Предмет термодинамики. Основные определения и понятия. Законы идеального газа

Лекция №1

1. Предмет термодинамики. Исторический экскурс.

Само название предмета нашего изучения указывает на истоки этой науки, занимавшейся первоначально изучением теплоты. В дальнейшем, однако, термодинамика включила в себя изучение превращений энергии во всех ее формах. Основоположниками термодинамики по праву считают следующих исследователей.

- Никола Леонард Сади Карно (1796 г.) – французский инженер, проанализировавший условия совершенствования паровых машин и обобщивший результаты своих исследований в книге «Размышления о движущей силе огня» в 1824 г. Работы Карно легли в основу II начала термодинамики – великого закона Природы.

- Джеймс Прескотт Джоуль (1818 г.) — английский ученый, чьими исследованиями экспериментально было показано, как работа переходит в теплоту. Именно Джоуль показал, что теплота и работа — это лишь два различных способа передачи энергии, т.е. в определенном смысле они эквивалентны, измерять их можно одними и теми же энергетическими единицами.

- Уильям Томсон (он же лорд Кельвин, 1824 г.) — также английский ученый, прекрасно сочетавший в себе способности теоретика и экспериментатора. Знаменитая работа Кельвина «К динамической теории теплоты» (1851 г.) положила начало термодинамике как науке.

- Немецкий ученый Рудольф Готтлиб (1822 г.), взявший себе впоследствии латинскую фамилию Клаузиус (под которой он нам и известен). В работе Клаузиуса «О движущей силе теплоты» (1850 г.) был сделан вывод о том, что в Природе существуют два основополагающих принципа, два закона, которые мы теперь называем I и II начала термодинамики.

- И, наконец, Людвиг Больцман (1844 г.) – связал поведение макроскопических систем (с которыми имеет дело техника) с атомно-молекулярной структурой вещества. Мостом между кинетической теорией газов (или статистической механикой) и термодинамикой служит знаменитая постоянная Больцмана k. Им же осмыслено понятие энтропии

и выведена формула для энтропии, которая впоследствии была выбита на надгробном камне его могилы.

Чаще всего говорят, что в основе термодинамики лежат два основных закона: I и II начала. Первым по времени было установлено как раз второе, а затем первое. Однако физики решили, что по логике изложения основ данной науки впереди должен быть еще один — его назвали нулевым законом (т.к. номер первый был уже занят), а затем обосновали еще и третий закон термодинамики. Итак, законов получилось четыре. Подробнее всего мы будем изучать первый и второй— исходя из практических потребностей. А пока вкратце охарактеризуем каждый из четырех законов, четырех начал термодинамики.

Нулевое начало термодинамики понадобилось для того, чтобы дать логическое обоснование введению понятия «температура» физических тел.

Первое начало — это закон сохранения энергии в применении к тепловым процессам, и кратко его можно сформулировать так «Энергия сохраняется».

Второе начало устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, или однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных (или спонтанных) процессов. Например, если привести в контакт горячее и холодное тела, горячее тело остынет, а холодное нагреется, но горячее никогда не станет более горячим, а холодное – еще более холодным. Или, если в сосуде с перегородкой в одной части находится газ с высокой концентрацией, а в другой — с низкой, то если перегородку убрать, процесс всегда пойдет в сторону выравнивания концентраций, а не в сторону еще большей разницы концентраций.

Третье начало термодинамики касается свойств веществ при очень низких температурах. Оно утверждает невозможность охлаждения вещества до температуры абсолютного нуля посредством конечного числа шагов. Это утверждение базируется уже на атомном строении вещества.

2. Строгие определения основных понятий

Термодинамика – наука о наиболее общих свойствах макроскопических физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями.

Термодинамическая система — совокупность макроскопических тел, которые могут взаимодействовать между собой и с другими телами, называемыми внешней средой, обмениваться энергией и веществом.

