Термодинамика

Внутренняя энергия.Термодинамика – раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями.

Чайник с водой, находящийся на газовой плите, нагревается. Предметы, имеющие разную температуру, при соприкосновении приходят к состоянию, когда их температуры выравниваются. Причем более теплое тело становится холодней, а холодное нагревается. С давних времен ученые пытались понять, что такое тепло и как можно его использовать в своих целях. Много тысяч лет назад наши предки добывали огонь трением друг о друга двух деревянных предметов. Не осознавая этого, они в результате трения превращали механическую работу в теплоту, которая приводили к возгоранию деревянных предметов.

Теплота Q – это энергия, которая 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.

Следует различать понятия теплоты и внутренней энергии. Под внутренней или тепловой энергией W понимают полную сумму всех видов энергии всех молекул, принадлежащих телу. Она включает в себя кинетическую энергию поступательного движения молекул, потенциальную энергию их взаимодействия, энергию межатомных и межмолекулярных связей, наличие вращательных и колебательных степеней свободы у атомов и молекул. Таким образом, она включает все виды энергии поступательного, вращательного и колебательного движения частиц, а также их взаимную потенциальную энергию. Температура характеризует только часть внутренней энергии тела. Под температурой T понимают среднюю кинетическую энергию всех молекул.

Теплоемкость.Экспериментально установлено, что количество теплоты, получаемое телом, пропорционально его массе и изменению его температуры. Теплоемкостью тела С называется величина, характеризующая данное вещество, и

численно равная количеству теплоты Q, которое необходимо сообщить для нагревания вещества массой m:

Q = CΔ T. (2.2.1)

Удельной теплоемкостью вещества называется теплоемкость единицы массы вещества:

откуда

c = C, (2.2.2)

m

Q = cmΔT.. (2.2.3)

Наиболее высокой удельной теплоемкостью из всех веществ обладает вода – 4184 Дж/кг × град. Она выше теплоемкости железа в ~ 9 раз.

Теплоемкость характеризует способность тела накапливать в себе определенное количество теплоты. Об уровне теплопередачи белка можно судить, если взять только что сваренное яйцо. Если его опустить в холодную воду и подержать некоторое время, а затем вынуть, то оно вначале будет холодным, а потом вновь станет горячим. Если в холодную воду опустить чайную ложку, то ее температура быстро станет такой же, как у воды. Другие предметы, например, стекло, фарфор, в аналогичном случае также быстро станут холодными.

Первое начало термодинамикибыло сформулировано в середине XIX в. немецким физиком Клаузиусом в 1854 г. Оно формулируется следующим образом: количество теплоты, полученное системой, идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил:

ΔQ = ΔU + ΔA. (2.2.4)

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения механической и тепловой энергии при их взаимопревращениях. Отсюда стало понятно, что закон сохранения энергии должен носить всеобщий характер, сохраняясь при переходах энергии из одной формы в другую для всех видов энергий. Последующее развитие физики успешно подтвердило этот вывод экспериментально на атомном и ядерном уровнях, во всех взаимопревращениях элементарных частиц.

Тепловой двигатель. КПД.Любой равновесный процесс называется обратимым, если термодинамическую систему можно вернуть из конечного состояния в начальное состояние, проходя через всю последовательность состояний в обратном порядке. Можно привести бесконечное количество примеров существования необратимых процессов в природе. Так камень, падая с некоторой высоты, передает свою потенциальную энергию в теплоту песка, в котором он застревает. Обратное, когда тепло Земли сконцентрируется в энергии камня, а затем превратится в кинетическую энергию камня, который взлетит вверх, невозможно. Хотя именно об этом мечтал барон Мюнхгаузен. Можно смешать соль и сахар, насыпанные слоями в кружке, обратно, сколько не трясите кружку, их разделить не удастся. Подобного рода процессы не нарушают первого начала термодинамики.

Отсутствие обратимости ряда термодинамических процессов привело к формулировке второго начала термодинамики, которое указывает на направленность термодинамических процессов. Примером таких процессов могут служить необратимые процессы, которые идут с конечной постоянной скоростью.

В 1865 году формулировка второго начала термодинамики звучала следующим образом: теплота в естественных условиях переходит от горячего тела к холодному, в то время как от холодного тела к горячему теплота сама по себе не переходит.

Трудно представить, чтобы газ, заполняющий баллон, был выпущен в помещении, а затем он самопроизвольно собрался вновь в баллоне. Или, например, воздух в комнате самопроизвольно разделился бы на кислород, азот и углекислый газ даже в очень маленьком объеме.

Формулировка второго начала термодинамики разрабатывалась в экспериментальных исследованиях тепловых двигателей. Тепловым двигателем13называют устройство, которое переводит теплоту в механическую работу.

13 Первый тепловой двигатель был создан в 1774 г. английским изобретателем Д. Уаттом. До него пароатмосферная машина была

Физическая идея, лежащая в основе работы теплового двигателя, заключается в том, что часть тепла, переходящего от горячего тела к холодному можно превратить в механическую работу. Условиями работы любого теплового двигателя являются периодичность процесса, наличие рабочего тела, нагревателя и холодильника. Температуры нагревателя Тни холодильника Тхназываются рабочими температурами теплового двигателя. Рабочим телом парового двигателя называется вещество (как правило, пар или горючие вещества), которое нагревается и затем, охлаждаясь, часть своего тепла превращает в работу. Схема теплового двигателя представлена на рис. 2.9, а. Часть тепла Qнот нагревателя передается рабочему телу и превращается в механическую работу, другая часть Qхвозвращается холодильнику.

