- •Особенности термодинамики как науки.
- •Основные определения термодинамики.
- •Координаты и потенциалы.
- •Пример 3. Химические реакции и фазовые превращения.
- •Правило знаков для потенциалов:
- •Теплота и работа. Внутренняя энергия.
- •Работа на деформацию (деформационная работа).
- •Взаимодействия равновесное и неравновесное. Процессы статические и нестатические.
- •Уравнения состояния системы.
- •Уравнения состояния реальных газов.
- •Работа и теплота. Свойства работы и теплоты.
- •Характеристические функции.
- •Дифференциальные соотношения термодинамики.
- •Отличительные особенности типов дифференциальных соотношений.
- •2. Теория теплоёмкости разнородных систем.
- •2.1. Виды теплоемкостей.
- •2.2. Общая формула для теплоемкостей однородных систем.
- •2.3. Теплоёмкость идеального газа.
- •2.4. Зависимость теплоёмкости от давления, объёма и температуры.
- •2.5.Исследование теплоемкостей идеального газа.
- •2.6.Исследование зависимости изохорной и изобарной теплоёмкостей идеального газа от величины температуры.
- •2.7.Зависимость теплоёмкости от температуры. Истинная и средняя теплоёмкости.
- •3.Вычисление энтропии.
- •3.1.Энтопия. Общие формулы для энтропии идеального а реального газов.
- •3.2.Уравнение адиабаты реального газа в общем виде.
- •4.Исследование термодинамических процессов.
- •4.1.Политропный (политропический) процесс.
- •4.2.Метод определения показателя политропы по двум точкам.
- •4.3.Теплоемкость в политропном проессе.
- •4.4.Работа, теплота и внутренняя энергия в политропном процессе.
- •Исследование изопроцессов. Работа, теплота и внутренняя энергия в изопроцессах.
- •Второй закон термодинамики.
Исследование изопроцессов. Работа, теплота и внутренняя энергия в изопроцессах.
v = const, => Av = 0, ,
(Q = U + A => Qv = Uv)
T = const, , nT = 1, p1v1 = p2v2 = RT = const
, , ,
, , , UT = 0
U = cv (T2 – T1) = 0,
Q = U + A => QT = AT
p = const, , np = 0
Получим ещё одну формулу для расчёта теплоты. 1-ое начало термодинамики в энтальпийной форме
dU = TdS – p dv = dQ – p dv,
dU = dQ – p dv – v dp + v dp = dQ – d(pv) + v dp,
dQ = dU + d(pv) – v dp = d(U+pv) – v dp,
dQ = dI – v dp - 1-ое начало термодинамики в энтальпийной форме.
Из этого уравнения для изобарного процесса получим:
dQp = dI => Qp = I2 – I1.
Таким образом, в изобарном процессе теплота может быть вычислена по двум формулам:
и , .
.
Адиабатный dQ=0, S=const
, ns = k,
; ;
Из 1-ого начала термодинамики следует:
dQ = dU + dA, dAS = - dUS, AS = - US
Второй закон термодинамики.
1-ый закон термодинамики говорит, что невозможно получить работу без подвода энергии, в частности в форме теплоты, из вне, т.е. закон говорит о возможности взаимопревращения работы в теплоту, но не устанавливает особенности превращения теплоты в работу или работы в теплоту. Но работа в теплоту превращается легко и просто, а для превращения теплоты в работу нужны сложные технические устройства, и процесс превращения теплоты в работу всегда сопровождается потерями. С точки зрения физики различие кроется на уровне превращения упорядоченного движения в хаотическое (AQ) и хаотическое в упорядоченное.
Все процессы в природе подразделяются на самопроизвольные и вынужденные (падение давления в сосуде при разгерметизации, диффузия газов и т.д. – самопроизвольные; нагнетание давления, разделение газов, в общем случае превращение теплоты в работу – вынужденные процессы).
Ранняя формулировка 2-ого закона термодинамики (формулировка Томсона): «Невозможно провести отрицательный (вынужденный) процесс без компенсации его положительным самопроизвольным процессом».
Пример: Таяние снега – вынужденный процесс – сопровождается отдачей тепла от более теплого более холодному (излучение, радиация) - самопроизвольный процесс.
Формулировка: «Каждый вынужденный процесс избегает одиночества и требует сопровождения самопроизвольным процессом».
Известны и другие формулировки 2-ого закона термодинамики:
«Невозможно построить тепловой двигатель, КПД которого превышал бы цикл Карно»;
«Вечный двигатель 2-ого рода невозможен»;
«Энтропия в адиабатически изолированных системах всегда возрастает».
Вечный двигатель 2-ого рода – двигатель, источником теплоты которого является теплота окружающей среды.
С точки зрения 1-ого закона это возможно, но 2-ой закон утверждает, что должно быть два источника теплоты: нагреватель и холодильник.
Цикл Карно:
Только для обратимых процессов:
dQ = T dS, Q1 = T1(S2 – S1), Q2 = T2(S1 – S2).
Для любых процессов (обратимых и необратимых) .
Если подставить Q1 и Q2, то получим
Теорема Карно
КПД обратимого цикла Карно не зависит от состава топлива и определяется температурами нагревателя T1 и холодильника T2.
Все реальные процессы необратимы, т.е.
, .
В то время, как для обратимого:
, .
Произвольный обратимый цикл
Разобьем цикл бесчисленным числом адиабат и образуем бесчисленное количество обратимых циклов Карно. Справедливо следующее равенство:
=>
Из математики известно, что линейный интеграл по замкнутому контуру равен нулю , где dS – полный дифференциал, т.е. её изменение не зависит от пути перехода, а только от начального и конечного состояния.
В необратимых процессах dQ T dS.
Рассмотрим гипотетический процесс, который состоит из обратимых и необратимых частей. Суммарно процесс является необратимым, тогда , после интегрирования
Клаузиус рассматривал адиабатный процесс в масштабах всей Вселенной (суммарно адиабатный процесс). Он пришёл к выводу , т.е. по Клаузиузсу должна наступить смерть Вселенной.
Энтропия – мера неупорядоченности системы.
Sгаза>Sжидк>Sтв.тел.
По Клаузиусу движение во Вселенной хаотично. Теплота от более нагретых тел к менее нагретым будет излучаться во Вселенную и передаваться другим космическим телам и через большой промежуток времени температура во Вселенной выровняется, но если температура будет одинаковой, то преобразование теплоты в работу невозможно, как следует из теоремы Карно у тепловых двигателей должно быть два источника теплоты (нагреватель и холодильник). Но если температура во Вселенной будет постноянной, то преобразование теплоты в работу станет невозможным. Это состояние называется тепловой смертью Вселенной.
Критика тепловой смерти Вселенной. Если будет конец, значит было начало, а в масштабах бесконечного вселенского времени таких начал и концов должно быть также бесконечное множество. Отсюда согласуется гипотеза пульсирующей Вселенной. С точки зрения статистической физики критику тепловой смерти дал Гольцман. Согласно ему: «Термодинамическое состояние системы – это её наиболее вероятное состояние (флуктуация)», поэтому dS>0 - наиболее вероятный вариант развития Вселенной, но наряду с тем есть процессы флуктуации, когда dS<0, последннее компенсирует первое.
.
(Природа Вселенной не ясна, поэтому считать её адиабатической не стоит).
Третий закон термодинамики (следствие тепловой теоремы Нернста):
По теореме T0 S0, абсолютный нуль по шкале Кельвина невозможен.