Термодинамические системы могут быть:

- закрытые, т.е. не обмениваются веществом с другими системами;

- открытые— обменивающиеся веществом и энергией с другими системами;

- адиабатные— в которых отсутствует теплообмен с другими системами;

- изолированные— т.е. не обменивающиеся с другими системами ни энергией, ни веществом.

Термодинамическое равновесие – состояние термодинамической системы, в которое она приходит самопроизвольно через достаточно большой промежуток времени в условиях изоляции от внешней среды. Если система находится в термодинамическом равновесии, то отдельные ее макроскопические части имеют одинаковые физические характеристики (плотность, давление, температура). При неизменных внешних условиях такое состояние не меняется со временем.

Параметры состояния. Равновесное состояние полностью характеризуется небольшим числом физических параметров, которые называются параметрами состояния системы. К параметрам состояния однородных тел относятся: температура Т, объем V и давление Р. Подчеркнем, что эти параметры характеризуют состояние системы в целом, если только она находится в состоянии термодинамического равновесия.

Для обоснования понятия «температура» физикам пришлось сформулировать нулевое начало термодинамики. Рассмотрим два тела, две системы, одна из которых холодная, а другая нагрета. Приведем их в тепловой контакт. Из опыта известно, что через некоторое время (его называют временем релаксации) системы придут в состояние теплового равновесия, и их параметры состояния изменятся, но станут одинаковыми. Между двумя системами может и не быть теплового контакта, но нагреты они могут быть одинаково. Тогда приведение их в тепловой контакт никаких заметных изменений в их состоянии не вызовет, т. е. и до и после контакта эти системы находились в состоянии термодинамического (или теплового) равновесия. Каким же образом определить, находятся ли две системы в состоянии теплового равновесия между собой? Пусть имеем две системы – А и В, и мы хотим установить, находятся ли они в тепловом равновесии. Воспользуемся третьей системой С (ее назвали термометром). Если С и А находятся в тепловом равновесии, и С и В – также в тепловом равновесии, то А и В будут находиться в тепловом равновесии между собой. Этот вывод сформулирован в виде нулевого начала термодинамики: если каждая из двух систем находится в тепловом равновесии с третьей системой, то они пребывают в состоянии теплового равновесия и друг с другом. Короче это можно записать так: если

Т_А = Т_С и Т_В = Т_С то Т_А = Т_В. Здесь Т – величина, которую мы называем температурой, и которая является свойством системы, определяющим, будет ли система находиться в состоянии теплового равновесия с другими системами.

3.Температурные шкалы.

Способы измерения температуры различны, различны и использующиеся температурные шкалы.

Практические шкалы – это шкала Кельвина, шкала Цельсия и шкала Фаренгейта. В шкале Цельсия за две контрольные точки отсчета берутся точка таяния льда – 0 ⁰С – и точка кипения воды – 100 ⁰С. Величина деления шкалы одинакова для шкал Кельвина и Цельсия Dt = 1 ⁰C = DТ = 1 К. Переход от шкалы Кельвина к шкале Цельсия осуществляется по формуле:

t = T – 273,15.

В отличие от шкалы Цельсия в шкале Фаренгейта температурный интервал между точками таяния льда и точкой кипения воды разделен на 180 частей – градусов Фаренгейта, и точке таяния льда присвоено значение 32 ⁰F. Тогда перевод температур из шкалы Цельсия в шкалу Фаренгейта и обратно:

 

4.Абсолютное давление.

Давление газа на стенку сосуда создается ударами молекул при их столкновениях со стенкой; оно определяется силой, действующей на единицу поверхности: Р = F/S. Так как сила в системе СИ измеряется в ньютонах [Н], а площадь – в м², то размерность давления – [Н/м²]. Эта величина называется Паскаль: 1 Па = 1 Н/м². Т.к. 1 Па соответствует сравнительно небольшому давлению, то в технике используют кратные единицы:

1 кПа = 10³Па; 1 Мпа = 10⁶ Па.

Часто используются внесистемные единицы: бар, атмосфера, мм рт.ст.

Соотношения между ними следующие:

1 бар = 10⁵ Па = 750 мм рт ст = 1,02 ат.