Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


“ермодинамика




¬нутренн€€ энерги€. “ермодинамика Ц раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, наход€щихс€ в состо€нии термодинамического равновеси€, и процессы перехода между этими состо€ни€ми.

„айник с водой, наход€щийс€ на газовой плите, нагреваетс€. ѕредметы, имеющие разную температуру, при соприкосновении приход€т к состо€нию, когда их температуры выравниваютс€. ѕричем более теплое тело становитс€ холодней, а холодное нагреваетс€. — давних времен ученые пытались пон€ть, что такое тепло и как можно его использовать в своих цел€х. ћного тыс€ч лет назад наши предки добывали огонь трением друг о друга двух дерев€нных предметов. Ќе осознава€ этого, они в результате трени€ превращали механическую работу в теплоту, котора€ приводили к возгоранию дерев€нных предметов.

“еплота Q Ц это энерги€, котора€ переходит от одного тела к другому между телами с разной температурой или, другими словами, мера переноса энергии от одного тела к другому при разнице температур.

—ледует различать пон€ти€ теплоты и внутренней энергии. ѕод внутренней или тепловой энергией W понимают полную сумму всех видов энергии всех молекул, принадлежащих телу. ќна включает в себ€ кинетическую энергию поступательного движени€ молекул, потенциальную энергию их взаимодействи€, энергию межатомных и межмолекул€рных св€зей, наличие вращательных и колебательных степеней свободы у атомов и молекул. “аким образом, она включает все виды энергии поступательного, вращательного и колебательного движени€ частиц, а также их взаимную потенциальную энергию. “емпература характеризует только часть внутренней энергии тела. ѕод температурой T понимают среднюю кинетическую энергию всех молекул.

“еплоемкость. Ёкспериментально установлено, что количество теплоты, получаемое телом, пропорционально его массе и изменению его температуры. “еплоемкостью тела называетс€ величина, характеризующа€ данное вещество, и

 

численно равна€ количеству теплоты Q, которое необходимо сообщить дл€ нагревани€ вещества массой m:

Q = C Δ T. (2.2.1)

”дельной теплоемкостью вещества называетс€ теплоемкость единицы массы вещества:

 

 

откуда

c = C, (2.2.2)

m

Q = cm Δ T.. (2.2.3)

Ќаиболее высокой удельной теплоемкостью из всех веществ обладает вода Ц 4184 ƒж/кг × град. ќна выше теплоемкости железа в ~ 9 раз.

“еплоемкость характеризует способность тела накапливать в себе определенное количество теплоты. ќб уровне теплопередачи белка можно судить, если вз€ть только что сваренное €йцо. ≈сли его опустить в холодную воду и подержать некоторое врем€, а затем вынуть, то оно вначале будет холодным, а потом вновь станет гор€чим. ≈сли в холодную воду опустить чайную ложку, то ее температура быстро станет такой же, как у воды. ƒругие предметы, например, стекло, фарфор, в аналогичном случае также быстро станут холодными.

ѕервое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX в. немецким физиком  лаузиусом в 1854 г. ќно формулируетс€ следующим образом: количество теплоты, полученное системой, идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил:

Δ Q = Δ U + Δ A. (2.2.4)

ѕервое начало термодинамики представл€ет собой закон сохранени€ механической и тепловой энергии при их взаимопревращени€х. ќтсюда стало пон€тно, что закон сохранени€ энергии должен носить всеобщий характер, сохран€€сь при переходах энергии из одной формы в другую дл€ всех видов энергий. ѕоследующее развитие физики успешно подтвердило этот вывод экспериментально на атомном и €дерном уровн€х, во всех взаимопревращени€х элементарных частиц.

