Три начала термодинамики

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина

Академия экономики и предпринимательства

Суздалев Алексей Петрович

Реферат:

Три начала термодинамики

Преподаватель: Фёдоров

Виктор Александрович

Тамбов 2006

СОДЕРЖАНИЕ.

Введение......................................................................................................................................... 3

1. Закрытые и открытые термодинамические системы............................................................. 4

2. Первое начало термодинамики................................................................................................ 6

3. Второе начало термодинамики................................................................................................ 9

3.1. Обратимые и необратимые процессы................................................................................ 14

3.2. Энтропия............................................................................................................................... 15

4. Третье начало термодинамики............................................................................................... 19

Заключение................................................................................................................................... 20

Литература.................................................................................................................................... 21

ВВЕДЕНИЕ.

       Наука зародилась очень давно, на Древнем Востоке, и затем интенсивно развивалась в Европе. В научных традициях долгое время  оставался  недостаточно  изученным  вопрос  о взаимоотношениях  целого и части.  Как стало  ясно  в середине 20 века часть может преобразовать целое радикальным и неожиданным образом.

       Из классической термодинамики известно, что изолированные термодинамические системы в соответствии со вторым началом термодинамики для необратимых процессов энтропия системы  S  возрастает до тех пор, пока не достигнет своего максимального значения в состоянии термодинамического равновесия. Возрастание энтропии сопровождается потерей информации о системе.

       Со временем открытия второго закона термодинамики встал вопрос о том, как можно согласовать возрастание со временем энтропии в замкнутых системах с процессами самоорганизации в живой и не живой природе. Долгое время казалось, что существует противоречие между выводом второго закона термодинамики и выводами эволюционной теории Дарвина, согласно которой в живой природе благодаря принципу отбора непрерывно происходит процесс самоорганизации.

       Противоречие между вторым началом термодинамики и примерами высокоорганизованного окружающего нас мира было разрешено с появлением более пятидесяти лет назад и последующим естественным развитием нелинейной неравновесной термодинамики. Ее еще называют термодинамикой открытых систем. Большой вклад в становление этой новой науки внесли И.Р.Пригожин, П.Гленсдорф, Г.Хакен. Бельгийский физик русского происхождения Илья Романович Пригожин за работы в этой области в 1977 году был удостоен Нобелевской премии.

       Как итог развития нелинейной неравновесной термодинамики появилась совершенно новая научная дисциплина синергетика - наука о самоорганизации и устойчивости структур различных сложных неравновесных систем: физических, химических, биологических и социальных.

       В настоящей работе исследуется самоорганизация различных систем аналитическими и численными методами.

1. ЗАКРЫТЫЕ И ОТКРЫТЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ

СИСТЕМЫ.

   Всякий материальный объект, всякое тело, состоящее из большого числа частиц, называется макроскопической системой. Размеры макроскопических систем значительно больше размеров атомов и молекул. Все макроскопические признаки, характеризующие такую систему и ее отношение к окружающим телам, называются  макроскопическими параметрами.  К их числу относятся такие, например, как плотность, объем, упругость, концентрация, поляризованность, намагниченность и т.д. Макроскопические параметры разделяются на внешние и внутренние.

   Величины, определяемые положением не входящих в нашу систему внешних тел, называются  внешними параметрами, например напряженность силового поля (так как зависят от положения источников поля - зарядов и токов, не входящих в нашу систему), объем системы (так как определяется расположением внешних тел) и т.д. Следовательно, внешние параметры являются функциями координат внешних тел. Величины, определяемые совокупным движением и распределением в пространстве входящих в систему частиц, называются  внутренними параметрами, например энергия, давление, плотность, намагниченность, поляризованность и т.д. (так как их значения зависят от движения и положения частиц системы и входящих в них зарядов).

   Совокупность независимых макроскопических параметров определяет состояние системы, т.е. форму ее бытия. Величины не зависящие от предыстории системы и полностью определяемые ее состоянием в данный момент (т.е. совокупностью независимых параметров), называются  функциями состояния.

   Состояние называется  стационарным, если параметры системы с течением времени не изменяются.

