Движение тепла
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
1. Какие тепловые процессы могут протекать в изолированной системе самопроизвольно?
2. Зависит ли изменение внутренней энергии системы от пути (способа) ее перехода из одного состояния в другое?
3. Достаточно ли только закона сохранения энергии для описания возможных самопроизвольных процессов в изолированных системах?
Теоретический материал
Давайте представим школьный рюкзак. В нем лежат книжки, тетради, ручки, карандаши, другие школьные принадлежности. Эта система отделена от окружающего мира оболочкой- стенками рюкзака.
Тоже самое можно представить, например, и с газом или раствором, находящемся в сосуде с герметичным поршнем. В физике используется понятие «Идеальный газ» как модель реального газа. Рассмотрим идеальный газ в сосуде под поршнем.
Если поршень начнет двигаться, то на идеальный газ будет оказываться внешнее воздействие. Количество газа при этом не изменится, а вот объем и давление в сосуде станут другими. Можно сказать, что система прореагировала на внешнее воздействие.
Поршень будет двигаться и без механического воздействия, в результате теплопередачи. В этом случае система теряет или приобретает некоторое количество теплоты (∆Q) вследствие того, что ее нагрели или охладили.
Если теплообмен с внешней средой не происходит, т.е. процесс адиабатный, то теплоперенос невозможен (ΔQ=0)
Раз мы упомянули адиабатический процесс, то давайте вспомним и другие.
В этом нам поможет объединенный газовый закон: (PV/T=const) и графики каждого процесса.
Изотермический процесс- процесс в отсутствии изменения температуры.
Т= const pV=const
Изобарный процесс- процесс, происходящий без изменения давления.
p=const V/T= const
Изохорный процесс- процесс с неизменным объемом газа.
V=const p/T=const
Система может откликаться на внешнее воздействие и механически: расширяясь двигать поршень или поднимать груз, т.е. совершать работу. Работа газа равна произведению давления на изменение объема. A=pΔV
Для вывода третьей составляющей первого закона термодинамики, к которому мы плавно подходим представим такую ситуацию:
Система совершает работу над внешними телами. К примеру, газ, расширяясь, двигает поршень. Кроме того, допустим, что при этом система получает тепло из внешней среды (мы нагреваем цилиндр с газом), т. е. Q > О.
В результате совместных процессов теплопереноса и работы изменяется внутренняя энергия системы на величину ΔU. Напомним, что внутренняя энергия (U)- энергия внутри тела, состоящая из кинетической энергии движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. В нашем примере газ получает количество теплоты ΔQ извне и совершает над поршнем работу А. Внутренняя энергия системы (т.е. газа) у при совершении ею работы над внешними телами (поршнем) и увеличивается в результате притока тепла извне, т. е. в соответствии с законом сохранения энергии мы можем записать следующую формулу:
ΔU = ΔQ-A,
Заменив работу газа в формуле на работу внешних сил получаем первый закон термодинамики:
ΔU= ΔQ+А
I закон термодинамики – это закон сохранения и превращения энергии для термодинамической системы.
Термодинамика — раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем, способы передачи и превращения энергии в таких системах.
Так же у ΔU есть важное свойство: Значение ΔU определяется только начальным и конечным состояниями (ΔU не зависит от пути, по которому совершился этот переход). Величины, которые, подобно U, обладают указанным свойством, называют функциями состояния системы. Для одноатомного газа где - количество вещества, R- универсальная газовая постоянная, ΔT- изменение температуры. Однако для термодинамического описания разнообразных процессов одного первого закона термодинамики недостаточно.
Действительно, существует ряд процессов, не противоречащих первому закону термодинамики, но которые не могут происходить самопроизвольно.
Например, тепло всегда переходит от более горячего тела к более холодному. Следовательно, есть еще один термодинамический закон, который разрешает одни самопроизвольные процессы, не противоречащие первому закону, и запрещает другие. Это второй закон термодинамики.
Разберем его на примере.
| 
|
| ΔS = ΔQ/Т | |
| ΔS = ΔSA + ΔSв | |
| QA + Qв =0 | |
| ΔS = ΔQA/ТA | ΔS= ΔQв/Тв |
| ΔQA=- ΔQв | |
| ΔS = ΔQA/TA+ΔQВ/ТВ= =ΔQВ(1/ТВ- 1/ТA). | |
| ΔQв>0 | |
| ТВ<ТA | |
| 1/ТВ - 1/ТA >0 | |
| ΔS >0. |
Пусть два соприкасающихся тела А и В полностью изолированы от внешней среды. Но между самими телами идет передача тепла от тела А к телу В, поскольку ТA > ТВ (ситуация утюг- брюки).
