контрольная работа по Термодинамике. Термодинамика - Нозб-18 Суздалова. Введение термодинамика как раздел физики
 Скачать 27.28 Kb.
|
|
СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ. . . . . . . . . . . 3 1 ТЕРМОДИНАМИКА КАК РАЗДЕЛ ФИЗИКИ. . . . . 4 1.1 Основные понятия термодинамики. . . . . . . 4 1.2 Разделы термодинамики . . . . . . . . 6 2 НАЧАЛА термодинамики . . . . . . . 8 2.1 Первое начало термодинамики . . . . . . . 8 2.2 Второе начало термодинамики . . . . . . . 9 2.3 Третье начало термодинамики . . . . . . . 10 2.4 Нулевое начало термодинамики . . . . . . 11 ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . . . 13 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ . . . . . . . . 14 ВВЕДЕНИЕ Термодинамика - раздел прикладной физики или теоретической теплотехники, в котором исследуется превращение движения в теплоту и наоборот. В термодинамике рассматриваются не только вопросы распространения теплоты, но и физические и химические изменения, связанные с поглощением теплоты веществом, а также, наоборот, выделение теплоты в ходе физических и химических превращений. Термодинамика находит широкое применение в физической химии и химической физике при анализе физических и химических процессов, в современной физиологии и биологии, в двигателестроении, теплотехнике, авиационной и ракетно-космической технике. В настоящее время главной проблемой в термодинамике является ее применение к необратимым процессам, и уже достигнуты большие успехи в построении теории, по широте охвата сравнимой с термодинамикой обратимых процессов. Целью данной работы является изучение термодинамики и её законов. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: 1. Выявить понятие термодинамики; 2. Познакомиться с основными терминами термодинамики; 3. Изучить разделы термодинамики; 4. Рассмотреть начала термодинамики. Объектом исследования является термодинамика, предметом – законы (начала) термодинамики. 1 ТЕРМОДИНАМИКА КАК РАЗДЕЛ ФИЗИКИ Термодинамика (греч. θέρμη – «тепло», δύναμις – «сила») – раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах. В термодинамике изучаются состояния и процессы, для описания которых можно ввести понятие температуры. Термодинамика (Т.) – это феноменологическая наука, опирающаяся на обобщения опытных фактов. Процессы, происходящие в термодинамических системах, описываются макроскопическими величинами (температура, давление, концентрации компонентов), которые вводятся для описания систем, состоящих из большого числа частиц, и не применимы к отдельным молекулам и атомам, в отличие, например, от величин, вводимых в механике или электродинамике. Современная феноменологическая термодинамика является строгой теорией, развиваемой на основе нескольких постулатов. Однако связь этих постулатов со свойствами и законами взаимодействия частиц, из которых построены термодинамические системы, даётся статистической физикой. Статистическая физика позволяет выяснить также и границы применимости термодинамики. 1.1. Основные понятия термодинамики Термодинамическая система – тело или группа тел, находящихся во взаимодействии, мысленно или реально обособленные от окружающей среды. Гомогенная система – система, внутри которой нет поверхностей, разделяющих отличающиеся по свойствам части системы (фазы). Гетерогенная система – система, внутри которой присутствуют поверхности, разделяющие отличающиеся по свойствам части системы. Фаза – совокупность гомогенных частей гетерогенной системы, одинаковых по физическим и химическим свойствам, отделённая от других частей системы видимыми поверхностями раздела. Изолированная система – система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Закрытая система – система, которая обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом. Открытая система – система, которая обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией. Совокупность всех физических и химических свойств системы характеризует её термодинамическое состояние. Все величины, характеризующие какое-либо макроскопическое свойство рассматриваемой системы – параметры состояния. Опытным путем установлено, что для однозначной характеристики данной системы необходимо использовать некоторое число параметров, называемых независимыми; все остальные параметры рассматриваются как функции независимых параметров. В качестве независимых параметров состояния обычно выбирают параметры, поддающиеся непосредственному измерению, например температуру, давление, концентрацию и т.д. Всякое изменение термодинамического состояния системы (изменения хотя бы одного параметра состояния) есть термодинамический процесс. Обратимый процесс – процесс, допускающий возможность возвращения системы в исходное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения. Равновесный процесс – процесс, при котором система проходит через непрерывный ряд равновесных состояний. Энергия – мера способности системы совершать работу; общая качественная мера движения и взаимодействия материи. Энергия является неотъемлемым свойством материи. Различают потенциальную энергию, обусловленную положением тела в поле некоторых сил, и кинетическую энергию, обусловленную изменением положения тела в пространстве. Внутренняя энергия системы – сумма кинетической и потенциальной энергии всех частиц, составляющих систему. Можно также определить внутреннюю энергию системы как её полную энергию за вычетом кинетической и потенциальной энергии системы как целого. 