“епловой двигатель.  ѕƒ. Ћюбой равновесный процесс называетс€ обратимым, если термодинамическую систему можно вернуть из конечного состо€ни€ в начальное состо€ние, проход€ через всю последовательность состо€ний в обратном пор€дке. ћожно привести бесконечное количество примеров существовани€ необратимых процессов в природе. “ак камень, пада€ с некоторой высоты, передает свою потенциальную энергию в теплоту песка, в котором он застревает. ќбратное, когда тепло «емли сконцентрируетс€ в энергии камн€, а затем превратитс€ в кинетическую энергию камн€, который взлетит вверх, невозможно. ’от€ именно об этом мечтал барон ћюнхгаузен. ћожно смешать соль и сахар, насыпанные сло€ми в кружке, обратно, сколько не тр€сите кружку, их разделить не удастс€. ѕодобного рода процессы не нарушают первого начала термодинамики.

ќтсутствие обратимости р€да термодинамических процессов привело к формулировке второго начала термодинамики, которое указывает на направленность термодинамических процессов. ѕримером таких процессов могут служить необратимые процессы, которые идут с конечной посто€нной скоростью.

¬ 1865 году формулировка второго начала термодинамики звучала следующим образом: теплота в естественных услови€х переходит от гор€чего тела к холодному, в то врем€ как от холодного тела к гор€чему теплота сама по себе не переходит.

“рудно представить, чтобы газ, заполн€ющий баллон, был выпущен в помещении, а затем он самопроизвольно собралс€ вновь в баллоне. »ли, например, воздух в комнате самопроизвольно разделилс€ бы на кислород, азот и углекислый газ даже в очень маленьком объеме.

‘ормулировка второго начала термодинамики разрабатывалась в экспериментальных исследовани€х тепловых двигателей. “епловым двигателем 13называют устройство, которое переводит теплоту в механическую работу.

 

 

13 ѕервый тепловой двигатель был создан в 1774 г. английским изобретателем ƒ. ”аттом. ƒо него пароатмосферна€ машина была

‘изическа€ иде€, лежаща€ в основе работы теплового двигател€, заключаетс€ в том, что часть тепла, переход€щего от гор€чего тела к холодному можно превратить в механическую работу. ”слови€ми работы любого теплового двигател€ €вл€ютс€ периодичность процесса, наличие рабочего тела, нагревател€ и холодильника. “емпературы нагревател€ ни холодильника хназываютс€ рабочими температурами теплового двигател€. –абочим телом парового двигател€ называетс€ вещество (как правило, пар или горючие вещества), которое нагреваетс€ и затем, охлажда€сь, часть своего тепла превращает в работу. —хема теплового двигател€ представлена на рис. 2.9, а. „асть тепла Q нот нагревател€ передаетс€ рабочему телу и превращаетс€ в механическую работу, друга€ часть Q хвозвращаетс€ холодильнику.

 

 

а б

–ис. 2.9. —хема работы теплового двигател€ (а) и холодильника (б)

ѕринцип действи€ обратного устройства Ц холодильника заключаетс€ в обращении стадий работы теплового двигател€. Ќа рис. 2.9, б видно, что, соверша€ работу, можно отн€ть часть тепла у холодного тела. Ёто осуществл€етс€, когда используемый в качестве рабочего тела газ Ц фреон нагреваетс€ в холодильнике. «атем он поступает в компрессор, который с помощью мотора выбрасывает его в конденсатор, работающий при комнатной температуре. “ам часть тепла передаетс€ окружающей среде, а затем разр€женный газ вновь попадает в холодильник. ¬ обычном холодильнике газ фреон движетс€ по трубкам внутри холодильника, отбира€ из него тепло.

 

 

изобретена русским механиком ».». ѕолзуновым. ќднако машина проработала недолго, а затем была разобрана.

«атем тепло передаетс€ металлическому радиатору, который охлаждаетс€ под действием воздуха. Ётот процесс происходит периодически. ≈сли температура в холодильнике стала слишком низкой, то он на некоторое врем€ отключаетс€. ћы хорошо знаем, что со стороны задней стенки холодильника всегда теплее, чем в комнате, где он находитс€.