Введем для каждого тела величину ΔS = ΔQ/Т, где Т- температура тела, а ΔQ - тепло, полученное телом. Если тело не получает, а отдает тепло, будем величину ΔS определять так же, но полагать, что ΔQ < 0. Посмотрим, как будет изменяться суммарная величина ΔS = ΔSA + ΔSв в процессе теплопередачи. Поскольку QA + Qв =0 (тепло передается от одного тела к другому без потерь), получим ΔS = Δ QA / ТA +ΔQв/ ТВ = ΔQв (1/ТВ - 1/ТA).
Поскольку тело В получает тепло, то ΔQв > 0, а так как ТВ < ТA, то 1/ ТВ - 1/ ТA >0. Следовательно, ΔS > 0. Таким образом, для рассмотренного самопроизвольного процесса в
изолированной системе величина ΔS положительна и ΔQ/T > 0.
Если же процесс равновесный и обратимый (т. е. ТA = ТВ) и тело А отдало телу В некое количество теплоты, а затем такое же количество теплоты получило назад, имеет место равенство ΔS = 0.
В термодинамике вводится функция состояния S.
При этом для обратимого (равновесного) процесса, протекающего в изолированной системе, S = 0, тогда как для необратимого (неравновесного) процесса в такой системе S > О. Эту функцию состояния, которая не убывает в любых процессах, происходящих в изолированных системах, немецкий физик Рудольф Клаузиус назвал энтропией.
Итак, второй закон термодинамики в формулировке Клаузиуса гласит: в изолированной системе самопроизвольно могут протекать только процессы, которые ведут к увеличению энтропии. Согласно Людвигу Больцману, энтропия есть мера хаотичности, неупорядоченности системы.
Сравним, к примеру, три объекта: лед, жидкую воду и водяной пар. В кристаллах льда молекулы расположены упорядоченно. В жидкости порядка меньше. Молекулы же газа движутся хаотически. Тогда второй закон (второе начало) термодинамики можно сформулировать так: в изолированной системе самопроизвольно могут протекать только такие процессы, которые ведут к увеличению неупорядоченности системы, т.е. к увеличению энтропии.
С энтропией мы встречаемся довольно часто: когда наблюдаем процессы растворения, диффузии газов и жидкостей, испарения жидкостей, когда при нагревании твердое или жидкое тело разлагается с выделением газа.
Можно рассмотреть второй закон и с другой точки зрения.
Формулировка Кельвина: Невозможно создать круговой процесс, результатом которого станет исключительно превращение теплоты, которое получено от нагревателя, в работу. Из данной формулировки второго закона термодинамики делают вывод о невозможности создания вечного двигателя. Это означает, что периодически действующая тепловая машина должна иметь нагреватель, рабочее тело и холодильник. При этом КПД идеальной тепловой машины не может быть больше, чем КПД цикла Карно:
КПД=(ТН-ТХ)/ТН
где ТН – температура нагревателя; ТХ — температура холодильника; (ТН > ТХ)
На уроке мы узнали о формах движения тепла и о составляющих первого закона термодинамики. Разобрались, что такое термодинамика. Рассмотрели второй закон термодинамики и узнали, что такое энтропия и где мы встречаемся с ней в жизни.
Словарь терминов
Идеальный газ — теоретическая математическая модель газа; в которой пренебрегают размерами частиц газа, не учитывают силы взаимодействия между частицами газа, предполагая, что средняя кинетическая энергия частиц много больше энергии их взаимодействия, и считают, что столкновения частиц газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.
Термодинамика – раздел физики, изучающий движение тепла. Термодинамика включает в себя следующие разделы:
начала термодинамики (иногда также называемые законами или аксиомами)
I закон термодинамики – это закон сохранения и превращения энергии для термодинамической системы.
II закон термодинамики – это один из основных законов термодинамики, устанавливающий необратимость реальных термодинамических процессов.
уравнения состояния и свойства простых термодинамических систем (идеальный газ, реальный газ, диэлектрики и магнетики и т. д.)
При адиабатном процессе теплообмен с внешней средой не происходит. ΔQ=0
При изотермическом процессе не изменяется температура. ΔТ=0
При изохорном процессе не изменяется объем. ΔV=0
При изобарном процессе не изменяется давление. Δp=0
равновесные процессы с простыми системами, термодинамические циклы
термодинамические фазы и фазовые переходы
неравновесные процессы и закон неубывания энтропии
Энтропия – это функция состояния(S). Изменение энтропии определяется величиной ∆S=∆Q/T. В случае обратимого (равновесного) процесса, протекающего в изолированной (предоставленной самой себе) системе ∆S=0, тогда как для необратимого (неравновесного) процесса в такой системе ∆S>0.
Видео https://youtu.be/-wOJ16X6sqw
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. – §55, стр. 166-168
Физика. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- Вентана-Граф, 2011 стр. 237-242, 272-288, 303-308.
Задание