Тема № 5. Неклассичность классической термодинамики

Основное содержание

Тепловое движение. Температура и равновесное состояние. Внутренняя энергия. Теплота. Работа. Энтропия. Начала термодинамики. Основные положения молекулярно-кинетической теории. Постоянная Больцмана. Случайность и вероятность в термодинамике. Распределения Больцмана и Максвелла. Эволюция изолированной системы. Обратимые и необратимые процессы.

Основные понятия

Броуновское движение. Температура. Тепловое равновесие. Внутренняя энергия. Теплота. Работа. Начала термодинамики. Необратимость. Эквивалентность теплоты и работы. Энтропия. Симметрия. Тепловые состояния. Эволюция замкнутой термодинамической системы.

Ключевая фраза

1. Закон сохранения энергии – «сколько дали, столько взяли».

2. Второе начало – билет в один конец.

3. Энтропия – доля «убитой» энергии.

4. Энтропия – мера неупорядоченности.

Вопросы

1. Приведите примеры основных моделей термодинамики и молекулярной физики. Чем описание МКТ отличается от термодинамического описания?

2. Состояние теплового равновесия. Чем оно характеризуется? Назовите особенности состояния теплового равновесия и процесса его установления. Как связаны между собой параметры состояния при тепловом равновесии? Приведите примеры равновесных и неравновесных тепловых состояний.

3. Какой смысл имеет такая характеристика окружения, как температура? Измерение температуры и температурные шкалы. Перечислите основные свойства температуры как характеристики состояния теплового равновесия. Температура как неаддитивная величина. Приведите еще примеры неаддитивных величин.

4. Что такое тепловые процессы? Дайте определение следующим понятиям: тепловое движение, внутренняя энергия, количество теплоты, работа. Перечислите способы изменения внутренней энергии макроскопической системы. Что изменяется в процессе обмена энергией телами?

5. Сформулируйте первое начало термодинамики. Что именно регламентирует первое начало? Приведите примеры процессов, возможных с точки зрения первого начала, но никогда не реализующихся на практике.

6. Сформулируйте второе начало тепловых процессов и границы его применимости.

7. Смысл понятия энтропии в термодинамике и молекулярной физике. В каком состоянии она будет иметь наибольшее значение?

8. Что понимают под хаотичностью системы? Как хаотичность связана с количеством элементов системы? С температурой? Что понимают под упорядоченностью? Приведите примеры упорядоченности и опишите ее характер.

9. Что такое симметрия? Приведите примеры симметричных объектов (систем). Выделите среди них наиболее симметричную и наиболее сложноорганизованную (упорядоченную). Как связана энтропия с симметричностью системы? Приведите примеры объектов различной степени симметричности и расположите их в порядке уменьшения энтропии.

10. Сформулируйте третье начало термодинамики.

11. Сформулируйте нулевое начало термодинамики. Почему его назвали нулевым, а не четвертым?

12. Опишите термодинамический парадокс «Тепловой смерти» Вселенной.

13. Неслучайная случайность классической термодинамики*. Какова природа случайности в классической термодинамике?

Тесты

1. Тепловое состояние – это модель стохастического воздействия окружения на объект, в которой учитывается реакция объекта на воздействия, ограниченные:

• постоянной Авогадро

• постоянной Больцмана

• постоянной Планка

• универсальной газовой постоянной

2. Энтропия – это:

• Внутренняя энергия системы;

• Количество теплоты, которым термодинамическая система обменивается с окружающей средой;

• Термодинамическая функция, характеризующая часть внутренней энергии, которая не может быть преобразована в механическую работу;

• Энергия, полученная системой, которая идет на увеличение внутренней энергии;

• Энергия, полученная системой, которая идет на совершение механической работы.

3. Рост энтропии происходит:

• В самопроизвольных процессах, происходящих в изолированных системах;

• В процессах самоорганизации систем и переходах от хаоса к порядку;

• В процессе совершения системой механической работы;

• В процессе теплообмена системы с окружающей средой;

• При понижении температуры системы;

• При повышении температуры системы.

4. Нулевое начало термодинамики гласит:

• Для каждой термодинамической системы существует состояние термодинамического равновесия, которое она при фиксированных внешних условиях достигает.

• Эволюция закрытой системы – упрощение и дезорганизация

• Энтропия всякого тела стремится к нулю при стремлении к нулю его температуры.

• Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему.

5. Какая из приведенных формулировок НЕ является I законом термодинамики:

• Энергия не возникает из ничего и не исчезает никуда.

• Невозможно получение работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии.

• Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы системой.

• Невозможно создание вечного двигателя I рода?

6. Основные положения молекулярно-кинетической теории гласят:

• Все вещества (макросистемы) состоит из структурных единиц (частиц) разного уровня.

• Разнообразие частиц по форме и размерам бесконечно

• Частицы беспорядочно и непрерывно движутся.

• Частицы взаимодействуют: отталкиваются и притягиваются.

• Количество частиц неограниченно

8. «Тепловая смерть» Вселенной (по Р.Клаузиусу) –

• это состояние Вселенной с температурой 0 К;

• это полностью однородное равновесное состояние Вселенной;

• это тепловой взрыв в конце эволюции Вселенной.

• это эволюционный итог любых изолированных систем.

• это эволюционный итог любых систем.

9. Утверждение, что «всеобщая борьба за существование - это борьба против энтропии» и жизнь - это явление, способное уменьшать свою энтропию (по Л.Больцману):

• некорректно, так как является обобщением законов идеального газа на все существующие системы;

• является правильным, так как выражает общий закон природы;

• является доказанным экспериментально фактом.

10. Не прибегая к вычислениям, укажите, в каком процессе при поддержании постоянной температуры энтропия продуктов превышает энтропию исходных веществ:

• 2С_(т) + 3Н_2(г) → С₂ Н_6(г)

• I_2(т) → I_2(г)

• N_2(г) +3H_2(г) → 2NH_3(г)

• 2NaNO_2(т) + O_2(г) → 2NaNO_3(т)

Рекомендуемая литература

Основная:

1. Липкин А.И. Концепции современного естествознания. Концепции современного естествознания. Часть I. Физика, химия, синергетика. Курс лекций. М.РГГУ – 2006.

2. А.Д. Суханов, О.Н. Голубева. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. М., Дрофа, 2006 г.

Рекомендуемые Интернет-ресурсы

Видеоматериалы:

1. «Можем ли мы обладать неограниченной энергией?» (ВВС: «История науки», 4/6. 2010) http://video.yandex.ru/users/doskado6/view/40/