Материал:

Слагаемые г) и д) обычно не меняются в процессах, происходящих при не очень высоких температурах, когда ионизация и возбуждения не играют существенной роли. В этих условиях слагаемые г) и д) не учитываются в балансе внутренней энергии. Для идеального газа не учитывается также слагаемое в).

Внутренняя энергия является однозначной функцией термодинамического состояния системы. Значение внутренней энергии в любом состоянии не зависит от того, с помощью которого процесса система достигла данного состояния. Изменение внутренней энергии при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 равна

и не зависит от вида процесса перехода 1 - "2. Если система находится в состоянии циклического процесса, то полное изменение ее внутренней энергии равна нулю.

Выше отмечалось, что обмен энергией между термодинамической системой и внешними телами происходит двумя путями: либо в случае осуществления работы, или путем теплообмена. Количество энергии, которую внешние тела передали системе при силовой взаимодействия между ними, называется работой А выполненной над системой. Количество энергии, которую внешние тела передали системе путем теплообмена, называется количеством теплоты Q, предоставленной системе.

Обмен энергией между неподвижной системой и внешней средой путем выполнения работы может происходить только при изменении объема и формы системы. Когда идеальном газа предоставляется какое-то количество теплоты, то газ может выполнить работу против внешнего давления.

Таким образом, увеличение внутренней энергии системы должно равняться сумме выполненной над системой работы А 'и количества предоставленного системе тепла Q:

Конечно вместо работы А ', выполненной внешними телами над системой, рассматривают работу А (что равно -), которую выполняет система над внешними телами. Тогда

Это уравнение выражает закон сохранения энергии и представляет собой содержание первого закона (начала) термодинамики. Словами его можно выразить следующим образом: тепло, предоставляемой системе, расходуется на увеличение внутренней энергии системы и на выполнение системой работы над внешними телами.

Рассмотрим, как записывается первый закон термодинамики для различных процессов в идеальном газе.

При изотермическом процессе изменение температуры не происходит и, следовательно, внутренняя энергия системы не изменяется (AU = 0). Тогда первый закон термодинамики имеет вид:

то есть все подведено тепло переходит в работу газа над внешними телами.

При изохорном процессе объем газа не меняется и поэтому работа газ не выполняет:

При изобарном процессе происходит увеличение внутренней энергии и выполняется работа ():

И, наконец, в адиабатическом процессе Q = 0, то есть

Можно дать еще одна формулировка первого закона термодинамики: вечный двигатель первого рода невозможен. Вечным двигателем первого рода называется такая периодическая работающая машина, которая производит работы, чем подведена к ней количество теплоты ..;

Таким образом, с вышерассмотренного можно сформулировать следующие выводы. Энергия - единственная мера различных форм движения материи.

Механическая энергия и тепловая энергия - это только две из многих форм энергии.

Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому в форме работы и в форме теплообмена. При этом макроскопическое тело рассматривается как совокупность огромного количества микрочастиц. Изменение энергии тела, совершенное первым способом, называют работой, выполненной над этим телом. Передача энергии в форме работы осуществляется в процессе силового взаимодействия тел и всегда сопровождается макроперемищенням.

Передача энергии путем теплообмена между телами обусловлена разницей температур этих тел.

Невозможен вечный двигатель первого рода. Это одна из формулировок первого закона термодинамики.

Всеми явлениями природы руководит закон сохранения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает никуда; количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Второй закон термодинамики и принцип возрастания энтропии

Второй закон термодинамики

Первое начало термодинамики не дает никаких указаний относительно направления, в котором могут происходить процессы в природе. Для изолированной системы, например, первый закон термодинамики требует лишь, чтобы во всех процессах энергия системы оставалась постоянной. Если 1 и 2 - два состояния такой системы, то первое начало ничего не может сказать о том, будет ли система переходить из состояния 1 в состояние 2, или из состояния 2 в состояние 1. Вообще, на основании первого закона нельзя выяснить , будут в изолированной системе происходить какие-либо процессы.

Пусть теплоизолированная система состоит из двух тел, взаимодействующих между собой, но не взаимодействуют с другими телами. Тогда теплообмен между ними удовлетворяет усло-ву. Теплота полученная одним телом, равна теплоте -, отданной другим телом. В каком направлении будет переходить теплота - на этот вопрос первый закон термодинамики ответить не может. Первому закону не противоречил бы, например, процесс, в котором теплота произвольно переходит от тела менее нагретого к телу более нагретому.

Второй закон термодинамики, наоборот, позволяет сделать вывод о направлении процессов, которые могут происходить в действительности. Кроме того, он может вместе с первым законом установить много точных количественных соотношений между различными термодинамическими параметрами тел в состоянии термодинамического равновесия.

Чтобы сформулировать второй закон термодинамики, рассмотрим схематично работу тепловой машины.

