твердых), либо из заряженных ионов, размещенных в узлах кристаллической решетки в определенных положениях равновесия. Ионные решетки могут быть разбиты на элементарные ячейки, каждая из которых содержит равное количество положительных и отрицательных зарядов и в целом нейтральна. Таким образом, в целом можно определить диэлектрик как вещество, построенное из нейтральных молекул, причем в случае ионной решетки под нейтральной молекулой следует понимать элементарную ячейку.