1. Термодинамическая система. Основные параметры состояния
 Скачать 3.69 Mb.
|
|
1.Термодинамическая система. Основные параметры состояния. Термодинамика – это наука о закономерностях перехода энергии между системами Т. система – совокупность объектов, взаимосвязь между которыми больше, чем с объектами внешней среды. Термодинамические системы: Изолированные (∆m=0, ∆E=0) – не обменивается с внешней средой ни объемом, ни энергией. Закрытые (∆m=0, ∆E≠0) – то же, но возможен обмен энергией Открытые (∆m≠0, ∆E≠0) Состояния: 1. Равновесное состояние системы – параметры системы постоянны, нет вещества и потока энергии. 2. Стационарное состояние – параметры системы не изменяются, при наличии потока вещества и энергии. 3. Переходное состояние – параметры системы изменяются. Термодинамические системы бывают трех видов: 1. Изолированные (нет обмена ни веществом, ни энергией с окружающей средой). Пример – герметичный сосуд с газом с теплоизоляционной оболочкой, Вселенная в целом. 2. Замкнутые (нет обмена веществом с окружающей средой). Пример – герметичный сосуд. 3. Открытые (есть и энерго- и массообмен с окружающей средой). Пример – костер, человек. Энергия – количественная мера определенного вида движения материи при еѐ превращениях (Дж) 1кал=4,184Дж Состояния систем характеризуются параметрами состояния и функциями состояния. Параметры состояния системы – это свойства, однозначно характеризующие однородные части системы. Например, для идеального газа параметрами являются четыре свойства – давление P, объѐм V, температура T и количества молей m . Любые три из них – независимы. Это означает, что, задав произвольно любые три из четырех параметров, мы по уравнению состояния (в данном случае это будет уравнение Клапейрона- Менделеева) найдем четвертый: PV= m RT Для более сложных систем могут появиться дополнительные параметры состояния – например, химический состав. Параметры делятся на интенсивные и экстенсивные. Интенсивные параметры не зависят от количества вещества в системе (давление, температура, напряженность электрического поля и др.), а экстенсивные – зависят (объем, масса, заряд и др.) Для описания термодинамической системы вводят так называемые термодинамические величины — набор физических величин , значения которых определяют термодинамическое состояние системы. Примерами термодинамических величин являются: температура давление объем внутренняя энергия энтропия энтальпия свободная энергия Гельмгольца энергия Гиббса Если термодинамическое состояние системы не меняется со временем , то говорят, что система находится в состоянии равновесия . Строго говоря, термодинамические величины, приведѐнные выше, могут быть определены только в состоянии термодинамического равновесия. 2.Первый закон термодинамики, его приложение к биосистемам. Закон Гессе 1-й з-н терм-ки: количество теплоты, переданное системе, идѐт на изменение еѐ внутренней энергии и совершения спонтанной работы. Q=∆U+A (является законом сохранения энергии)(А=∆U). Определяет не возможность создания вечного двигателя первого рода. Изохорические процессы: V=constQ=∆U Изобарические: p=constQ=∆U+p∆V Изотермические: t=const Для изобарного процесса: A= -p∆VQ=∆U+p∆V Для биосистемы характерны изобар.процессы. Энтальпия (Н) –термодинамическая характеристика или функциональное состояние системы приращения которой равно теплоте, полученной в изобарном процессе. H=U+pV Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии – гласит: энергия не создается и не исчезает, она превращается из одной формы в другую. В результате превращений энергии определено, что никогда нельзя получить энергии больше чем затрачено - нельзя из ничего получить нечто. На выходе из системы энергия преобразуется в иные формы. Любая преобразовательная деятельность человека не в состоянии ни создать, ни уничтожить ни единого атома вещества, а лишь позволяет перевести из одного состояния в другое. С точки зрения природопользования необходимо усвоить, что любой процесс будет создавать отходы, которые также являются частью преобразовательного природного вещества. 3.Эффективность энергетических процессов. Терморегуляция. В работу может быть преобразована только часть внутренней энергии системы называется свободной энергией, остальная связанная. U=G+Eсвяз Работа, процессы для которой (A=∆G) совершенная работа равна свободной энергии является обратимой. Для обр.проц.: А1=А2, для необр.проц.: А1‹А2 Организм человека, совершает работу используя энергию химических связей органических веществ поступающих с пищей. ∆U=Eпищи – Q – A В норме для стационарного состояния организма человека изменение внутренней энергии = 0 (∆U=0) Eпищи= Q+A Терморегуляция включает: 1. Химическая терморегуляция-это усиление обмена веществ и соответственно теплопродукции при t среды ниже +15, и ослабление при t выше +30. 2. Физическая терморегуляция осуществляется путем изменений отдачи тепла организмом. Особо важное значение она приобретает в поддержании постоянства температуры тела во время пребывания организма в условиях повышенной температуры окружающей среды. Теплоотдача осуществляется путем теплоизлучения (радиационная теплоотдача)(длинна волны=10мкм, в состоянии покоя при tсреды=20, 70%тепла отводится во внешнюю среду), конвекции, т. е. движения и перемешивания нагреваемого телом воздуха, теплопроведе-ния, т. е. отдачи тепла веществам, непосредственно соприкасающимся с поверхностью тела?????? ?????? = ?????? ?????? ∗ ?????? ?????? −?????? ?????? ?????? ∗ ?????? ∗ ??????; И испарения воды с поверхности кожи и легких.Q E =Lm (L-удельная теплота испарения) 4.Второе начало термодинамики, его приложение к биосистемам. Энтропия. Энергия Гиббса. Теплота не может самопроизвольно переходить от тела с меньшейt к телу с большей t. Энтропия (S) –это термодинамическая функция состояния, которая служит мерой неупорядоченного расположения частиц системы; самопроизвольные процессы характеризующиеся увеличением энтропии. Понятие энтропии было впервые введено в 1865 году Рудольфом Клаузиусом. Он определил изменение энтропии термодинамической системы при обратимом процессе как отношение изменения общего количества тепла ΔQ к величине абсолютной температуры T: 2-е начало термодинамики – энтропия изолированной системы возрастает в необратимых процессах и остается неизменной в обратимых термодинамических процессах. ∆S≥∆Q/T Второй закон термодинамики утверждает: при любых превращениях энергия переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся. Этот закон устанавливает, что любые превращения энергии не позволяют получить ее больше, чем было затрачено изначально, то есть любой материальный объект на Земле при любых физических, химических или иных изменениях может лишь видоизменять энергию из одного вида в другой, но не добиться ее возникновения или исчезновения. При определении любого энергетического процесса, текущего самопроизвольно, происходит переход энергии из концентрированной формы в рассеянную, то есть всегда существуют потери энергии (в виде недоступного для использования тепла), при этом стопроцентный переход из одного вида энергии в другой невозможен. Характерно действие этого закона при переходе из одной формы в другую в живых системах: солнечная энергия в растениях при |