   Если, кроме того, в системе не только все параметры постоянны во времени, но и нет никаких стационарных потоков за счет действия каких-либо внешних источников, то такое состояние системы называется  равновесным (состояние термодинамического равновесия). Термодинамическими системами обычно называют не всякие, а только те макроскопические системы, которые находятся в термодинамическом равновесии. Аналогично, термодинамическими параметрами называются те параметры, которые характеризуют систему в термодинамическом равновесии.

   Внутренние параметры системы разделяются на интенсивные и экстенсивные. Параметры не зависящие от массы и числа частиц в системе, называются  интенсивными  (давление, температура и др.). Параметры пропорциональные массе или числу частиц в системе, называются  аддитивными  или  экстенсивными (энергия, энтропия и др.). Экстенсивные параметры характеризуют систему как целое, в то время как интенсивные могут принимать определенные значения в каждой точке системы.

   По способу передачи энергии, вещества и информации между рассматриваемой системы и окружающей средой термодинамические системы классифицируются:

1. Замкнутая  (изолированная)  система  - это система в которой нет обмена с внешними телами ни энергией, ни веществом (в том числе и излучением), ни информацией.

2. Закрытая система  -  система в которой есть обмен только с энергией.

3. Адиабатно изолированная система  -  это система в которой есть обмен энергией только в форме теплоты.

4. Открытая система  - это система, которая обменивается и энергией, и веществом, и информацией.

1. ПЕРВОЕ  НАЧАЛО  ТЕРМОДИНАМИКИ.

Перед первым началом термодинамики было сформулировано нулевое начало (всего около 50 лет назад). По существу оно представляет собой полученное «задним числом» логическое оправдание для введения понятия температуры физических тел. Температура  -  одно из самых глубоких понятий термодинамики. Температура играет столь же важную роль в термодинамике, как, например процессы. Впервые центральное место в физике занял совершенно абстрактное понятие; оно пришло на смену введенному еще во времена Ньютона (17 век) понятию силы - на первый взгляд более конкретному и  «осязаемому» и к тому же успешно « математезированному» Ньютоном.

Итак, первое начало термодинамики устанавливает  внутренняя энергия системы является однозначная функция ее состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий. [1]

   В термодинамике рассматриваются два типа внешних взаимодействий: воздействие, связанное с изменением внешних параметров системы (система совершает работу  W), и воздействие не связанные с изменением внешних параметров и обусловленные изменением внутренних параметров или температуры (системе сообщается некоторое количество теплоты  Q).

   Поэтому, согласно первому началу, изменение внутренней энергии  U2-U1 системы при ее переходе под влиянием этих воздействий из первого состояния во второе равно алгебраической сумме   Q и W  , что для конечного процесса запишется в виде уравнения:

U2  -  U1  =  Q  -  W       или      Q  =  U2  -  U1  +  W      (1.1)

   Первое начало формируется как постулат и является обобщением большого количества опытных данных.

   Для элементарного процесса уравнение первого начала  такого:

dQ = dU + dW    (1.2)

dQ  и  dW  не являются полным дифференциалом, так как зависят от пути следования.

   Зависимость Q и W от пути видна на простейшем примере расширение газа. Работа совершенная системой при переходе ее из состояния 1 в 2 (рис. 1) по пути а  изображается площадью, ограниченной контуром   А1а2ВА:

Wа =     p(V,T) dV ;

а работа при переходе  по пути  в - площадью ограниченную контуром   А1в2ВА:

Wb  =       p(V,T) dV.

Рис. 1

   Поскольку давление зависит не только от объема, но и от температуры, то при различных изменениях температуры на пути   А  и   В   при переходе одного и того же начального состояния (p1,V1) в одно и тоже конечное (p2,V2)  работа получается разной. Отсюда видно, что при замкнутом процессе (цикле) 1а2в1  система совершает работу не равную нулю. На этом основана работа всех тепловых двигателей.

   Из первого начала термодинамики следует, что работа может совершаться или за счет изменения внутренней энергии, или за счет сообщения системе количества теплоты. В случае если процесс круговой, начальное и конечное состояние совпадают  U2- U1 = 0  и W = Q , то есть работа при круговом процессе может совершаться только за счет получения системой теплоты от внешних тел.

   Первое начало можно сформулировать в нескольких видах:

1. Невозможно возникновение и уничтожение энергии.

2. Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения.

3. Внутренняя энергия является однозначной формой состояния.

4. Вечный двигатель первого рода невозможен.

5. Бесконечно малое изменение внутренней энергии является полным дифференциалом.

6. Сумма количества теплоты и работы не зависит от пути процесса.

   Первый закон термодинамики,  постулируя   закон    сохранения  энергии для термодинамической системы, не указывает направление происходящих  в природе процессов. Направление термодинамических процессов устанавливает второе начало термодинамики.

3. ВТОРОЕ  НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ.

Исторически второе начало термодинамики было сформулировано гораздо раньше первого начала, но со временем оно получало все новое и новое толкование, а его формулировки становились все более строгими. Впервые основное положение второго начала было дано М. В. Ломоносовым (1747 г.). В работе «Размышления о причинах теплоты и стужи» Ломоносов говорит: «Если более теплое тело А приходит в соприкосновение с другим телом Б, менее теплым, то находящиеся в точке соприкосновения частички тела А быстрее вращаются, чем соседние с ним частички тела Б. От более быстрого вращения частички тела А ускоряют вращательное движение частичек тела Б, т. е. передают им часть своего движения; сколько движения уходит от первых, столько же прибавляется ко вторым. Поэтому когда частички тела А ускоряют вращательное движение частичек тела Б, то замедляют свое собственное. Отсюда когда тело А при соприкосновении нагревает тело Б, то само оно охлаждается»… и далее, «Тело А при действии на тело Б не может придать последнему большую скорость движения, какую имеет само. Если тело Б холодное и погружено в теплое газообразное тело А, то тепловое движение частичек тела А приведет в тепловое движение частички тела Б, но в частичках тела Б не может возбудить более быстрое движение, чем какое имеется в частичках тела А. поэтому холодное тело Б, погруженное в тело А, не может воспринять большую степень теплоты, чем какую имеет тело А».

Естественные процессы всегда направлены в сторону достижения системой равновесного состояния (механического, термического или любого другого). Это явление отражено вторым  законом термодинамики, имеющим большое значение и для анализа работы теплоэнергетических машин. В соответствии с этим законом, например, теплота самопроизвольно может переходить только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для осуществления обратного процесса должна быть затрачена определенная работа. 

В связи с этим второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: теплота никогда не переходит с более холодного тела на более горячее, тогда как обратный процесс протекает самопроизвольно (постулат Клаузиуса, 1850 г.).[2]

Второй закон термодинамики определяет также условия, при которых теплота может, как угодно долго преобразовываться в работу. В любом разомкнутом термодинамическом процессе при увеличении объема совершается положительная работа. Но процесс расширения не может продолжаться бесконечно, следовательно, возможность преобразования теплоты в работу ограничена.

Непрерывное преобразование теплоты в работу осуществляется только в круговом процессе или цикле.

Каждый элементарный процесс, входящий в цикл, осуществляется при подводе или отводе теплоты Q, сопровождается совершением или затратой работы, увеличением или уменьшением внутренней энергии, но всегда при выполнении условия Q=U+A, которое показывает, что без подвода теплоты (Q=0) внешняя работа может совершаться только за счет внутренней энергии системы, и, подвод теплоты к термодинамической системе определяется термодинамическим процессом.

Элементарное количество теплоты можно рассматривать как подводимое (Q>0) и отводимое (Q<0) от рабочего тела. Сумма подведенной теплоты в цикле |Q1|, а сумма отведенной теплоты |Q2|. Следовательно,

Aц=Qц= |Q1| - |Q2|.

Подвод количества теплоты Q1 к рабочему телу возможен при наличии внешнего источника с температурой выше температуры рабочего тела. Такой источник теплоты называется нагревателем. Отвод количества теплоты Q2 от рабочего тела также возможен при наличии внешнего источника теплоты, но с температурой более низкой, чем температура рабочего тела. Такой источник называется холодильником. Таким образом, для совершения цикла необходимо иметь два источника теплоты: один с высокой температурой, другой с низкой.  При этом не все затраченное количество теплоты Q1 может быть превращено в работу, т. к. количество теплоты Q2 передается холодному источнику.

Страницы: 1, 2