История термодинамики. Основы термодинамики. Принцип возрастания энтропии
 Скачать 39.81 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА ФАКУЛЬТЕТ ГУМАНИТАРНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КАФЕДРА ИСТОРИ РЕФЕРАТ на тему: «Основы термодинамики. Принцип возрастания энтропии» Студентки группы ГЭ-21-06 Чупрыгиной А.И. Научный руководитель: Доцент, к.и.н. Овчинникова Т.К. Москва, 2022 Содержание: Введение...................................................................................................................3 Раздел 1. История развития термодинамики........................................................4 Раздел 2. Первый закон термодинамики...............................................................6 Раздел 3. Второй закон термодинамики. Понятие энтропии..............................9 Раздел 4. Третье начало термодинамики............................................................13 Раздел 5. Первые тепловые двигатели................................................................15 Заключение............................................................................................................17 Список источников информации.........................................................................18 Введение Мы постоянно сталкиваемся не только с механическим движением, но и с тепловыми явлениями, которые связаны с изменением температуры тела или переходом веществ в различное агрегатное состояние – жидкое, газообразное или твердое. Тепловые процессы имеют огромное значение для существования жизни на Земле, поскольку белок способен к жизнедеятельности только в определенном интервале температур. Жизнь на Земле зависит от температуры окружающей среды. Люди добились относительной независимости от окружающей среды после того, как научились добывать огонь. Это было одним из величайших открытий на заре человечества, изучение данных вопросов крайне важно для развития науки и представлений о мире, в этом и состоит актуальность работы. Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которых не учитывается молекулярное строение тел. Законы термодинамики и их применение будут рассмотрены в этом реферате. Цель работы: познакомиться с историей открытия термодинамических законов и разобрать их суть. Задачи: Изучить историю развития термодинамики Разобрать суть трех законов термодинамики Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка источников информации. . Раздел 1. История развития термодинамики В 1824 г. французский инженер Сади Карно экспериментально доказывает, что теплота и механическая работа обратимы одна в другую.[1, C. 120]. В 1842 г. немецкий врач Роберт Майер отверг теплород как вещественную субстанцию, определил теплоту как силу движения и сформулировал закон сохранения и прекращения сил. Английский физик Джеймс Джоуль определил механический эквивалент теплоты как работу, которую необходимо совершить, чтобы нагреть один грамм чистой Н2О от 19,50 до 20,50С. Эта единица измерения названа его именем и равна 4,18 джоулей. Джоуль экспериментально обосновал и закон сохранения энергии. Однако первую ясную формулировку закона сохранения сил дали немецкий физик Рудольф Кладдиус и английский физик Уильям Томсон. Значительный вклад в развитие теории тепловых явлений и свойств макросистем внесли английский физик Джеймс Максвелл и австрийский физик Людвиг Больцман. В результате этих работ было установлено, что теплота представляет собой форму энергии, и принцип теплорода был заменен гораздо более глубоким законом сохранения энергии. [1, C. 118] История открытия закона сохранения и превращения энергии способствует развитию двух качественно различных, но взаимно дополняющих друг друга методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического, который лег в основу термодинамики, и статистического, или молекулярно-кинетического, который явился развитием кинетической теории вещества и заложил основу молекулярной физики. Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которых не учитывается молекулярное строение тел. Основы термодинамического метода определяли состояние термодинамики, систем, представляли собой совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией, как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Состояние системы задается термодинамическими параметрами, характеризующими ее свойства. Обычно это температура, давление и удельный объем. В термодинамике тепловые явления описываются с помощью величин, регистрируемых приборами, не реагирующими на воздействие отдельных молекул. Все законы термодинамики относятся к телам, число молекул которых огромно. Эти тела образуют макросистемы. Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного его термодинамического параметра, называют термодинамическим процессом. Макроскопическая система находится в термодинамическом равновесии, если ее состояние с течением времени не меняется при сохранении внешних условий.[1, C. 121] Раздел 2. Первый закон термодинамики Термодинамическая система, как и любая другая физическая система, обладает некоторым запасом энергии, который обычно называют внутренней энергией системы. Внутренняя энергия системы есть сумма всех видов кинетической и потенциальной энергии всех составных частей молекулы: молекул, атомов, электронов. Таким образом, в состав внутренней энергии входит кинетическая энергия поступательного и вращательного движений атомов и молекул, энергия их колебательного движения, потенциальная энергия взаимодействия атомов и молекул, кинетическая и потенциальная энергия электронов в атомах, внутриядерная энергия. Однако в большинстве физических явлений, в которых участвуют термодинамические системы, не все перечисленные виды энергии испытывают изменения. Например, при сжатии, расширении или нагревании газообразных тел изменяются только интенсивности поступательного и вращательного движений их молекул; внутриатомная энергия в таких процессах не участвует. В химических процессах остается без изменения внутриядерная энергия; ее изменения наблюдаются только в явлениях радиактивности и в ядерных реакциях. Поэтому очень часто, употребляя понятие внутренней энергии, имеют в виду не полную энергию данной системы, а только ту ее часть, которая участвует и изменяется в рассматриваемых явлениях. [2, C. 67] Внутренняя энергия системы является однозначной функцией ее состояния, то есть в каждом определенном состоянии система обладает вполне определенным значением внутренней энергии. Однако при данной внутренней энергии система может находиться в различных состояниях. Внутренняя энергия системы, в частности термодинамической, может быть выражена в зависимости от значений всех физических величин, определяющих это состояние: объема, давления, t0. Расчет внутренней энергии тел, находящихся в твердом или жидком состоянии, затруднен и требует использования ряда упрощающих предположений. Имеется формула только для расчета внутренней энергии разреженного газа в зависимости отего t0. Ее можно получить на основании следующих рассуждений. Допустим, газ сильно разряжен, так что его молекулы в среднем находятся далеко друг от друга и слабо взаимодействуют между собой. При этих условиях потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь и тогда внутренняя энергия газа определяется только кинетической энергии теплового движения его молекул. Внутренняя энергия системы уменьшается, если система отдает в окружающую среду энергию, а также, если система совершает положительную работу. Внутренняя энергия системы повышается, если она получает энергию извне и если положительную работу совершают внешние силы, действующие на систему. [2, C. 74] При переходе термодинамической системы из одного состояния в другое изменение ее внутренней энергии равно разности между количеством получаемой или отдаваемой теплоты и внешней работы, совершаемой при этом системой. Так звучит первый закон термодинамики. Однако все тепло не может быть потрачено на полезную работу. Часть тепла теряется и теряется необратимо. В качестве элементарного примера можно привести работу электрической лампочки, которая сопровождается двумя эффектами – нагреванием и свечением. Та часть энергии, которая переходит в свечение, производит полезную для нас работу, но часть тепла расходуется на нагревание стекла лампы и окружающего пространства, то есть, переходит в хаотическую форму, растрачивается необратимо, за счет нее невозможно произвести полезную работу. Путем точных экспериментов было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию в строго определенных количествах. Существование такого механического эквивалента – коэффициент полезного действия (КПД) – дл теплоты свидетельствует о ее сохранении.