В цилиндре машины содержится газ или какая-либо другая вещество, которое называют рабочим телом. Для определенности будем считать, что рабочим телом является газ. Пусть на диаграмме VP исходное состояние тела изображается точкой - 1.

Пусть дно цилиндра вступает в тепловой контакт с нагревателем, то есть с телом, температура которого выше температуры газа в цилиндре. Газ будет нагреваться и расширяться - этот процесс изображен кривой 1a2. Рабочее вещество получит от нагревателя теплоту, и выполнит положительную работу. Согласно первому закону

Теперь надо вернуть поршень в исходное положение, то есть сжать газ. Это надо сделать так, чтобы работа, затраченная на сжатие, была меньше,. Чтобы достичь этого, введем дно цилиндра в тепловой контакт с холодильником, то есть телом, температура которого ниже температуры газа в цилиндре, и сожмём газ способом 2b1. В результате газ вернется к исходному состоянию и. При этом он отдаст холодильнике количество теплоты. По первому закону

Отсюда, в сочетании с предыдущей равенством

Таким образом, тепловая машина совершила циклический процесс, в результате чего нагреватель отдал количество теплоты, холодильник получил количество теплоты пошло на выполнение работы. Отношение

называется коэффициентом полезного действия (КПД) тепловой машины.

Возникает вопрос, нельзя построить периодическую тепловую машину без холодильника, то есть добиться того, чтобы = 0 и, следовательно n = 1? Такая машина могла бы превращать в работу всю теплоту, взятую от источника тепла. Возможность ее построения не противоречит закону сохранения энергии. По своему практическому значению она почти не уступала бы вечному двигателю, так как с ее помощью можно было бы выполнять работу за счет практически неисчерпаемых запасов внутренней энергии, содержащиеся в водах океанов и морей, атмосфере и недрах Земли. Такую машину Оствальд (1853-1932) назвал вечным двигателем второго рода, в отличие от вечного двигателя первого рода, то есть вечного двигателя, который осуществляет работу из ничего. Возможность существования такого двигателя противоречит закону сохранения энергии.

Но уже Карно понял, что такая машина принципиально невозможна. Работу тепловых двигателей он сравнивал с работой водяных двигателей. Работа последних связана с падением воды с более высокого уровня на более низкий. Так и возможность выполнения работы тепловыми двигателями обусловлена, согласно Уголовно, переходом теплоты от тела более нагретого к телу менее нагретому.

Факты опытов отрицают возможность построения вечного двигателя второго рода. Поэтому невозможность построения такого вечного двигателя была возведена до уровня постулата. Он называется постулатом второго начала термодинамики, или вторым законом термодинамики. Применяя этот постулат в макроскопических систем, размеры которых сравнительно крупные, физика до сих пор нигде не обнаружила существенных противоречий.

Уильям Томсон (получивший позже научные заслуги титул лорда Кельвина) в 1851 так сформулировал второй закон термодинамики: "Невозможен циклический процесс, единственным результатом которого было бы выполнение работы за счет охлаждения теплового резервуара". При этом работа за счет охлаждения теплового резервуара выполнялась бы на основе уменьшения внутренней энергии этого теплового резервуара.

Можно конкретизировать, в чем должна заключаться выполнения внешней работы, и таким образом получить много различных формулировок второго закона термодинамики.

Одно из таких формулировок относится Планку: "Невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом которого было бы поднятие груза за счет охлаждения теплового резервуара".

Если газ в цилиндре изотермически расширяется, то вся подведена теплота переходит в работу поднятия груза на поршне:

Это не противоречит постулату второго начала термодинамики, так вышеприведенный процесс нециклические, то есть машина не является периодически действующей. Вот если бы можно было каким-то способом, оставляя груз в поднятом положении, сжать газ, приведя его этим к исходному состоянию, и вернуть поршень в исходное положение таким образом, чтобы во всех других телах (кроме теплового резервуара, часть внутренней энергии которого пошла на производство работы ) не произошло никаких изменений, то тогда это было бы противоречием к постулату второго начала термодинамики, поскольку последний утверждает, что сделать такое невозможно никакими способами.

Клаузиус (1822-1888) в 1850 дал принципиально иная формулировка основного постулата. Он выдвинул следующее положение: "Теплота не может самостоятельно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретого". Суть этой формулировки заключается в том, что невозможно никаким способом забрать теплоту от тела менее нагретого и вполне передать ее телу более нагретом и сделать это так, чтобы в природе больше не произошло никаких изменений.

Источник: https://studbooks.net/7244/estestvoznanie/kontseptsii_sovremennogo_estestvoznaniya

Смотрите также:








ЦЕНОВАЯ ПОЛИТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ НА ПРИМЕРЕ ООО «ДНС РИТЕЙЛ»
_archivetempпротивовоспалительные
_Роджерс Карл, Брак и его альтернативы