а б

Рис. 2.9. Схема работы теплового двигателя (а) и холодильника (б)

Принцип действия обратного устройства – холодильника заключается в обращении стадий работы теплового двигателя. На рис. 2.9, б видно, что, совершая работу, можно отнять часть тепла у холодного тела. Это осуществляется, когда используемый в качестве рабочего тела газ – фреон нагревается в холодильнике. Затем он поступает в компрессор, который с помощью мотора выбрасывает его в конденсатор, работающий при комнатной температуре. Там часть тепла передается окружающей среде, а затем разряженный газ вновь попадает в холодильник. В обычном холодильнике газ фреон движется по трубкам внутри холодильника, отбирая из него тепло.

изобретена русским механиком И.И. Ползуновым. Однако машина проработала недолго, а затем была разобрана.

Затем тепло передается металлическому радиатору, который охлаждается под действием воздуха. Этот процесс происходит периодически. Если температура в холодильнике стала слишком низкой, то он на некоторое время отключается. Мы хорошо знаем, что со стороны задней стенки холодильника всегда теплее, чем в комнате, где он находится.

Эффективность работы любого двигателя определяется его коэффициентом полезного действия (КПД) η – отношением полезной работы теплового двигателя А к затраченной теплоте Q:

или

h = А(полезная работа) , (2.2.5)

Q(затраченная теплота)

h = Qн- Qх

Qн

. (2.2.6)

Для повышения КПД двигателя необходимо повышать температуру нагревателя Qн, либо понижать температуру холодильника Qх. Температуру нагревателя ограничивает прочность материалов, из которых построен двигатель, а температура холодильника не может быть ниже температуры окружающей среды. Поскольку, как показал экспериментальный опыт, температура холодильника Тх не может быть равна абсолютному нулю и всегда больше нуля, КПД любого двигателя всегда меньше единицы, η < 1. Если бы температуру холодильника можно было бы уменьшить по сравнению с

температурой окружающей среды до абсолютного нуля, то создание идеального двигателя с КПД = 100%14оказалось бы возможным.

Невозможность создания идеального теплового двигателя представляет другой вариант формулировки второго начала термодинамики: невозможен периодический процесс, единственным результатом которого было бы преобразование полученного от нагревателя тепла полностью в работу.

14 Французская академия наук с 1775 г. не принимала на рассмотрения проекты создания вечных двигателей.

Энтропияявляется параметром состояния системы, поскольку зависит от состояния системы и не зависит от процесса, посредством которого эта система пришла в это состояние. По смыслу энтропия S напоминает потенциальную энергию, поскольку для нее неизвестно абсолютное значение, интерес представляет лишь ее изменение. Математически для обратимых процессов она описывается выражением

dS = dQ

T .

(7.5.2)

Понятие энтропии было введено австрийским ученым Л. Больцманом15. Для понимания смысла термодинамической вероятности приведем пример с двумя кубиками с пронумерованными сторонами. В сумме на них может выпасть от 2 до 12. Наиболее вероятным числом будет 7, поскольку

оно может быть получено наибольшим числом способов

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

ство комбинаций представляет термодинамическую вероятность макросостояния.

Это можно понять на примере. Из воздуха в изолированной комнате нам необходимо выделить какую-то составляющую, например, газ СО2и собрать ее в одной из половин комнаты. Термодинамическая вероятность того, что это произойдет самопроизвольно, равна вероятности того, что молекулы данной примеси одновременно окажутся в одной половине. Интуитивно понятно, что эта вероятность ничтожна мала.

С использованием понятия энтропии второе начало термодинамики формулируется следующим образом: полная энтропия произвольной системы вместе с ее окружением в любом естественном процессе увеличивается: ΔS ≥ 0.

Такая формулировка представляет собой наиболее общее определение второго начала термодинамики. Она характеризует направленность процессов в природе. Энтропия описы-

15 После смерти Л. Больцмана на его могиле выгравировали определение энтропии, введенной им как связь микрои макромира S = k log Г , где k – постоянная Больцмана, Г – статистический

вес состояния системы.

вает переход от порядка к хаосу. Чем выше степень беспорядка, тем выше энтропия системы. Таяние льда или превращение в пар воды приводит к возрастанию энтропии, поскольку степень беспорядка в системе возрастает. Жизнь и смерть. Живой организм – это сильно упорядоченная структура. После смерти он превращается в набор атомов и молекул, т.е. степень беспорядка в системе возрастает. Все примеры показывают естественное возрастание энтропии. Чтобы она уменьшалась, необходимо совершать работу.

Дата добавления: 2015-02-12; просмотров: 658 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов

Читайте также:

Почему все попытки создания мегагосударств XX столетия провалились

Знаете ли вы? Почему вы не становитесь копией своей матери

ПОЧЕМУ ПСИХИЧЕСКИ ЗДОРОВЫМ ЛЮДЯМ МОЖЕТ ПОНАДОБИТЬСЯ КОНСУЛЬТАЦИЯ СПЕЦИАЛИСТА

ПОЧЕМУ ССОРЫ ПРИЧИНЯЮТ БОЛЬ

Рекомендуемый контект:

Поиск на сайте:

© 2015-2020 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление