Лекции.Орг


Поиск:




Категории:

Астрономия
Биология
География
Другие языки
Интернет
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Механика
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Транспорт
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология
Экономика
Электроника

 

 

 

 


Первый закон термодинамики




ЛЕКЦИИ ПО ХИМ.ТЕРМОДИНАМИКЕ

ВВЕДЕНИЕ

Термодинамика как самостоятельная наука возникла в XIX в. Возникновение ее обусловлено было рядом научных открытий в области физики и химии и появлением тепловых машин. Являясь одним из разделов физики, термодинамика опирается на фунда­ментальные законы сохранения энергии и сохранения вещества, которые впервые были сформулированы величайшим русским ученым М. В. Ломоносовым еще в 1748 г. в его письме к академику Эйлеру. В этом письме говорится: «...все изменения, соверша­ющиеся в природе, происходят таким образом, что сколько к чему прибавилось, столько же отнимается от другого. Так, сколько к одному телу прибавится вещества, столько же отнимется от другого. Этот закон природы является настолько всеобщим, что простирается и на правила движения; тело, побуждающее толчком к движению другое, столько же теряет своего движения, сколько отдает от себя этого движения другому телу».

М. В. Ломоносов отверг господствовавшую ранее в физике теорию теплорода, создал механическую теорию теплоты и зало­жил основы законов термодинамики. Убедительными являются его высказывания, составляющие основное положение второго закона термодинамики, в сочинении «Размышления о причинах теплоты и холода»: «...Горячие тела должны охлаждаться при соприкосновении с холодными, так как последние замедляют тепловое движение частичек; наоборот, холодные тела должны нагреваться от ускорения движения при соприкосновении», и далее: «...холодное тело Б, погруженное в тело А, не может воспри­нять большую степень теплоты, чем какую имеет тело А».

В этой же работе М. В. Ломоносов высказывает соображения о «наибольшей и последней степени холода»: «...высшей степени холода на нашей планете не может быть».

Положение о недостижимости абсолютного нуля температуры по современным представлениям является одним из основных положений третьего закона термодинамики.

Таким образом, можно утверждать, что открытия М. В. Ло­моносова в области теории теплоты составили фундамент науки термодинамики, обусловили применение понятий энергия и виды энергии.

Марксистско-ленинская философия учит, что движение — спо­соб существования материи. Оно так же несотворимо и неразру­шимо, как и сама материя. В объективном мире нет ничего, кроме движущейся по своим законам материи. «Движение, — отме­чает Ф. Энгельс в труде «Диалектика природы», —рассматривае­мое в самом сбщем смысле слова, т. е. понимаемое как способ существования материи, как внутренне присущий материи атри­бут, обнимает собой все происходящие во вселенной изменения и процессы, начиная от простого перемещения и кончая мышле­нием». И затем: «...материя немыслима без движения. И если далее материя противостоит нам как нечто данное, как нечто несотворимое и неуничтожимое, то отсюда следует, что и дви­жение несотворимо и неуничтожимо».

Движение материи может лишь изменять свои формы, пере­ходить из одной формы в другую. Известно много различных форм движения, например механическая, тепловая, электриче­ская, химическая и т. д. Общей количественной мерой для всех форм движения служит энергия.

В соответствии с формами движения условно различают следующие виды энергии: энергия механическая, тепловая, электрическая, химическая, атомная и т. д. Все эти виды энергии в количественном отношении связаны между собой соответству­ющими постоянными эквивалентами.

Закономерности превращения одного вида энергии в другой изучает макрофизическая наука — термодинамика.

Первые обстоятельные термодинамические исследования осу­ществил талантливый французский инженер Сади Карно (1824 г.). Они были посвящены выявлению условий экономичной работы паровых машин. В результате этих исследований были опре­делены факторы, от которых зависит степень совершенства про­цессов превращения теплоты в работу, а также установлен ряд положений, составляющих основу второго закона термодинамики.

Дальнейшее развитие термодинамики позволило проводить исследование рабочего процесса тепловых машин, в том числе двигателей внутреннего сгорания (ДВС), обоснованно рассчиты­вать и проектировать, а также выявлять возможности улучшения условий работы этих машин.

Большое значение для становления термодинамики как науки имели работы крупнейших немецких ученых Р. Майера, Р. Клау-зиуса, Г. Гельмгольца, М. Планка, английских ученых Д. Джоуля, В. Томсона (Кельвина) и других.

Огромный вклад в развитие термодинамики внесли русские ученые Г. И. Гесс, Н. Н. Шиллер, Т. А. Афанасьева-Эренфест и другие.

Методом построения классической термодинамики является так называемый феноменологический метод, согласно которому в термодинамике не используют какие-либо гипотезы о внутрен­нем механизме явлений и строении вещества, а термодинамиче­ские закономерности устанавливают на основании обобщения экспериментальных данных и изучения различных процессов, происходящих в равновесных макроскопических системах (т. е. си­стемах, состоящих из большого числа частиц).

Применение такого метода позволяет использовать общие термодинамические соотношения для описания процессов, проте­кающих в разнообразных областях физики и химии, и в этом его большое преимущество. Однако феноменологический подход не позволяет детально изучить свойства рассматриваемых термоди­намических систем. В настоящее время на базе статистической физики и некоторых разделов термодинамики возникла новая наука —статистическая термодинамика, которая опирается на определенные качественные представления о молекулярной при­роде вещества. Метод статистической термодинамики (статистиче­ский метод) широко используется при рассмотрении второго за­кона термодинамики и химических равновесий. Применение статистического метода позволяет также увязать макроскопиче­ские свойства тел с микроскопическими свойствами молекул.

Феноменологический подход, принятый в классической термо­динамике, нашел широкое применение во многих разделах фи­зики и химии, а также и в других областях науки. Если вначале задача термодинамики сводилась лишь к изучению процессов превращения теплоты в механическую работу (в тепловых ма­шинах) и, наоборот, механической работы в теплоту, то в настоя­щее время в связи с новыми открытиями и достижениями науки и техники задачи термодинамической науки расширяются. Раз­виваются новые области термодинамики, такие, как термодина­мика диэлектриков, термодинамика ядерных процессов, термо­динамика плазмы и т. д.

Термодинамика основывается на экспериментально установ­ленных законах — началах термодинамики.

Первый закон или первое начало термодинамики является выражением всеобщего закона сохранения и превращения энер­гии применительно к тепловым явлениям.

Второй закон или второе начало термодинамики характери­зует условия протекания и направления самопроизвольных про­цессов, происходящих в окружающей нас природе с макроскопи­ческими телами.

Третий закон или третье начало (тепловая теорема Нернста) предопределяет протекание равновесных изотермических про­цессов при температурах, стремящихся к абсолютному нулю без изменения энтропии, и позволяет определить свойства тел при очень низких температурах.

Принято различать общую термодинамику, в которой изу­чают теоретические основы термодинамики, ее законы и прило­жение к физическим явлениям; техническую термодинамику, являющуюся основой теории тепловых двигателей, в которой рассматриваются закономерности превращения теплоты в работу и работы в теплоту, а также химическую термодинамику, в кото­рой на основе общих законов термодинамики изучают взаимное превращение химической энергии, теплоты и работы при проте­кании различных физико-химических процессов.

Химическая термодинамика, так же как и химическая кине­тика, является, в свою очередь, разделом физической химий — науки о закономерностях химических процессов и сопровожда­ющих их физических явлениях.

При термодинамическом исследовании физических явлений используются два метода: так называемый метод цикла и метод характеристических функций. Метод цикла заключается в том, что для отыскания необходимых зависимостей выбирают цикл, к которому применяют первый и второй законы термодинамики и с их помощью устанавливают определенные закономерности.

Метод характеристических функций (или метод термодинами­ческих потенциалов), разработанный Гиббсом, состоит в том, что на основании объединенного уравнения первого и второго законов термодинамики, для термодинамической системы при различных условиях вводят некоторые функции состояния, так называемые характеристические функции, дифференциалы ко­торых обладают свойствами полных дифференциалов. При ис­пользовании этих функций или их частных производных удается получить необходимые для анализа термодинамические зависи­мости.

Термодинамические исследования в области химической термо­динамики основаны на применении первого, второго и третьего законов термодинамики. В химической термодинамике описы­ваются методы определения тепловых эффектов химических реак­ций (этот раздел химической термодинамики называется термо­химией), условия протекания необходимых химических реакций и способы, предотвращающие нежелательный ход химического процесса, а также методы определения условий химического и фазового равновесия системы и влияния на равновесие внеш­них условий.

Термохимия как наука появилась задолго до возникновения термодинамики и являлась разделом общей химии, в котором изу­чались тепловые эффекты химических реакций.

Основные положения химической термодинамики опираются на исследования и открытия величайших русских ученых: М. В. Ломоносова, Г. И. Гесса, Д. И. Менделеева, А. М. Бутле­рова, Н. Н. Бекетова, В. Ф. Лугинина, Д. П. Коновалова, И. А. Каблукова, М. С. Вревского, а также на работы иностран­ных ученых: H. Г. Вант Гоффа, В. Нернста, Д. В. Гиббса, Г. Р. Кирхгофа, С. Аррениуса и других.

Развитие химической термодинамики обязано также широким исследованиям, проводимым в научно-исследовательских и учебных институтах Советского Союза (Институт химической физики Академии наук СССР, Энергетический научно-исследовательский институт им. Т. М. Кржижановского, Центральный институт авиационного моторостроения им. П. И. Баранова, Московский авиационный институт им. С. Орджоникидзе и др.).

Огромны заслуги русских ученых Н. А. Меншуткина, Н. А. Ши­лова, Е. И. Орлова, Н. Н. Семенова и его школы и др. в области химической кинетики. Результаты исследований крупнейших советских ученых Н. Н. Семенова, А. С. Предводителева, А. Н. Хи-трина, Н. В. Иноземцева, H. Б. Зельдовича, Д. А. Франк-Ка-менецкого, К. И. Щелкина, Е. С. Щетинкова и других легли в основу современной теории горения.

Широко известны написанные советскими учеными А. Ф. Ка-пустинским, А. И. Бродским, В. А. Киреевым, М. X. Карапетьян-цем, H- И. Герасимовым книги по химической термодинамике, термохимии и физической химии.

Из сказанного видно, что отечественная школа в развитии химической термодинамики, физической химии и теории горения имеет богатые традиции и большой научно-исследовательский материал и русские ученые сыграли огромную роль в их развитии.

 

Глава I

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ.





Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2015-11-05; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 1444 | Нарушение авторских прав


Поиск на сайте:

Лучшие изречения:

Человек, которым вам суждено стать – это только тот человек, которым вы сами решите стать. © Ральф Уолдо Эмерсон
==> читать все изречения...

2256 - | 2103 -


© 2015-2024 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.01 с.