История развития термодинамики, ее законы. Свойства термодинамических систем, виды основных процессов. Характеристика первого и второго законов термодинамики. Примеры изменения энтропии в системах, принцип ее возрастания. Энтропия как стрела времени.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Основы термодинамики. Принцип возрастания энтропии.

Оглавление

• Введение
• 1. История развития термодинамики
• 2. Термодинамические законы
• 2.1 Свойства термодинамических систем
• 2.2 Виды термодинамических процессов
• 2.3 Первый закон термодинамики
• 2.4 Второй закон термодинамики
• 3. Принцип возрастания энтропии
• Заключение
• Библиографический список

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.

Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которых не учитывается молекулярное строение тел. Законы термодинамики и их применение будут рассмотрены в этом реферате.

1. История развития термодинамики

В 1824г. французский инженер Сади Карно экспериментально доказывает, что теплота и механическая работа обратимы одна в другую. В 1842г. 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.

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.

2. Термодинамические законы

2.1 Свойства термодинамических систем

Термодинамической системой называется всякая физическая система, состоящая из большого числа частиц-атомов и молекул, которые совершают бесконечное тепловое движение и, взаимодействуют друг с другом, обмениваются энергиями. Такими термодинамическими системами, и притом простейшими, являются газы, молекулы которых совершают беспорядочное поступательное и вращательное движение и при столкновениях обмениваются кинетическими энергиями. Термодинамическими системами являются также твердые и жидкие вещества. Молекулы твердых тел совершают беспорядочные колебания вокруг своих положений равновесия, обмен энергиями между молекулами происходит благодаря их непрерывному взаимодействию, вследствие чего смещение одной молекулы от своего положения равновесия немедленно отражается на расположении и скорости движения соседних молекул. Так как средняя энергия теплового движения молекул связана с температурой, то температура является важнейшей физической величиной, характеризующей различные состояния термодинамических систем. Кроме температуры состояние таких систем определяется также и объемом, которые они занимают, и внешним давлением или внешними силами, действующими на систему.

Важным свойством термодинамических систем является существование у них равновесных состояний, в которых они могут пребывать сколько угодно долго. Если на термодинамическую систему, находящуюся в одном из равновесных состояний, оказать некоторое внешнее воздействие и затем прекратить его, то система самопроизвольно переходит в новое равновесное состояние. Однако следует подчеркнуть, что тенденция к переходу в равновесное состояние действует всегда и непрерывно, даже вне того времени, когда система подвергается внешнему воздействию. Эта тенденция или, точнее, постоянное существование процессов, ведущих к достижению равновесного состояния, является важнейшей особенностью термодинамических систем.

Для газа, заключенного в некотором сосуде, равновесным является состояние, в котором t⁰, P и с в пределах Y газа везде одинаковы. Если в каком-нибудь месте этого объема вызвать местное нагревание или сжатие, то в системе начнется процесс выравнивания t⁰ и P; этот процесс будет происходить и в течение того времени, пока имеется внешнее воздействие, однако только после прекращения этого воздействия процесс выравнивания приведет систему к новому равновесному состоянию.

Состояния изолированной термодинамической системы, которые, несмотря на отсутствие внешних воздействий, не сохраняются в течение конечных промежутков времени, называется неравновесными. Система, первоначально находящаяся в неравновесном состоянии, с течением времени переходит в равновесное состояние. Время перехода из неравновесного состояния в равновесное называется временем релаксации. Обратный переход из равновесного состояния в неравновесное может быть осуществлен при помощи внешних воздействий на систему. Неравновесным является, в частности, состояние системы с различными температурами в различных местах, выравнивание t⁰ в газах, твердых и жидких телах есть переход этих тел в равновесное состояние с одинаковой t⁰ в пределах объема тела. Другой пример неравновесного состояния можно привести, рассматривая двухфазные системы, состоящие из жидкости и ее пара. Если над поверхностью жидкости, находящейся в закрытом сосуде, имеется ненасыщенный пар, то состояние системы неравновесное: число молекул, вылетающих в единицу времени из жидкости, больше чем число молекул, возвращающихся за это же время из пара в жидкость. Вследствие этого с течением времени число молекул в парообразном состоянии увеличивается до тех пор, пока не установится равновесное состояние.

термодинамика энтропия закон

Переход от равновесного состояния в равновесное в большинстве случаев происходит непрерывно, причем скорость этого перехода можно при помощи соответственного внешнего воздействия плавно регулировать, сделав процесс релаксации либо очень быстрым, либо очень медленным. Так, например, путем механического перемешивания можно заметно повысить скорость выравнивания температуры в жидкостях или газах, охлаждая жидкость, можно сделать очень медленным процесс диффузии растворенного в ней вещества.

Для некоторых систем существуют такие состояния, называемые метастабильными, в которых эти системы могут находится относительно долгое время, но как только на систему будет оказано внешнее воздействие определенного характера, происходит самопроизвольный скачкообразный переход к равновесному состоянию. В этих случаях внешнее воздействие лишь открывает возможность к переходу в равновесное состояние. Например, достаточно чистая Н₂О при медленном подводе тепла может быть нагрета до t⁰ на несколько градусов выше t⁰ кипения. Это состояние Н₂О является метастабильным; если встряхнуть такую Н₂О, она со взрывом закипает и ее t⁰ скачком понижается до t⁰ кипения. Таким образом, метастабильное состояние характеризуется тем, что при выводе из этого состояния система не только не возвращается к ней, но наоборот, еще более отходят от нее, скачком переходя в существующее для этой системы равновесное состояние.

2.2 Виды термодинамических процессов

Переход физической системы из одного состояния в другое через какую-то последовательность промежуточных состояний называется про...