12. Первое начало термодинамики. Теплоемкость. Адиабатический процесс

Первое начало термодинамики: количество теплоты Q, сообщенное системе, идет на увеличение внутренней энергии системы ΔU и на совершение системой внешней работы А:

Q = ΔU + A

Например, если газу под поршнем сообщить некоторое количество теплоты, он нагреется (увеличится внутренняя энергия газа) и переместит поршень (газ совершит работу). Внутренняя энергия есть функция температуры. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся его молекулы, а, значит, больше внутренняя энергия тела. Если система получает тепло, Q > 0, если отдает, Q < 0; если работает система, A > 0, если работа над системой, A < 0.

Первое начало термодинамики, по существу, является законом сохранения энергии: полная энергия, переданная системе Q, превращается в тепловую энергию молекул системы ΔU и в механическую энергию А. Он справедлив не только для газов, но и для жидкостей, и для твердых тел.

Теплоёмкость характеризуется двумя величинами

Чем больше теплоемкость, тем медленнее вещество нагревается и медленнее остывает. Например, в холодную погоду водоемы охлаждаются медленнее окружающего воздуха и вблизи них теплее (в холодную погоду водоплавающие птицы сидят на воде). А в жару, наоборот, вода нагревается медленнее окружающего воздуха, и вблизи водоемов прохладнее. Это обусловлено тем, что теплоемкость воды гораздо больше теплоемкости воздуха. Для газов, как правило, пользуются молярной теплоемкостью, а для жидкостей и твердых тел – удельной.

Адиабатический процесс-процесс, в котором газ не обменивается теплом с окружающей средой.

Первое начало термодинамики для такого процесса

Q = 0

При адиабатическом расширении (А > 0) газ охлаждается (ΔU < 0), а при адиабатическом сжатии (А < 0) – нагревается (ΔU > 0). Это свойство используется в технике. Например, при резком сжатии воздух в цилиндрах дизельного двигателя сильно нагревается и воспламеняет топливо. В природе многие атмосферные процессы можно считать адиабатическими. Например, теплые воздушные массы, быстро поднимаясь вверх, адиабатически расширяются (так как с высотой падает давление). При этом они охлаждаются и в них начинается конденсация водяных паров, которые мы видим как облака.

13. Второе начало термодинамики. Энтропия

Второе начало термодинамики характеризует направление тепла.

Формулировка Клаузиуса): в природных процессах «теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому». Под теплотой здесь понимается внутренняя энергия. В

Формулировка Томсона): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара. Под тепловым резервуаром понимают тело или систему тел, обладающую запасом внутренней энергии. А круговой процесс (цикл) – это процесс, в результате которого система, пройдя ряд состояний каждый раз возвращается в исходное.

Этот закон утверждает, что невозможно построить вечный двигатель, то есть машину, которая совершала бы работу только за счет охлаждения одного источника тепла без передачи тепла более холодному телу. Другими словами, невозможно все тепло, взятое у нагревателя Q1, перевести в полезную работу А, – неизбежно будут тепловые потери Q2, то есть тепло, отданное холодильнику.

Любой живой организм можно рассматривать как тепловую машину. В качестве источника энергии («нагревателя») здесь будут питательные вещества, молекулы которых содержат энергию Q1, выделяющуюся при их расщеплении. Полезная энергия, полученная при расщеплении молекул питательных веществ, идет на рост и деление клеток, на их движение, и в конечном итоге на рост и движение всего организма, если организм многоклеточный. Часть энергии превращается в тепло. Так, в процессе теплообмена теплокровные животные постоянно отдают тепло в окружающую среду («холодильник») с более низкой температурой.

В 1865 г. Клаузиус ввел новое термодинамическое понятие энтропия. Он показал, что существует некая величина S, которая характеризует состояние системы. Энтропия характеризует степень упорядоченности системы. Чем больше беспорядок, тем она больше. Второе начало термодинамики можно сформулировать «через энтропию»: энтропия замкнутой системы при протекании необратимых процессов возрастает. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии максимальна и постоянна.

Замкнутая система – это система, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом. Все процессы в термодинамике можно разделить на обратимые и необратимые. Обратимый процесс можно провести как в прямом, так и в обратном направлениях, причем после проведения прямого и обратного процесса система и окружающие тела каждый раз возвращаются в исходное состояние. А необратимый – нельзя. Практически все природные процессы необратимы. Учитывая, что Вселенная – система замкнутая, то энтропия в ней возрастает. Это значит, что степень упорядоченности Вселенной уменьшается. Если что-то упорядочивается (например, замерзает вода), то общий беспорядок все же увеличивается (при замерзании выделяется тепло, увеличивающее энтропию системы1 в целом). Поэтому Вселенная не могла существовать вечно, иначе в настоящее время не было бы никаких упорядоченных структур.