Концепция необратимости и термодинамика
5.1 Основные понятия и определения
5.2 Первый закон термодинамики
5.2.1 Теплота и работа
5.2.2 Уравнение первого закона термодинамики
5.2.3 Энтальпия
5.3 Основные термодинамические процессы идеальных газов
5.3.1 Изохорный процесс (Закон Шарля)
5.3.2 Изобарный процесс (Закон Гей-Люссака)
5.3.3 Изотермический процесс (закон Бойля-Мариотта)
5.3.4 Адиабатный процесс (закон Пуассона)
5.3.5 Политропный процесс
5.4 Второй закон термодинамики
5.4.1 Основной смысл и значение второго закона термодинамики
5.4.2 Круговые термодинамические процессы
5.4.3 Обратимые и необратимые процессы
5.4.4 Основные положения второго закона термодинамики и его математическое выражение
5.5 Энтропия в обратимых и необратимых процессах
5.5.1 Понятие энтропии
5.5.2 Тепловая Т-s диаграмма
5.5.3 Принцип возрастания энтропии и физический смысл второго закона термодинамики
5.6 Упорядоченность и хаос в природе
5.7 Самоорганизация в открытых системах
5.8 Примеры
5.9 Тренировачное задание к разделу 5
5.10 Тестовое задание к разделу 5
5.1 Основные понятия и определения
Законы сохранения, рассмотренные в разделе 4, реализуются во многих областях человеческой деятельности. Одной из важных областей такой деятельности является исследование термодинамических процессов.
Термодинамика является теоретической основой энергетики. Она изучает законы превращения энергии и особенности процессов этих превращений из одного вида в другой. Объектом изучения термодинамики является термодинамическая система.
Термодинамическая система. Термодинамической системой называется совокупность материальных тел,являющихся объектом изучения и находящихся во взаимодействии с окружающими их телами (или окружающей средой). Это взаимодействие заключается в обмене теплотой и работой между термодинамической системой и окружающей средой. Простейшим примером такой системы может служить газ, находящийся в цилиндре с поршнем, где окружающей средой является цилиндр, поршень, окружающий воздух и др.
Если термодинамическая система не имеет никаких взаимодействий с окружающей средой, то ее называют -изолированной или замкнутойсистемой. В открытых (неизолированных) системах взаимодействие происходит или непрерывно или периодически.
Тело, посредством которого производится обмен энергией (теплотой, работой), называется рабочим телом.
Параметры и состояние системы. В каждый данный момент термодинамическая система может быть охарактеризована рядом величин, которые в общем случае могут меняться с изменением самой системы в результате взаимодействий ее с окружающей средой. Эти величины называются термодинамическими параметрами. Они взаимосвязаны, и одни из них можно рассматривать в качестве основных, а другие - в качестве производных.
К числу основных параметров относятся такие, которые легко могут быть определены простыми техническими средствами. К таким параметрам относятся: давление р, Па, температура Т,К или t°C и удельный объем,v, м3/кг.
Совокупность названных основных параметров определяет состояние системы в данный момент. Если для такой системы указанные три параметра известны, то состояние системы термодинамически вполне определено. Через изменение этих параметров можно найти изменения других характеристик для данной системы.
Уравнение состояния. Термодинамическая система, занимающая определенный объем, находится в равновесии в том случае, если давление и температура системы во всех частях этого объема, как бы малы они ни были,одинаковы.Для такой системы может быть установлена определенная аналитическая зависимость между ее параметрами состояния, называемая уравнением состояния. В самом общем виде это уравнение имеет вид:
F(v, p, T)=0 (5.1)
В зависимости от характера системы функция (5.1) оказывается более или менее сложной. Для 1 кг идеального газа в пространственной ортогональной системе координат v-p-T уравнение состояния (5.1) является уравнением некоторой поверхности, называемойтермодинамической(рис. 5.1.). Все состояния термодинамической системы, подчиняющиеся уравнению (5.1), характеризуются точками, лежащими на указанной поверхности. Координаты отдельных точек, например, точки А, рА,va, ТА. определяют параметры системы в данном состоянии.
Рис. 5.1. Термодинамическая поверхность в системе координат v-p-T.
Но трудности пользования пространственной системой координат заставляют искать другой путь, более простой, хотя и менее наглядный: вместо точки А, лежащей в пространстве, оказывается, допустимо рассмотрение ее проекции А1на плоскость pv. Результат будет тот же самый. Вместо плоскости pvс таким же успехом можно было бы использовать плоскость рТ илиvТ. Но, как увидим ниже, наиболее удобно использование плоскости pV.
Уравнению состояния в этом случае можно придать такие виды:
р=f(v, Т);v=(р, Т); Т=f(p,v).
В термодинамике такие функции называются функциями состояния.
Наиболее простой формой выражения уравнения состояния является выражение для 1 кг идеального газа:
рv=RТ, (5.2)
где R - газовая постоянная, Дж/кг К.
Это уравнение известно под названием уравнения Клапейрона - по имени французского ученого, который впервые его вывел.
Для 1 моля идеального газа уравнение состояния газа имеет вид:
рvмm =RТ, (5.3)
где R- универсальная газовая постоянная, кДж/кмоль*К;v - удельный объём одного моля. Выражение (5.3) известно под названием Клапейрона-Менделеева.
Уравнения (5.2) и (5.3) часто применяют и для реальных газов, если давления систем небольшие.
Термодинамические системы, внутри которых не соблюдаются постоянства давлении и температур, называются неравновесными.Для них общее уравнение состояния не может быть составлено.
Термодинамический процесс. Термодинамическим процессом (или просто процессом) называется совокупность последовательных состоянии, через которые проходит термодинамическая система при взаимодействии её с внешней средой. При этом все или часть параметров изменяются. Эти изменения должны проходить таким образом, чтобы в любом промежуточном состоянии система находилась в равновесии.
Процессы, в которых рабочее тело не находится в равновесии, называются неравновесными.
Внутренняя энергия системы.Как известно, материя является первичной объективной реальностью, существующей в независимости от нашего сознания. Неотъемлемым свойством материи является ее движение. Под движением подразумевается в этом случае не только механическое перемещение в пространстве, но и всякое изменение (любая форма движения), способное привести систему в качественно отличную форму в пределах известных количественных соотношений.
Под энергией понимается единство качества и количества, т.е. мера движения при переходе материи из одной формы в другую.
Поскольку движение неотделимо от материи, а мерой движения является энергия, постольку последняя неотделима от материи, т.е. не может быть энергии вне материи, равно как и материи, не обладающей запасом энергии. Термодинамическая система, являющаяся некоторым материальным телом, всегда обладает энергией, называемой внутренней энергией системы. Эту энергию можно представить в виде суммы отдельных видов энергий: кинетической энергии молекул, включающей энергию поступательного и вращательного движения молекул, а также колебательного движения атомов в самой молекуле; энергии электронов; внутриядерной энергии; энергии взаимодействия между ядром молекулы и электронами; потенциальной энергии, или энергии положения молекул.
В термодинамике рассматриваются только такие процессы, в которых изменяются кинетическая и потенгмальная составляющая внутренней энергии. Так как состояние системы определяется значениями её параметров, то и внутренняя энергия, неотделимая от материи, также полностью определяется совокупностью этих же параметров. Поэтому внутренняя энергия системы является функцией её параметров и, следовательно, функцией состояния. Если обозначить внутреннюю энергию через и (для 1 кг газа), то в самом общем виде
u=(p,v,Т). (5.4)
Внутренняя энергия, являясь функцией параметров, может сама рассматриваться в качестве одного из параметров системы.