1.2. Разделы термодинамики В равновесной термодинамике вводятся такие переменные, как внутренняя энергия, температура, энтропия, химический потенциал. Все они носят название термодинамических параметров (величин). Классическая термодинамика изучает связи термодинамических параметров между собой и с физическими величинами, вводимыми в рассмотрение в других разделах физики, например, с гравитационным или электромагнитным полем, действующим на систему. Химические реакции и фазовые переходы также входят в предмет изучения классической термодинамики. Однако изучение термодинамических систем, в которых существенную роль играют химические превращения, составляет предмет химической термодинамики, а техническими приложениями занимается теплотехника. Классическая термодинамика включает в себя следующие разделы: начала термодинамики (иногда также называемые законами или аксиомами); уравнения состояния и свойства простых термодинамических систем (идеальный газ, реальный газ, диэлектрики и магнетики и т. д.); равновесные процессы с простыми системами, термодинамические циклы; неравновесные процессы и закон неубывания энтропии; термодинамические фазы и фазовые переходы. Кроме этого, современная термодинамика включает также следующие направления: строгая математическая формулировка термодинамики на основе выпуклого анализа неэкстенсивная термодинамика В системах, не находящихся в состоянии термодинамического равновесия, например, в движущемся газе, может применяться приближение локального равновесия, в котором считается, что соотношения равновесной термодинамики выполняются локально в каждой точке системы. Неравновесная термодинамика. В неравновесной термодинамике переменные рассматриваются как локальные не только в пространстве, но и во времени, то есть в её формулы время может входить в явном виде. Отметим, что посвящённая вопросам теплопроводности классическая работа Фурье «Аналитическая теория тепла» (1822) опередила не только появление неравновесной термодинамики, но и работу Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824), которую принято считать точкой отсчёта в истории классической термодинамики. 2 НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ Начала термодинамики – совокупность постулатов, лежащих в основе термодинамики. Эти положения были установлены в результате научных исследований и были доказаны экспериментально. В качестве постулатов они принимаются для того, чтобы термодинамику можно было построить аксиоматически. Необходимость начал термодинамики связана с тем, что термодинамика описывает макроскопические параметры систем без конкретных предположений относительно их микроскопического устройства. Вопросами внутреннего устройства занимается статистическая физика. Начала термодинамики независимы, то есть ни одно из них не может быть выведено из других начал. Аналогами трех законов Ньютона в механике, являются три начала в термодинамике, которые связывают понятия «тепло» и «работа»: Нулевое начало термодинамики говорит о термодинамическом равновесии. Первое начало термодинамики – о сохранении энергии. Второе начало термодинамики – о тепловых потоках. Третье начало термодинамики – о недостижимости абсолютного нуля. 2.1 Первое начало термодинамики Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, называется первым законом (началом) термодинамики. Можно дать формулировку этого закона исходя из способов изменения внутренней энергии. Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного систему: Если рассматривать работу самой системы над внешними телами, то закон может быть сформулирован так: Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение системой работы над внешними телами. Если система изолирована и над ней не совершается работа и нет теплообмена с внешними телами, то в этом случае внутренняя энергия не изменяется. Если к системе не поступает теплота, то работа системой может совершаться только за счет уменьшения внутренней энергии. Это значит, что невозможно создать вечный двигатель – устройство, способное совершать работу без каких-либо затрат топлива. 2.2 Второе начало термодинамики Все процессы в природе протекают только в одном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Необратимым называется процесс, обратный которому может протекать только как составляющая более сложного процесса. Примеры необратимых процессов: переход тепла от более нагретого тела к менее нагретому телу; переход механической энергии во внутреннюю энергию. Первый закон термодинамики ничего не говорит о направлении процессов в природе. Второй закон термодинамики выражает необратимость процессов, происходящих в природе. Существует несколько его формулировок. Второй закон термодинамики (формулировка Клаузиуса): невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах. Второй закон термодинамики (формулировка Кельвина): Невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника. Эта формулировка говорит также и о том, что невозможно построить вечный двигатель второго рода, то есть двигатель, совершающий работу за счет охлаждения какого-либо одного тела. 2.3 Третье начало термодинамики Третье начало термодинамики (теорема Нернста) - физический принцип, определяющий поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному нулю. Является одним из постулатов термодинамики, принимаемым на основе обобщения значительного количества экспериментальных данных. Третье начало термодинамики может быть сформулировано так: «Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система». Третье начало