[3] Из первого закона термодинамики следует вывод: невозможен вечный двигатель первого рода, то есть такой двигатель, который бы совершал работу за счет разовой подачи энергии от внешнего источника, поскольку невозможно полное превращение энергии внешнего источника в полезную работу, так как часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового хаотического движения молекул. [4] Раздел 3. Второй закон термодинамики. Понятие энтропии При рассмотрении тепловых явлений самым очевидным оказался тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, что тепло, возникшее, например, в результате какой-либо механической работы или в результате трения, нельзя превратить в энергию и на этом использовать для производства работы. Так же, как невозможно произвести работу, например, за счет охлаждения озера или моря при установившейся t0. Известно и то, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот. Отсюда следует, что всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми t0 и P. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Если это термодинамическое состояние приближается к тепловому равновесию, то оно необратимо. В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы, то есть с их помощью невозможно совершать работу. Второй закон термодинамики утверждает, что невозможно получить работу за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии. Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счет энергий, находящихся в тепловом равновесии тел, был бы практически вечным двигателем. Второй закон термодинамики исключает возможность создания такого вечного двигателя второго рода.[5] Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, которое это состояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния. Тело, предоставленное самому себе, стремится перейти в состояние с большим статистическим весом. Принято пользоваться не самим числом, а его логарифмом, которое умножается на постоянную Больцмана, определенную таким образом величину называют энтропий тела. Энтропия сложной системы равна сумме энтропий ее частей. Второй закон термодинамики, определяющий направление тепловых процессов в системе, можно сформулировать так: все естественные физические и химические процессы стремятся идти в направлении, соответствующем необратимому переходу полезной энергии в хаотическую, неупорядоченную форму. Мерой такого перехода служит энтропия. Приведу несколько примеров изменения энтропии в системах: Вскипятили воду в чайнике и оставили его охлаждаться в комнате на столе. Температура воды в чайнике будет понижаться, а температура воздуха около чайника, а потом и всей комнаты за счет этого будет повышаться вследствие того, что молекулы воздуха будут двигаться значительно быстрее. Следовательно, благодаря охлаждению Н2О в чайнике, хаос в окружающем его пространстве увеличивается, значит, увеличивается и его энтропия. Боле того, возрастание энтропии в комнате, обусловленное охлаждением чайника, необратимо. [5] Энтропия характеризует состояние не только энергии, но и вещества. Мы извлекаем энергии из глюкозы, которая получает из окружающей среды, в результате окислительного метаболизма ее в клетке. Конечные продукты ее биотрансформации – углекислый газ и Н2О – возвращаются в окружающую среду. При этом процессе сам организм остается в стационарном состоянии и степень его внутренней упорядоченности не изменяется. Энтропия же окружающей среды возрастает, так как увеличивается число молекул вместо семи в пространство возвращается двенадцать молекул, а, следовательно, увеличивается и степень их молекулярной неупорядоченности. Стихотворение Ф. Тютчева: Не то, что мните вы, природа, Не слепок, не бездушный лик. В ней есть душа, в ней есть свобода, В ней есть любовь, в ней есть язык. Богатое информационное сообщение. В нем заложено глубокое содержание: о единстве природы и человека, о необходимости чуткого и бережного отношения человека к внешнему миру. Если представить себе, что все буквы, из которых состоит сообщение, рассыпать в беспорядке, то весь смысл текста будет утраченным, и эти же все буквы уже не несут никакой информации. Где больше энтропия? В последнем случае, где больше хаос. Из этого следует вывод о том, что информация представляет собой одну из форм энергии, энтропия которой очень низка, поэтому ее еще называют отрицательной энтропией. [5] Итак, энтропия – мера беспорядка, хаотичности системы. С ростом энтропии возрастает, усиливается беспорядок в системе. И тогда, согласно второму закону термодинамики, энтропия замкнутой системы, то есть системы, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. Такие системы эволюционируют в сторону увеличения