Оглавление

1. ПРЕДМЕТ ТЕРМОДИНАМИКИ. ОСНОВНЫЕ ТЕРМОДИНОМИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ …….27

2. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ …………………………………………………………………………….29

3. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ …………………………………………………………...30

4. ПРИМЕНЕНИЕ I НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ К ИЗОПРОЦЕССАМ ……………………….33

5. АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС. УРАВНЕНИЕ ПУАССОНА ………………………………………….34

6. ПОЛИТРОПИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС. СКОРОСТЬ ЗВУКА В ГАЗАХ ……………………………...35

7. ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ЭНТРОПИЯ И ВЕРОЯТНОСТЬ. ТЕОРЕМА НЕРНСТА …………………………………………………………………………………………………..37

8. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СМЫСЛ II НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ ……………………………….38

9. КРУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ (ЦИКЛЫ). РАБОТА ЦИКЛА …………………………………………..40

10. ЦИКЛ КАРНО. КПД ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ. ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА ……………….41

11. ТЕХНИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ……………………………………………………………………………45

Введение

Термодинамика – это раздел физики, в котором рассматриваются физические явления с точки зрения тех превращений энергии, которыми эти явления сопровождаются. Законы, лежащие в основе термодинамики, называются началами. Они установлены как результаты обобщения экспериментальных данных. Достоверность начал подтверждается совпадением большого числа выводов из них с результатами опытов. Термодинамический метод имеет огромное практическое значение. Недостатки термодинамического метода: он даёт возможность установить соотношения между различными свойствами вещества, но не позволяет количественно охарактеризовать эти свойства. Например, соотношение между Ср и Сv устанавливает, а найти их величины не позволяет( Ср и Сv определяются на основании молекулярно – кинетической теории). Кроме того, термодинамический метод не даёт возможности найти уравнение состояния, знание которого необходимо для большинства расчётов.

Введём некоторые термодинамические понятия:

1.Термодинамической системой или телом называют вещество, занимающее определённый объём. Этот объём можно отделять от окружающего пространства стенками или выделять мысленно. Обычно рассматривается определённое состояние системы, характеризующееся определёнными физическими величинами (параметрами). Например: объём, давление, температура, плотность и т.д.

2.Физический процесс – это переход системы из одного состояния в другое.

При термодинамическом рассмотрении процесса нас интересует не то, из каких веществ состоит система, а какими параметрами (и сколько их) она характеризуется. Мы уже говорили, что параметры – это величины, служащие для определения состояния системы. Они могут изменяться под влиянием внешних причин. Количество параметров, необходимых для однозначного определения системы, определяется степенью её сложности, а последнее – числом фаз, из которых состоит система. Напомним, что фаза – всякое однородное физическое тело или совокупность тождественных и однородных физических тел. Например, вода и пар – две фазы, вода и лёд в ней – две фазы и т.д. Идеальный газ – одна фаза. Его состояния однозначно определяются параметрами P, V, Т.

Весьма важен вопрос о равновесности системы. Равновесным состоянием системы называется такое состояние, при котором характеризующие систему параметры имеют определённые значения, остающиеся без влияния извне каких-либо причин неизменными сколь угодно долго. Если эти условия не выполняются, то состояние системы - неравновесное. Например, система из жидкости и насыщенного пара над ней, заключённых в сосуд при одинаковой Т во всех частях системы, - равновесное состояние. Здесь и Р во всех частях системы одинаково. Таким образом, Р = const и Т= const. Если же в этой системе Т пара и жидкости различны, то состояние её неравновесное. Всякое равновесное состояние системы можно изобразить точкой в системе координат, за оси которой взяты параметры РV, РТ, VТ. Неравновесному состоянию не соответствуют определённые значения параметров и изобразить его точкой нельзя.

Мы уже видели, что для определения температуры необходимо ввести понятие о тепловом равновесии. Поэтому термодинамика является наукой о равновесном состоянии систем.

Всякий процесс приводит к изменениям параметров, то есть нарушает равновесие системы. Если процесс идёт быстро, то Р и Т в различных точках системы различны и быстро меняются. Методы термодинамики не применимы к изучению такого процесса. Если же состояние системы изменяется бесконечно медленно, то последовательные состояния системы можно рассматривать как равновесные и применять к ним законы термодинамики (в этом случае каждый параметр в каждый момент времени имеет определенное значение, и оно изменяется крайне медленно, то есть его можно считать постоянным для малых промежутков t). Такой бесконечно медленно протекающий процесс называется равновесным. Чем медленнее протекает реальный процесс, тем ближе он к равновесному. Графически равновесный процесс изображается непрерывной кривой.

