Внутренняя энергия идеального и молекулярных газов

По просьбе нашего читателя постараемся описанную тему от 09:40 | 05.02.2013 раскрыть ещё глубже, сегодня рассмотрим Внутренняя энергия идеального и молекулярных газов. Не будем разливать воду, а преступим рассмотрению этого вопроса.

Основное положение

Рисунок 3. Внутренняя энергия идеального газа.

В условиях изучения тепловых явлений (наряду с механической энергией тел) в физике вводится такой вид энергии, как внутренняя энергия идеального газа, вычислить которую особого труда не составляет.

Наиболее простым по своим свойствам считается одноатомный газ, состоящий не из молекул, а из отдельных атомов. К одноатомным относятся такие инертные газы, как неон, гелий, аргон и др. Можно также получить одноатомный (атомарный) водород, кислород и др. Но подобные газы не будут устойчивыми, поскольку при столкновениях атомов образуются молекулы $H_2, O_2$.

Молекулы идеального газа не будут взаимодействовать между собой (исключение составят моменты непосредственных столкновений). Это объясняет незначительность их средней потенциальной энергии и ситуацию, когда вся энергия является кинетической энергией хаотического перемещения молекул. Тогда становится справедливым утверждение о покоящемся газе в сосуде, поскольку он, как целое, не движется (упорядоченное движение отсутствует, а механическая энергия газа приравнивается к нулю).

Идеальный газ обладает энергией, называемой внутренней. Она является прямо пропорциональной его абсолютной температуре и не зависимой от объема газа. Внутренняя энергия газа считается средней кинетической энергией всех его атомов.

Внутренняя энергия одноатомного газа, по существу, представляет среднекинетическую энергию поступательного молекулярного движения молекул. В сравнении с атомами, молекулы, которые лишены сферической симметрии, еще способны к вращению. По этой причине, в комплексе с кинетической энергией от поступательного движения, молекулам также свойственна кинетическая энергия вращательного движения.

В классической молекулярной кинетической теории рассмотрение молекул и атомов осуществляется в качестве очень малых и абсолютно твердых тел. Любое тело в рамках классической механики будет характеризоваться конкретным числом степеней свободы (числом независимых переменных), которые однозначно определяют положение тела в пространстве.

Атом способен к совершению исключительно поступательного движения, согласно трем независимым и взаимно перпендикулярным направлениям. Двухатомная молекула имеет осевую симметрию и обладает пятью степенями свободы, три из которых будут соответствовать ее поступательному, а две - вращательному движениям вокруг двух перпендикулярных друг другу осей и оси симметрии (объединяющей центры атомов в молекуле).

Многоатомная молекула (подобно твердому телу произвольной формы) будет характеризоваться шестью степенями свободы; молекула, наряду с поступательным движением, способна совершать вращения вокруг трех осей (взаимно перпендикулярных).

Внутренняя энергия газа считается зависимой от числа степеней свободы молекул. Следствием полной беспорядочности теплового движения является тот факт, что ни один из видов движения молекулы не обладает преимуществами перед другим.

На каждую соответствующую поступательному (вращательному) движениям молекул степень свободы приходится одинаковая средняя кинетическая энергия. В этом заключается теорема равномерного распределения кинетической энергии согласно степеням свободы, доказываемая в статистической механике.

Определение 1

Рисунок 1. Энтропия и вероятность.

В термодинамике положение концепции характеризуется конкретными значениями плотности, температуры, давлением и другими измеряемыми величинами. Перечисленные параметры определяют дальнейшее состояние системы в целом, но при одной и той же плотности, элементарные частицы могут располагаться в различных местах её объёма и иметь совершенно разные значения импульса или энергии.

Определение 2

Вероятность термодинамическая приравнивается количеству микросостояний, которые реализуют существующее макросостояние. Такой процесс не является вероятностью в математическом аспекте, следовательно, используется в статистической физике для определения свойств концепции, находящейся в термодинамическом, постоянном равновесии.

Для точного расчёта вероятности в термодинамике существенно, считаются ли одинаковые элементы системы неразличимыми или различными. Поэтому квантовая и классическая механика приводят к абсолютно разным выражениям для термодинамической вероятности.

Заключение

Конечно можно много говорить по теме Внутренняя энергия идеального и молекулярных газов, но основную суть мы изложили по этому вопросу. Если вам нужно дополнительная консультация, пожалуйста пишите ваши сообщения нам на почту. Все поступившие вопросы рассматриваются и не остаются без ответа.