беспорядка, дезорганизации и хаоса, пока не наступит состояние равновесия – точка термодинамического равновесия, при которой энтропия максимальна, а производство работы уже невозможно. Из этого следовало, что наиболее организованные, например, живые организмы, должны быть высоко неупорядоченными. Применяя второй закон термодинамики к такой системе, как Вселенная, Р. Клаузиус пришел к трагическому заключению о том, что энтропия Вселенной должна когда-нибудь достигнуть своего максимума. Это означает, что t0 всех тел во Вселенной станет одинаковой и все процессы во Вселенной прекратятся, что приведет ее к тепловой смерти. Однако же история эволюции Вселенной свидетельствует о постоянном развитии от низших форм организации к высшим. Теория эволюции Дарвина утверждает, что естественный отбор направлен на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации. Впервые проблема этого противоречия в рамках сравнения свойств живых и неживых систем была сформулирована в книге Эрвина Шредингера «Что такое жизнь?». Он подчеркивал то, что законы физики лежат в основе образования биологических структур, показал, что живые системы, вопреки второму закону термодинамики, способны поддерживать упорядоченность, то есть живые системы могут проявлять тенденцию как к разрушению упорядоченности, так и к ее сохранению. За неживой же природой тогда было признано лишь право разрушать любую упорядоченность. Эти противоречия оставались неразрешимыми вплоть до шестидесятых годов прошлого столетия, пока не появилась новая наука неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию необратимых процессов и оперирует новым фундаментальным понятием – открытые системы. Неравновесная термодинамика показала, что тенденция к созданию присуща и неживой природе. Вся материя способна осуществлять работу против термодинамического равновесия, способна самоорганизовываться и самоусложняться. Очень важно то, что с введением понятия энтропии, термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в форме необратимого процесса возрастания энтропии в системе, по которому можно судить об изменении системы: чем выше энтропия системы, тем больше временной промежуток прожила система в своей эволюции. В отличие от механических процессов, в которых время выступает как параметр, знак которого можно менять на обратный, а, следовательно, вернуть систему к первоначальному состоянию, в необратимых термодинамических процессах время необратимо. Энтропия практически выступает в классической термодинамике в качестве своеобразной стрелы времени.[5] Раздел 4. Третье начало термодинамики Как уже указывалось, первый и второй законы термодинамики были сформулированы как принципы невозможности двигателей первого и второго рода. Третий закон термодинамики сформулирован как принцип невозможности достижения абсолютного нуля температур. [7] Рассматривая максимально возможные теплоту и работу химических реакций вблизи абсолютного нуля температуры, немецкий физик и физикохимик В. Нернст (1864–1941) заметил, что для конденсированных систем при T → 0 производные теплоты и работы по температуре становятся равными друг другу и также стремятся к нулю. Базируясь на этом, он своей теоремой (теорема Нернста) установил, что вблизи абсолютного нуля температуры значение всех теплоемкостей становится равным нулю и энтропии S всех веществ, находящихся в равновесном состоянии, становятся неизменными и равными между собой. Этот вывод, называемый тепловым законом Нернста, в дальнейшем подтвержден практикой расчетов и экспериментальными данными определения теплоемкостей. В дальнейшем М. Планк показал, что абсолютные значения энтропии при T → 0 для различных веществ не только равны друг другу, но и могут быть приняты равными нулю, т. е. для всех веществ при T → 0 имеем S 0 =0. [7] Из вышеуказанного рассуждения следует, что ни путем отвода тепла (т. е. охлаждением тела), ни путем совершения какой-либо работы вблизи абсолютного нуля понизить температуру тела невозможно. Этот вывод формулируется как весьма важный закон: абсолютный нуль температуры недостижим. Опыт показывает, что, говоря словами самого Нернста, «в соответствии с результатами квантовой теории для каждого твердого тела существует в окрестности абсолютного нуля некий температурный интервал, в котором само понятие температуры практически теряет смысл», или, проще говоря, в этом температурном интервале свойства тела (объём, тепловое расширение, сжимаемость и т. д.) не зависят