Таким образом, термодинамика изучает идеальные бесконечно медленные процессы.

Введём понятие обратимости и необратимости процессов. Обратимым называется процесс, который может протекать в обоих направлениях, причем, если процесс прошел вначале в одном направлении, а потом в обратном направлении, то система должна вернуться в исходное состояние без того, чтобы в окружающих телах произошли какие – либо изменения.

Всякий равновесный процесс обратим, так как он состоит из непрерывного ряда равновесных состояний, которые могут следовать друг за другом как в одном, так и в обратном направлении. Неравновесный процесс - необратим, то есть реальные процессы всегда необратимы: их можно считать приблизительно обратимыми, если они протекают бесконечно медленно.

Примеры: падение камня – необратимый процесс. Все механические процессы, происходящие без выделения тепла – обратимы. Колебания маятника без учёта трения и сопротивления среды – обратимый процесс.

3. Большую роль в термодинамике играют понятия работа и теплота. Выясним физический смысл понятия “теплота” и установим соотношение между количеством переданного тепла и работой.

Первоначально понятие о теплоте возникло на основании физиологических ощущений человека. Но эта оценка степени нагретости тел не точна, она может приводить к ошибочным заключениям при сравнении температуры тел (кажется ли тело горячим или холодным – зависит не только от его температуры, но и от теплопроводности и состояния нашей руки).

Для объективной оценки теплового состояния тел используют положение о том, что тела, образующие изолированную группу, с которыми не происходит никаких изменений, кроме тепловых, при достаточно долгом соприкосновении друг с другом принимают одинаковую температуру. На этом основано измерение температур.

Для объяснения тепловых явлений в XVIII веке возникла теория теплорода. По этой теории теплота представляет собой некоторое вещество – теплород, не создающееся и не уничтожающееся. Горячее тело содержит больше теплорода, холодное – меньше. При соприкосновении тел теплород переходит от более горячего тела к более холодному (теплород невесом).

На основании теории теплорода было установлено понятие о количестве передаваемого тепла Q. На основании опытов (например, по нагреванию воды опущенными в неё различными нагретыми телами) было установлено, что количество теплоты, передаваемое телу или отнятое от него:

, где с – удельная теплоёмкость тела, m – масса тела, T - изменение температуры тела.

Но уже в первой половине XVIII века Ломоносов, развивая мысли некоторых учёных о том, что причиной повышения температуры тел является движение молекул, указал, что тепловые явления обусловлены вращательным движением молекул. В качестве основного аргумента в пользу молекулярно – кинетической теории тепла Ломоносов исследовал нагревание тел в результате трения.

Ломоносов приходит к заключению, что теплота состоит во внутреннем движении материи.

Затем Румфорд наблюдал нагревание стружек при сверлении металла, Дэви доказал экспериментально, что теплота может возникать в результате затраты работы (лёд плавится в результате трения одного его куска о другой).

Джоуль опытами с1843 по 1878 год показал, что надо затратить работу в 4,18 Дж, чтобы возникло такое же нагревание тел, как при передаче количества тепла в 1кал. И, наоборот, за счёт 1 калории тепла всегда получится 4,18 Дж механической работы. Эти опыты установили общую эквивалентность между количеством переданного тепла и работой.

Всё это привело к тому, что в середине XIX века теория теплорода была окончательно отвергнута. Понятие о количестве теплоты в теле не имеет физического смысла. От теории теплорода осталась лишь терминология.

Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплообменом или теплопередачей.

Энергию, переданную телу либо отданную телом в результате теплообмена, называют количеством теплоты.

Состояние макросистем (термодинамических систем) может изменяться при их взаимодействии. Под взаимодействием будем понимать обмен энергией между системами. Взаимодействия делятся на тепловые и адиабатические. Тепловые - это такие взаимодействия, при которых обмен энергией между системами осуществляется путём теплопередачи без совершения работы (теплопроводность, конвекция, лучеиспускание). При адиабатических взаимодействиях обмен энергией между системами происходит благодаря совершению механической работы.

Следует иметь ввиду, что энергия является функцией системы. Система обладает энергией и тогда, когда с ней не происходит никаких изменений. Но ни работа, ни количество переданной теплоты не являются функцией состояния системы. Они являются функцией процесса.