Тема 1. Основы термодинамики (2 часа) Термодина́мика (греч

Тема 1. Основы термодинамики (2 часа)
Термодина́мика (греч. θέρμη — «тепло», δύναμις — «сила») — раздел физики,
изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В
отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая
физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла,
а также теплотехника.
Современную феноменологическую термодинамику принято делить на
равновесную (термодинамику равновесных процессов, она же термодинамика
квазистатических процессов, или классическая термодинамика) и неравновесную
(термодинамику неравновесных процессов, она же термодинамика необратимых
процессов).
При изучении в механике закона сохранения энергии, учитываются только два
вида энергии: кинетическая энергия движения всего тела, как целого (движение
центра масс тел), и потенциальная энергия взаимодействия с другими телами
(гравитационная, упругая). При этом закон сохранения механической энергии
выполнялся не всегда: если действовали силы трения или при ударе происходили
неупругие деформации, закон сохранения механической энергии не выполнялся.
Однако было замечено, что в этих случаях при трении или неупругом ударе –
тела нагреваются. Были поставлены многочисленные и весьма точные опыты, с
целью учесть выделяющуюся при этом тепловую энергию. Для этого тела помещали
в адиабатическую оболочку, то есть не проводящую тепло, и измеряли изменение
температуры тела.
Эти опыты, а также многочисленные неудачные попытки построить вечный
двигатель, позволяющий получать работу из ничего, без каких-либо затрат энергии,
позволили в середине XIX века сформулировать принцип сохранения энергии,
охватывающий все процессы в природе – первое начало термодинамики, и создать
новую науку – термодинамику.
Термодинамика это наука о тепловых процессах, в которой не учитывается
атомарно-молекулярное строение тел. В термодинамике изучаются взаимосвязи
между макрохарактеристиками системы (например, давление и температура).
Основой термодинамики являются так называемые «начала», то есть опытные
законы, которые справедливы для всех систем независимо от их строения и
агрегатного состояния. Исторически термодинамика стала наукой ещё до того, как
более или менее точно узнали о внутреннем строении вещества. Термодинамика
стала основной наукой XIX века.
Одно из основных понятий термодинамики – внутренняя энергия тела
(системы). Внутренняя энергия тела складывается из кинетической энергии
поступательного, вращательного и колебательного движений атомов и молекул и
потенциальной энергии их взаимодействия. Кинетическая энергия и потенциальная
энергия тела во внешнем поле (например, в поле тяготения) в состав внутренней
энергии не входят. Внутренняя энергия зависит только от параметров состояния.
Внутреннюю энергию системы (газа) можно изменить за счёт работы. Работой
расширения идеального газа А является работа, которую газ совершает над
внешними телами. В изобарном процессе ( p  const ) работа расширения
определяется по формуле
A  pV ,
где V  V2  V1 - изменение объёма.
Работа А , совершаемая внешними телами над газом, численно равна работе
А , но противоположна по знаку, то есть А   А . При расширении V  0 газ
совершает
положительную
работу.
При
сжатии
V  0
газ
совершает
отрицательную работу, а работа внешних сил является положительной.
Изменить внутреннюю энергию системы (газа) можно также за счёт
нагревания или охлаждения. Процесс передачи энергии от одного тела другому без
совершения
работы
называется
теплообменом
(теплопередачей).
Энергия,
передаваемая телу окружающей средой или другим телом без совершения работы на
макроуровне, называется теплотой Q .
Физическая величина, численно равная количеству теплоты Q , которое
необходимо сообщить телу для нагревания его на один градус, называется
теплоёмкостью
С
Q
.
Т
Количество теплоты, необходимое для превращения при температуре кипения
1 кг жидкости в пар, называется удельной теплотой парообразования. Необходимо
отметить, что при конденсации пара происходит выделение такого же количества
тепла, которое было затрачено на превращение жидкости в пар.
Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг данного
топлива, называется удельной теплотой сгорания.
Термодинамика базируется на опытных законах, носящих всеобщий характер.
Прежде всего, это закон сохранения энергии. Закон сохранения и превращения
энергии, распространённый на тепловые явления, называется первым законом
(началом) термодинамики. Формулируется он следующим образом: изменение
внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно
сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
U  A  Q .
(1.1)
Как показано выше, работа газа над внешними телами А связана с работой
внешних сил над газом А соотношением А   А . С учётом этого соотношения
первый закон термодинамики можно представить в виде
Q  U  A .
Суть последнего выражения состоит в том, что количество теплоты,
переданное системе, идёт на изменение её внутренней энергии и на совершение
системой работы против внешних сил. Принцип сохранения энергии один из
главных постулатов физики; до сих пор ни в одном эксперименте не было
обнаружено его нарушения.
Необходимо
термодинамики
(в
помнить,
что
зависимости
величины,
от
характера
входящие
процесса)
в
первый
могут
закон
принимать
положительные, отрицательные, а также нулевые значения.
Взаимные превращения теплоты и работы неравноценны; работа может быть
полностью превращена в теплоту, а теплоту невозможно полностью превратить в
работу. Машина, которая бы полностью превращала теплоту в работу, называется
вечным двигателем второго рода. Вечный двигатель второго рода запрещается
вторым законом термодинамики, хотя и не противоречит первому закону
термодинамики.
Формулировки второго закона термодинамики.
«В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была
бы механическая работа, полученная за счёт охлаждения теплового резервуара»
(Уильям Томсон).
«Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к горячему»
(Рудольф Клаузис).
Второй закон термодинамики также определяет, какая часть тепловой энергии
может быть превращена в механическую.
Этот закон утверждает, что превратить тепло в работу при постоянной
температуре нельзя. Закон был открыт французским военным инженером и учёным
Сади Карно (1824 г.) исторически раньше открытия первого закона.
При работе обратимых машин (равенство Р. Клаузиса)
Q1 Q2

,
Т1 Т 2
и тепло Q1 при температуре Т1 эквивалентно теплу Q2 при температуре Т 2 ; ведь
если поглощается Q1 , то всегда выделится Q2 .
При обратимых процессах Q поглощается столько, сколько и выделяется.
T
Иначе говоря, Q
T
не убывает и не прибывает. Отношение Q
T
называется
энтропией
S Q .
T
За обратимый цикл изменение энтропии равно нулю. Единица измерения
энтропии – джоуль на градус.
Если в систему обратимо втекает тепло Q при температуре Т , то энтропия
системы возрастает на
S  Q . Если
T
Т  0 , то
S  0 . (третий закон
термодинамики).
При обратимых изменениях полная энтропия всех участников не изменяется.
При необратимых изменениях полная энтропия всегда возрастает.
Абсолютно обратимых процессов не существует, поэтому энтропия всегда
возрастает. Обратимые процессы – это идеализированные процессы с минимальным
приростом энтропии.
В силу второго начала термодинамики, энтропия Si замкнутой системы не
может уменьшаться (закон неубывания энтропии). Математически это можно
записать так: dSi  0 , здесь индекс i означает, так называемую внутреннюю
энергию, соответствующую замкнутой системе. В открытой системе возможны
потоки тепла, как из системы, так и внутрь её.
Два закона термодинамики ещё можно сформулировать так:
Первый закон – энергия вселенной всегда постоянна,
Второй закон – энтропия вселенной всегда возрастает.
Энтропию ещё вводят как функцию, устанавливающую направление
самопроизвольных процессов. Энтропия – мера беспорядка в системе: полная
упорядоченность частиц в системе (например, в кристаллах), соответствует
минимуму энтропии, полный беспорядок – максимуму. Например, энтропия
водяного пара больше, чем энтропия воды; в свою очередь энтропия воды больше,
чем энтропия льда.
Понятие энтропии ввёл Р. Клаузис в 1865 году.
Энтальпия (от греч. enthalpo – нагреваю) – тепловая функция или
теплосодержание – термодинамический потенциал, характеризующий состояние
системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве независимых
переменных давления, энтропии и числа частиц H ( p, S , N ) .
Энтальпия это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при
определённых температуре и давлении.
Энтальпия или энергия Е системы равна сумме внутренней энергии U и
потенциальной энергии Еп
H  Е  U  Eп .
Энтальпией системы удобно пользоваться в тех случаях, когда в качестве
независимых переменных, определяющих состояние системы, выбирают давление
p и температуру Т
Н  H ( p, Т ) .
Равновесному состоянию системы в условиях постоянства
S
и
p
соответствует минимальное значение энтальпии. При тепловой изоляции тел (при
p  сonst ) энтальпия сохраняется, поэтому её называют теплосодержанием.
Количественно зависимость между изменением энтальпии ( H ), энтропии
( S ) и свободной энергии ( G ) описывается уравнением Гиббса – Гельмгольца
G  H  T S .
Термин энтальпия предложил нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес.
Единица измерения энтальпии – джоуль.
Вопросы для самоконтроля
1. Что изучает термодинамика?
2. Первый закон термодинамики.
3. Второй закон термодинамики.
4. Что называется энтропией?
5. Что называется энтальпией?