от температуры. Это поле термической нечувствительности различно у разных тел; у алмаза, согласно Нернсту, оно простирается не менее чем на 40 градусов от абсолютного нуля. Раздел 5. Первые тепловые двигатели Создание и развитие термодинамики было вызвано, прежде всего, необходимостью описания работы и расчета тепловых машин. Первыми тепловыми машинами были паровые двигатели, замкнутый термодинамический цикл которых впервые был описан в 1690 году Дени Папином(1647-1712). Первые тепловые двигатели предназначались для подъема воды из шахт и были изобретены английскими инженерами в 1698 году Томасом Севери(1650 - 1715) и в 1712 годуТомасом Ньюкоменом(1663 - 1715). Если в насосе Севери использовался пар в качестве тела, непосредственно толкающего воду, то машина Ньюкомена была первой поршневой паровой машиной. Отметим, что идея использования поршня принадлежит Папину. Широкое применение паровых машин в промышленности началось после изобретения в 1774 году Джеймсом Уаттом(1736 - 1819) паровой машины, в которой работа совершалась без использования атмосферного давления, что значительно сократило расход топлива. Уатт дополнил свои машины важнейшими механическими изобретениями, такими как преобразователь поступательного движения во вращательное, центробежный регулятор, маховое колесо и т.д. В 1784 году Уатт запатентовал универсальную паровую машину двойного действия, в которой пар совершал работу по обе стороны поршня. [6] Сейчас разработано большое количество разнообразных тепловых машин, в которых реализованы различные термодинамические циклы. Тепловыми машинами являются двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, различные тепловые турбины и т.д. Тепловые машины или тепловые двигатели предназначены для получения полезной работы за счет теплоты, выделяемой вследствие химических реакций (сгорание топлива), ядерных превращений или по другим причинам (например, вследствие нагрева солнечными лучами). Для функционирования тепловой машины обязательно необходимы следующие составляющие: нагреватель, холодильник и рабочее тело. При этом, если необходимость в наличии нагревателя и рабочего тела обычно не вызывает сомнений, то холодильник как составная часть тепловой машины в её конструкции зачастую отсутствует. В качестве холодильника выступает окружающая среда. [6] Заключение В связи с тем, что непрерывное получение работы из теплоты возможно только при условии передачи части отбираемой от горячего источника теплоты холодному источнику, следует подчеркнуть важную особенность тепловых процессов: механическую работу, электрическую работу, работу магнитных сил можно без остатка превратить в теплоту. Что же касается теплоты, то только часть ее может, превращена в периодически повторяющемся процессе в механическую и другие виды работ; другая ее часть неизбежно должна быть передана холодному источнику. Этой важнейшей особенностью тепловых процессов определяется то особое положение, которое занимает процесс получения работы из теплоты любых других способов получения работы (получение электроэнергии за счет механической работы). При каждом из этих способов преобразования часть энергии должна затрачиваться на неизбежные необратимые потери, такие как трение, электросопротивление, магнитная вязкость и другое, переходя при этом в теплоту. Законы термодинамики, открытие первых паровых двигателей стало рывком в развитии науки и послужили основой для дальнейших открытий в области физики, механики и т.д. Список источников информации Виды термодинамических процессов [Электронный ресурс] //URL:https://mobile.studbooks.net/520466/matematika_himiya_fizika/vidy_termodinamicheskih_protsessov (дата обращения: 04.06.2022) Говоркян Р.Г. Курс физики: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1979.- 646 с. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания: Учебное пособие. М., 2001. - 303 с. История формулировки закона сохранения энергии [Электронный ресурс] URL: https://fiz.1sept.ru/2002/31/no31_1.htm (дата обращения: 3.06.2022) Основы термодинамики. Принцип возрастания энтропии [Электронный ресурс] // URL: https://fis.bobrodobro.ru/13131 (дата обращения: 04.06.2022) Тепловые машины [Электронный ресурс]// URL: http://fn.bmstu.ru/data-physics/library/physbook/tom2/ch3/texthtml/ch3_1.htm (дата обращения: 06.06.2022) Третий закон термодинамики [Электронный ресурс] //URL: http://energetika.in.ua/ru/books/book-2/part-2/section-2/2-6 (дата обращения: 06.06.2022) |