термодинамики относится только к равновесным состояниям. Поскольку на основе второго начала термодинамики энтропию можно определить только с точностью до произвольной аддитивной постоянной (то есть, определяется не сама энтропия, а только её изменение). Третье начало термодинамики может быть использовано для точного определения энтропии. При этом энтропию равновесной системы при абсолютном нуле температуры считают равной нулю. Третье начало термодинамики позволяет находить абсолютное значение энтропии, что нельзя сделать в рамках классической термодинамики (на основе первого и второго начал термодинамики). В классической термодинамике энтропия может быть определена лишь с точностью до произвольной аддитивной постоянной, что не мешает термодинамическим исследованиям, так как реально измеряется разность энтропий в различных состояниях. Согласно третьему началу термодинамики, при значение . В 1911 году Макс Планк сформулировал третье начало термодинамики как условие обращения в нуль энтропии всех тел при стремлении температуры к абсолютному нулю: . Отсюда , что даёт возможность определять абсолютное значения энтропии и других термодинамических потенциалов. Формулировка Планка соответствует определению энтропии в статистической физике через термодинамическую вероятность состояния системы . При абсолютном нуле температуры система находится в основном квантово-механическом состоянии. Если оно невырожденно, то (состояние реализуется единственным микрораспределением) и энтропия при равна нулю. В действительности при всех измерениях стремление энтропии к нулю начинает проявляться значительно раньше, чем могут стать существенными дискретность квантовых уровней макроскопической системы и влияние квантового вырождения. 2.4 Нулевое начало термодинамики Термодинамическое равновесие — состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объем, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды. В общем, эти величины не являются постоянными, они лишь флуктуируют (колеблются) возле своих средних значений. Нулевое начало определяет условие равновесного состояния системы (часто нулевое начало термодинамики не фиксируется, а лишь рассматриваются условия положения системы в равновесном состоянии). Оно основано на постулатах, и практикой не опровергаются: При неизменных внешних условиях система в равновесном состоянии не изменяется во времени; Если система находится в состоянии равновесия, то в равновесии находятся и все части этой системы. Равенство температуры во всех частях системы, находящейся в равновесии, называют нулевым началом термодинамики. Нулевой закон термодинамики: если каждая из двух систем находится в тепловом равновесии с другой или другими системами, то эти две и более системы так же находятся в тепловом равновесии. Если температура в системе одна и та же, то система находится в равновесном состоянии. Из нулевого начала следует ещё один вывод – аддитивность – какая-либо величина, характеризующая свойство системы в целом, равна сумме этих величин отдельных частей системы, независимо от того, каким образом система разбивается на части. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Термодинамика - важнейшая часть физики. Ее выводы используются в гиро- и аэродинамике, оптике, физической химии многих других науках и прикладных разработках. Возникла термодинамика в начале XIX века. В то время начала свое развитие теплотехника. Термодинамика стала ее теоретической основой. Ее целью в то время было изучение закономерностей, которые определяют процессы превращения тепла в механическую работу с помощью тепловых двигателей и поиск условий, при которых максимальна эффективность таких превращений. Основы термодинамики заложил в своих работах Саади Карно, французский инженер и физик, который и исследовал тепловые двигатели. Тогда еще теплота рассматривалась как некоторое вещество - теплород, которое не имеет массы и не может быть создано или уничтожено. Впоследствии термодинамика вышла за границы узкой технической задачи. Основным содержанием современной термодинамики стало изучение законов тепловой формы движения материи и связанных с этим явлений. Главное содержание термодинамики состоит в двух ее началах (законах) — первом и втором; первое распространяет закон сохранения энергии на тепловые явления, второе же указывает направление возможных энергетических превращений в природе. Как уже было сказано, термодинамика не учитывает молекулярное строение вещества при изучении тепловых свойств макроскопических тел и в этом смысле является макроскопической теорией. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Базаров И.П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991. 2. Базаров И.П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. Изд. 2-е испр. М.: Едиториал УРСС, 2003. 3. Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика. Т. 1: Теория равновесных систем: Термодинамика. Том. 1. Изд. 2, испр. и доп. М.: УРСС, 2002. 4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, 1975. - Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. 5. Толшин, А.В. Курс общей физики. В 5-ти т. Том 3. Молекулярная физика и термодинамика: Учебное пособие / А.В. Толшин. - СПб.: Лань, 2011. - 224 c. 6. Трофимова, Т.И. Основы физики.Молекулярная физика.Термодинамика. / Т.И. Трофимова. - М.: КноРус, 2011. - 192 c. 7. Ягодовский, В.Д. Статистическая термодинамика в физической химии / В.Д. Ягодовский. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. - 495 c. |