Методические указания к решению задач по курсу общей физики. Раздел «Термодинамика»

Московский государственный технический университет
 имени Н.Э. Баумана
О.С. Еркович, А.Н. Морозов
Методические указания к решению
задач по курсу общей физики.
Раздел «Термодинамика»
Под редакцией Л.К. Мартинсона
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2006

Е69
УДК 536.7 (076)
ББК 22.317
        Е69
Рецензент  Л.П. Овчаренко
Еркович О.С., Морозов А.Н.
Методические указания к решению задач по курсу общей физики. Раздел «Термодинамика» / Под ред. Л.К. Мартинсона. – М.:
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 38 с.
Содержится краткий обзор основных понятий и соотношений, необходимых для решения задач по разделу «Термодинамика». Изложена методика решения типовых задач. Даны условия задач, приведены примеры
их решения.
Для студентов 1-го курса МГТУ им. Н.Э. Баумана всех специальностей.
Ил. 4. Библиогр. 4 назв.
УДК 536.7 (076)
ББК 22.317
Методические указания
Ольга Станиславовна Еркович
Андрей Николаевич Морозов
Методические указания к решению
задач по курсу общей физики.
Раздел «Термодинамика»
Редактор А.В. Сахарова
Корректор М.А. Василевская
Компьютерная верстка  Е.В. Зимакова
Подписано в печать 05.10.2006. Формат  60х84/16. Бумага офсетная.
Печ. л. 2,5. Усл. печ. л. 2,21.  Уч.-изд. л. 2.05. Тираж 500 экз.
Изд № 75. Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская, 5.
                    
        
©
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006

I. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ.
УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ
Особенности макроскопических процессов обусловлены тем,
что число содержащихся в макроскопических телах частиц (атомов, молекул, ионов) чрезвычайно велико. Благодаря этому беспорядочное движение частиц приобретает новые качества: макроскопические свойства систем из большого числа частиц в обычных
условиях совершенно не зависят от начального положения этих
частиц, в то время как механическое состояние системы существенно зависит от этих условий. Возрастание количества механически движущихся частиц в системе порождает новый вид движения
– тепловое движение. Для исследования процессов, связанных с
тепловым движением, применяют два качественно различных и
взаимно дополняющих друг друга подхода: статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический.
Молекулярная (статистическая) физика – раздел физики, изучающий свойства вещества исходя из молекулярно-кинетической
теории его строения. Согласно этой теории, все тела состоят из молекул (атомов, ионов), находящихся в непрерывном хаотическом
движении, которое, собственно, и называется тепловым движением.
Термодинамический же метод не учитывает внутреннее строение веществ изучаемых тел (систем) и характер движения отдельных частиц. Он основан на изучении различных превращений
энергии, происходящих в системе. Условия этих превращений и
соотношения между различными формами энергии позволяют
изучать физические свойства макроскопических систем при самых
разнообразных процессах, в которых эти системы участвуют. Раздел физики, в котором физические свойства систем изучаются с
помощью термодинамического метода, называется термодинамикой (или феноменологической термодинамикой). Термодинамика
основана на двух установленных экспериментальным путем законах (началах) термодинамики, а также на тепловой теореме Нернста, называемой третьим началом термодинамики.
Область применения термодинамики значительно шире, чем
область применения молекулярной физики, так как термодинамика
не связана представлениями о микроскопических свойствах веще3

ства, она только устанавливает наиболее общие связи между его
макроскопическими свойствами. Феноменологический характер
термодинамики приводит, с одной стороны, к важным результатам, обладающим применимостью для широких классов макроскопических систем, а с другой – не позволяет вскрыть природу
изучаемых явлений. По этой причине развитие термодинамики
шло неразрывно с формированием молекулярно-кинетической
теории строения вещества.
В настоящее время нет оснований для противопоставления
термодинамических и молекулярно-кинетических методов исследования.
В термодинамике рассматриваются термодинамические системы – макроскопические объекты (тела и поля), которые могут обмениваться энергией как между собой, так и с внешней средой,
т. е. с макроскопическими объектами, не входящими в состав изучаемой системы.
Для описания состояния термодинамической системы вводят
физические величины, которые называют термодинамическими
параметрами, или параметрами состояния системы. Для широкого
класса термодинамических систем параметрами состояния выбирают давление, объем и температуру.
Давлением p называют физическую величину, численно равную силе, действующей на единицу площади поверхности тела по
направлению нормали к этой поверхности: 
,
n
dF
p
dS
=
 где 
n
dF  –
численное значение нормальной проекции силы, действующей на
малый участок поверхности тела площадью dS.
Понятие температуры имеет смысл для равновесных состояний
термодинамической системы. Равновесным состоянием (состоянием термодинамического равновесия) называют состояние системы,
все параметры которой не зависят от времени (стационарное состояние), и в которой нет никаких стационарных потоков за счет
действия каких-либо внешних источников.
В термодинамике постулируется, что у изолированной термодинамической системы (т. е. у системы, не обменивающейся с окружением ни веществом, ни энергией) существует состояние термодинамического равновесия, в которое система переходит с
течением времени и самопроизвольно выйти из него не может.
4