Начала термодинамики

Само название «термодинамика» указывает на происхождение этой науки, занимавшейся первоначально изучением теплоты; в дальнейшем она включила в себя изучение превращений энергии во всех ее формах.

Термодинамика основана на небольшом числе утверждений, которые в сжатой форме включают в себя огромный опыт человечества по изучению свойств энергии в процессах ее превращений. Эти утверждения носят название законов (или начал) термодинамики.

Всего насчитывается четыре закона, или начала, термодинамики. Первым было установлено второе начало, последним - нулевое начало.

Нулевое начало термодинамики.

сформулированное всего около 60 лет назад, по существу представляет собой полученное «задним числом» логическое оправдание для введения понятия температуры физических тел. Пока достаточно считать, что температура - это просто уточнение и количественное выражение понятия «степени нагретости».

Первое начало термодинамики обычно формулируется так: «Энергия сохраняется». Тот факт, что сохраняется именно энергия, а не теплота, стал основополагающим открытием 50- х годов XIX столетия, которым мы обязаны Кельвину и Клаузиусу.

Первое начало термодинамики — это закон сохранения энергии, написанный в виде, удобном для определения механической работы,

полученной из тепла. Теплоту можно преобразовать в работу.

Количество теплоты АQ, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии U и на совершение работы А, т.е.

Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией - энергией теплового движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия.

Первое начало термодинамики - это закон сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Важнейшей характеристикой такой системы является, ее внутренняя энергия. Внутренняя энергия термодинамической системы U - это энергия физической системы, зависящая от ее внутреннего состояния. Внутренняя энергия включает в себя энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц системы и энергию взаимодействия этих частиц между собой. Во внутреннюю энергию не входит кинетическая энергия движения системы как целого и ее потенциальная энергия во внешних полях. Внутренняя энергия - функция состояния системы, т.е. величина внутренней энергии не зависит от процесса перехода системы в данное состояние, а определяется значением параметров состояния.

Из 1-го начала термодинамики следует важный вывод:- невозможен вечный двигатель первого рода, т. е. двигатель, который совершал бы работу из «ничего», без внешнего источника энергии.

Второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, т.е. однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов.

Невозможен переход теплоты от тела менее нагретого к телу более нагретому, без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде.

Теплоту можно преобразовать в работу полностью лишь при абсолютном нуле температур.

Невозможно совершить работу за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии.

В современной термодинамике второе начало формулируется как закон возрастания энтропии. Понятие энтропии можно четко и ясно сформулировать в рамках статистической термодинамики, где энтропия S определяется как величина, пропорциональная натуральному логарифму числа квантовых состояний доступных для системы:

здесь к=1,38 * 10ˉ²³ Дж./К - постоянная Больцмана.

В классической механике нет аналога квантового состояния, поэтому возникает вопрос, что же именно мы должны подсчитать, как найти величину - число квантовых состояний?

Термодинамическая система - это совокупность макроскопических тел, которые могут взаимодействовать между собой и с другими телами (внешней средой) - обмениваться с ними энергией и веществом. В частности, термодинамическая система может состоять из одного макроскопического тела.

В некоторых отношениях простейшим макроскопическим телом является идеальный газ, на примере которого мы будем иллюстрировать понятия и законы термодинамики.

состояние термодинамической системы характеризуют макроскопическими параметрами состояния: давлением, температурой, объемом, плотностью и т. д. Например, для заданной массы идеального газа параметрами состояния являются три величины: Р, V, Т.

Равновесное состояние - это такое состояние системы, в которое она самопроизвольно переходит через достаточно большой промежуток времени (время релаксации) в условиях изоляции от окружающей среды. В равновесном состоянии параметры системы имеют определенные значения и не меняются со временем.

Термодинамическим процессом называет всякое изменение во времени хотя бы одного из параметров состояния системы.

Коэффициент полезного действия

теплового движителя

К.П.Д. тепловой машины, работающей по

циклу Карно

возрастание энтропии равно количеству

теплоты, сообщенной телу при

квазистатическом процессе, деленному

на абсолютную температуру.

Для идеального механического процесса

без трения (обратимый) и для живых организмов

Во всех Необратимых процессах

Двигатель, работающий только за счет энергии.; находящихся в тепловом равновесии тел, был бы на практике вечным двигателем. II-ое начало исключает возможность создания такого вечного двигателя второго рода.

Третье начало термодинамики касается свойств веществ при очень низких температурах. Оно утверждает невозможность охлаждения вещества до температуры абсолютного нуля посредством конечного числа шагов.

Третье начало вполне можно считать одним из «настоящих» законов термодинамики, поскольку оно очевидным образом предполагает атомное строение вещества, тогда как другие законы представляют собой лишь обобщение непосредственного опыта и не зависят ни от каких предположений подобного рода.

Таким образом, между третьим началом.

термодинамики и остальными ее законами обнаруживается существенное различие, причем даже логическое обоснование третьего начала

выглядит не столь надежным, как остальных законов.

Достоинством и недостатком термодинамического метода, одновременно, является независимость, от принятого взгляда на строение вещества. С помощью термодинамики можно решать многие важные задачи, вовсе не касаясь вопросов строения вещества.

Дата добавления: 2014-01-20