Второе начало термодинамики




Концепции термодинамики

 

 

Термодинамика – наука о наиболее общих свойствах макроскопических тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями. Термодинамика изучает тепловые процессы в макроскопических системах без учёта их молекулярного строения.

 

Температура

Температура – физ. величина, характеризующая степень нагретости тела.

Температурные шкалы:

1. Шкала Цельсия используется обычно в Европе и Азии. Построена по двум точкам, характеризующим состояние воды – первой точкой отсчёта принята температура тающего льда (t=00), второй точкой принята температура кипения воды (t=1000).

2. Шкала Кельвина используется в научных исследованиях. Построена по одной точке. За абсолютный нуль температуры принято такое состояние вещества, при котором прекращается поступательное движение молекул. Еденица измерения называется Кельвин (К): 1 К = 1 С0. Т=273,15+t0.

3. Шкала Фаренгейта используется в ряде стран Азии и Америки, в том числе в США. Построена по двум точкам – температура тела здорового человека = 960, а температура таяния льда =320. 10F~5/9*C0.

 

Сравнение температурных шкал:

Состояние F0 C0 K0
Кипение воды      
Таяние льда      
Абсолютный нуль -459 -273  

 

 

Равновесные состояния и процессы

Термодинамические параметры – макроскопические параметры, которые характеризуют состояние термодинамической системы в целом (объем, давление, температура и т.д.)

Термодинамическая система называется равновесной, если параметры состояния при отсутствии внешних воздействий остаются неизменными сколь угодно долго.

Термодинамический процесс – переход системы из одного равновесного состояния в другое равновесное состояние через некоторую последовательность промежуточных состояний.

Термодинамический процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных промежуточных состояний называют равновесным или обратимым процессом.

Равновесным может быть только бесконечно медленно протекающий процесс.

Термодинамика традиционно изучает только равновесные системы и процессы.

 

 

Первое начало термодинамики

Внутренняя энергия – часть полной энергии, которая определяется собственными параметрами состояния системы. Включает в себя:

· Кинетическую энергию теплового движения молекул;

· Потенциальную энергию взаимодействия молекул;

· Кинетическую и потенциальную энергию атомов в молекулах;

· Внутриатомную энергию.

Существует только два способа изменения внутренней энергии системы:

1. Совершение механической работы системой над внешними телами или внешними силами над системой;

2. В процессе теплопередачи – передачи энергии без совершения работы.

Механическая работа – работа, которую совершает система над внешними телами при увеличении своего объема.

Количество теплоты – энергия, передаваемая системе в процессе теплопередачи. Является мерой изменения той части внутренней энергии тела, которая обусловлена тепловым движением молекул. Единица измерения СИ: Дж. Внесистемная единица – калория.

Калория – количество теплоты, которое следует передать 1 г дистиллированной воды, чтобы нагреть ее на 1С0 от 19,5С0 до 20,5С0. 1 кал=4,19 Дж

На основе экспериментов Джоуля (середина 19в.) немецкий физик Майер сформулировал закон сохранения энергии – один из фундаментальных законов природы.

Закон сохранения энергии (Р.Майер):

Энергия не возникает из ничего и не исчезает, в различных процессах она только превращается из одного вида в другой в эквивалентных количествах.

 

Применительно к тепловым процессам закон сохранения энергии называют первым началом термодинамики:

Количество теплоты, переданное системе, в общем случае расходуется на увеличение ее внутренней энергии и совершение механической работы против внешних сил.

 

Вечный двигатель первого рода – машина, которая была бы способна совершать работу, не затрачивая при этом энергию и не получая тепло извне.

Вечный двигатель первого рода невозможен.

 

Второе начало термодинамики

Тепловой двигатель – машина, превращающая внутреннюю энергию в механическую работу.

Тепловой двигатель, у которого рабочие части периодически возвращаются в исходное положения, называют периодическим тепловым двигателем.

Условия работы периодического теплового двигателя:

1. Наличие рабочего тела, которое при нагреве расширяется и совершает работу.

2. Использование кругового процесса (цикла) – замкнутого термодинамического процесса, при котором система возвращается в исходное состояние.

3. Наличие нагревателя и холодильника.

Чтобы совершить полезную работу, расширение рабочего тела должно идти при более высокой температуре, чем сжатие. Для нагрева рабочего тела необходим нагреватель, а для охлаждения рабочего тела перед сжатием необходим холодильник.

А=Q1-Q2

 

Второе начало термодинамики в формулировке Кельвина:

Невозможен такой периодический процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

 

Вечный двигатель второго рода – машина, которая все тепло, полученное от нагревателя, целиком превращает в работу без каких-либо изменений в окружающей среде.

Вечный двигатель второго рода невозможен.

 

Решение Парижской академии наук (1775) – не рассматривать любые проекты, связанные с созданием вечных двигателей.

 

Энтропия

В 1824 году французский военный инженер Сади Карно исследовал возможность создания идеального теплового двигателя. В основе работы такого двигателя термодинамический цикл, составленный из обратимых термодинамических процессов.

В идеальной тепловой машине Карно количество теплоты (Q1), переданное нагревателем рабочему телу, и количество теплоты (Q2), отданное холодильнику, связаны с температурами нагревателя (Т1) и холодильника (Т2) простым соотношением:

Q1/T1=Q2/T2

Отношение Q/T Лоренц назвал приведенной теплотой.

Клаузиус показал, что существует такая функция S, изменение которой при обратимом процессе зависит лишь от термодинамических параметров системы в начальном А и конечном В состояниях, но не зависит от пути перехода из состояния А в состояние В.

Эту функцию Клаузиус назвал энтропией (1865 г.).

В изолированной системе могут происходить только такие процессы, при которых энтропия системы не уменьшается.

Использую понятие энтропии, Клаузиус в 1876 году дал наиболее общую формулировку второго начал термодинамики:

При реальных (необратимых) процессах энтропия изолированной системы возрастает, достигая максимального значения в состоянии равновесия.

Итог:

Энтропия определяет меру необратимого рассеивания энергии, является мерой отклонения реального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот, она является функцией состояния и остаётся постоянной при обратимых процессах, тогда как в необратимых – её изменение всегда положительно.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-26 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: