Разработка методики изучения темы "Энтропия" с использованием информационных технологий
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
ничивание и размагничивание некоторых парамагнитных веществ при низких температурах при известных условиях приводит к значительному охлаждению системы. Для того чтобы выяснить причину охлаждения в этом методе, рассмотрим изменение энтропии в описанном процессе, пользуясь энтропийной диаграммой (S, Т). В присутствии постоянного магнитного поля энтропия уменьшается, так как в образце соли повышается степень упорядоченности структуры, а нам известно, что энтропия является мерой неупорядоченности, связанной с молекулярным хаосом, следовательно, упорядоченность в структуре равноценна снижению величины энтропии. В отсутствие поля энтропия при всех температурах выше, так как не имеется фактора, упорядочивающего структуру, но и здесь с понижением Т величина S убывает. В соответствии с постулатом Планка обе кривые проходят через начало координат.
В адиабатном процессе S = const, т. е. dS=0, поэтому из предыдущего выражения следует:
(31)
Эта формула показывает, от каких причин зависит изменение температуры.
Недостижимость абсолютного нуля можно показать чисто термодинамическим путем, рассматривая в виде примера простейший процесс охлаждения какой-либо системы. При этом самым выгодным является процесс адиабатного обратимого расширения, когда система охлаждается, совершая внешнюю работу. Энтропия является функцией объема и температуры. Теорема Нернста и принцип недостижимости абсолютного нуля заставляют нас вновь обратиться к шкале абсолютной температуры в связи с открытием в 1951 г. Парселлом и Паундом состояний вещества с отрицательными абсолютными температурами. Хотя этот эффект относится к так называемым необычным системам, а именно к ядерным спинам, тем не менее необходимо связать его с основными положениями термодинамики. Опыты показали, что атомные ядра обладают собственным вращательным магнитным моментом, называемым спином. В твердом теле в обычных условиях эти спины расположены хаотически. В сильных внешних магнитных полях происходит частичная ориентация спинов вдоль поля, после исчезновения которого спины спустя некоторое время релаксации вновь располагаются беспорядочно. Различают спин-спиновую релаксацию за счет взаимодействия спинов друг с другом и так называемую спин-решеточную релаксацию, происходящую благодаря взаимодействию спинов с решеткой кристалла.
При этом первое время релаксации значительно меньше, чем второе. Для того чтобы убедиться, что состояние с перевернутыми спинами отвечает отрицательной температуре, рассмотрим новое построение шкалы абсолютной температуры. Основные положения термодинамики можно согласовать с описанными опытами и исключить противоречия, если принять в виде условия, что при Т<0 более нагретое тело обладает меньшим численным значением отрицательной температуры, чем более холодное, причем все отрицательные температуры выше положительных.
Учитывая принцип недостижимости абсолютного нуля и принимая, что этот принцип верен как при +0 К, так и при -0 К, мы находим, что эти температуры являются крайними точками, между которыми располагаются все остальные температуры. Заметим, что от состояния с положительной температурой к состоянию с отрицательной температурой нельзя перейти никаким квазистатическим процессом: этот переход возможен только не статическим путем. Поэтому область отрицательных температур может быть достигнута лишь искусственным путем, и по этой причине такие необычные системы встречаются очень редко.
Указанные особенности таких систем позволяют построить термодинамику этих систем. Мы лишь кратко перечислим термодинамические свойства систем с отрицательной абсолютной температурой.
1)Первое начало полностью применимо к необычным системам. Понятия работа, теплота, теплоемкость сохраняются для этих систем.
2)Формулировку Клаузиуса для второго начала можно сохранить, если условиться, что при Т<0 из двух тел более нагретое обладает меньшим численным значением температуры.
3)Второе начало в форме принципа существования и роста энтропии изолированной системы остается без изменения.
4)При сообщении количества теплоты dQ>О телу с отрицательной температурой энтропия его не увеличивается, а уменьшается, так как система переходит в более упорядоченное состояние.
При контактировании тел с абсолютными температурами разных знаков теплота самопроизвольно переходит от тела с ТО, т. е. от более нагретого к менее нагретому. Если оба тела имеют разные отрицательные температуры, то теплота переходит от тела с меньшей по абсолютной величине температурой к телу с температурой .большей по абсолютной величине.
Для необычных систем возможны циклические процессы.
5)Системы с Т<0 могут быть термодинамически устойчивыми.
6)Третье начало сохраняется, если ввести положение о различии температур +0 К и -0 К.
7)Удельная теплоемкость при Т=-0 К равна нулю, так же как для Т= +0 К.
8)Адиабатическое размагничивание системы при Г<0 приводит к ее нагреванию, а не к охлаждению.
Поскольку необычные системы получаются в сложных искусственных условиях и встречаются очень редко, мы можем строить термодинамику, не придавая большого значения этим системам.
2. Методические сведения по теме
2.1 Актуальность использования виртуальных моделей в процессе изучения физики
Эффективность обучения, как в вузе, так и в школе, зависит от органического