Ёффективность работы любого двигател€ определ€етс€ его коэффициентом полезного действи€ ( ѕƒ) η Ц отношением полезной работы теплового двигател€ ј к затраченной теплоте Q:

 

 

или

h = ј (полезна€ работа), (2.2.5)

Q (затраченна€ теплота)

h = Q н- Q х

Q н

. (2.2.6)

ƒл€ повышени€  ѕƒ двигател€ необходимо повышать температуру нагревател€ Q н, либо понижать температуру холодильника Q х. “емпературу нагревател€ ограничивает прочность материалов, из которых построен двигатель, а температура холодильника не может быть ниже температуры окружающей среды. ѕоскольку, как показал экспериментальный опыт, температура холодильника х не может быть равна абсолютному нулю и всегда больше нул€,  ѕƒ любого двигател€ всегда меньше единицы, η < 1. ≈сли бы температуру холодильника можно было бы уменьшить по сравнению с

температурой окружающей среды до абсолютного нул€, то создание идеального двигател€ с  ѕƒ = 100%14оказалось бы возможным.

Ќевозможность создани€ идеального теплового двигател€ представл€ет другой вариант формулировки второго начала термодинамики: невозможен периодический процесс, единственным результатом которого было бы преобразование полученного от нагревател€ тепла полностью в работу.

14 ‘ранцузска€ академи€ наук с 1775 г. не принимала на рассмотрени€ проекты создани€ вечных двигателей.

Ёнтропи€ €вл€етс€ параметром состо€ни€ системы, поскольку зависит от состо€ни€ системы и не зависит от процесса, посредством которого эта система пришла в это состо€ние. ѕо смыслу энтропи€ S напоминает потенциальную энергию, поскольку дл€ нее неизвестно абсолютное значение, интерес представл€ет лишь ее изменение. ћатематически дл€ обратимых процессов она описываетс€ выражением

dS = dQ

T.

(7.5.2)

ѕон€тие энтропии было введено австрийским ученым Ћ. Ѕольцманом15. ƒл€ понимани€ смысла термодинамической веро€тности приведем пример с двум€ кубиками с пронумерованными сторонами. ¬ сумме на них может выпасть от 2 до 12. Ќаиболее веро€тным числом будет 7, поскольку

оно может быть получено наибольшим числом способов

(шестью): 1 + 6 = 2 + 5 = 3 + 4 = 4 + 3 = 5 + 2 = 6 + 1.  оличе-

ство комбинаций представл€ет термодинамическую веро€тность макрососто€ни€.

Ёто можно пон€ть на примере. »з воздуха в изолированной комнате нам необходимо выделить какую-то составл€ющую, например, газ —ќ2и собрать ее в одной из половин комнаты. “ермодинамическа€ веро€тность того, что это произойдет самопроизвольно, равна веро€тности того, что молекулы данной примеси одновременно окажутс€ в одной половине. »нтуитивно пон€тно, что эта веро€тность ничтожна мала.

— использованием пон€ти€ энтропии второе начало термодинамики формулируетс€ следующим образом: полна€ энтропи€ произвольной системы вместе с ее окружением в любом естественном процессе увеличиваетс€: Δ S ≥ 0.

“ака€ формулировка представл€ет собой наиболее общее определение второго начала термодинамики. ќна характеризует направленность процессов в природе. Ёнтропи€ описы-

 

15 ѕосле смерти Ћ. Ѕольцмана на его могиле выгравировали определение энтропии, введенной им как св€зь микрои макромира S = k log , где k Ц посто€нна€ Ѕольцмана, Ц статистический

вес состо€ни€ системы.

вает переход от пор€дка к хаосу. „ем выше степень беспор€дка, тем выше энтропи€ системы. “а€ние льда или превращение в пар воды приводит к возрастанию энтропии, поскольку степень беспор€дка в системе возрастает. ∆изнь и смерть. ∆ивой организм Ц это сильно упор€доченна€ структура. ѕосле смерти он превращаетс€ в набор атомов и молекул, т.е. степень беспор€дка в системе возрастает. ¬се примеры показывают естественное возрастание энтропии. „тобы она уменьшалась, необходимо совершать работу.

 





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2015-02-12; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 1972 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

Ѕутерброд по-студенчески - кусок черного хлеба, а на него кусок белого. © Ќеизвестно
==> читать все изречени€...

485 - | 510 -


© 2015-2023 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.022 с.