- •Глава 3 пространство, время, принципы относительности
- •3.1. Ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени. Законы движения
- •3.2. Законы сохранения
- •Закон сохранения импульса
- •Закон сохранения момента импульса
- •Закон сохранения заряда
- •3.3. Принципы современной физики Принцип симметрии
- •Симметрия и законы сохранения
- •Принцип дополнительности
- •Принцип неопределенности Гейзенберга
- •Принцип соответствия
- •3.4. Понятие о состоянии системы. Лапласовский детерминизм
- •3.5. Специальная теория относительности (сто) Введение в сто
- •Два постулата Эйнштейна в сто
- •Релятивистские эффекты
- •Общая теория относительности
- •3.6. Начала термодинамики. Представления об энтропии
- •Термодинамика как функция состояния
- •Первое начало термодинамики
- •Круговые процессы (циклы). Обратимые и необратимые процессы
- •Идеальный цикл теплового двигателя Карно
- •Второе начало термодинамики. Энтропия
- •Третье начало термодинамики, или тепловая теория Нернста
- •Неравновесная термодинамика
- •Энтропия и вещество. Изменение энтропии в химических реакциях
- •Информационная энтропия. Энтропия в биологии
Первое начало термодинамики
Первое начало, или первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии для тепловых систем, удобно рассмотреть на примере работы тепловой машины. В состав тепловой машины входят источник тепла Q1, рабочее тело, например цилиндр с поршнем, под которым газ может нагреваться (ΔQ1) или охлаждаться холодильником, отбирающим от рабочего тела тепло ΔQ2. При этом может совершаться работа ΔA и изменяется внутренняя энергия ΔU.
Энергия теплового движения может превращаться в энергию механического движения, и наоборот. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии. Применительно к термодинамическим процессам это и есть первое начало термодинамики, установленное в результате обобщения многовековых опытных данных. Опыт показывает, что изменение внутренней энергии ΔU определяется разностью между количеством теплоты Q1, полученной системой, и работой А:
ΔU = Q1– A
или:
Q1= A1 + ΔU.
В дифференциальной форме:
dQ =dA +dU.
Первое начало термодинамики определяет вторую функцию состояния – энергию, точнее, внутреннюю энергию U, которая представляет энергию хаотического движения всех молекул, атомов, ионов и т. д., а также энергию взаимодействия этих микрочастиц. Если система не обменивается с окружающей средой энергией или веществом (изолированная система), тоdU = 0, аU = const в соответствии с законом сохранения энергии. Отсюда следует, что работаА равна количеству теплотыQ, то есть периодически действующий двигатель (тепловая машина) не может совершать работу большую, чем сообщенная ему извне энергия, а это значит, что невозможно создать двигатель, который путем каких‑то преобразований энергии может увеличить ее общее количество.
Круговые процессы (циклы). Обратимые и необратимые процессы
► Круговым процессом (циклом) называется такой процесс, при котором система проходит через ряд состояний и возвращается в исходное состояние. Такой цикл можно представить замкнутой кривой в осяхP, V, гдеP – давление в системе, аV – ее объем. Замкнутая кривая состоит из участков, где объем увеличивается (расширение), и участка, где объем уменьшается (сжатие).
При этом работа, совершаемая за цикл, определяется площадью, охватываемой замкнутой кривой. Цикл, который протекает через расширение, а потом сжатие, называется прямым, он используется в тепловых машинах – периодически действующих двигателях, совершающих работу за счет полученного извне тепла. Цикл, который протекает через сжатие, а потом расширение, называется обратным и используется в холодильных машинах – периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится от одного тела к другому. В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние:
ΔU =0,Q = A
Система может как получать теплоту, так и отдавать. Если система получает Q1теплоты, а отдаетQ2, то термический коэффициент полезного действия для кругового процесса
Обратимые процессы могут происходить как в прямом, так и в обратном направлении
В идеальном случае, если процесс происходит сначала в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в исходное состояние, то в окружающей среде не происходит никаких изменений Обратимые процессы – это идеализация реальных процессов, при которых всегда происходит некоторая потеря энергии (на трение, теплопроводность и т д)
Понятие обратимого кругового процесса ввел в физику в 1834 г французский ученый Б Клапейрон