Основы термодинамики

.

Термодинамика - наука о законах теплового движения (термо) и его превращениях (динамика) в другие виды движения, происходящих в макроскопических равновесных системах и при переходе систем в равновесие.

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

КЛАССИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

ИЛИ ТЕРМОДИНАМИКА РАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ .

ТЕРМОДИНАМИКА НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ

ТЕРМОДИНАМИКА

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ.

• Это теория о наиболее общих свойствах макроскопических тел.

• На первый план выступают тепловые процессы и энергетические преобразования

• Ядром являются два начала (закона) термодинамики

ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

АВТОР

СУТЬ ВВЕДЕННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

Д. Фаренгейт (1685-1736) голливудский физик, мастер-стеклодув

В 1710 – 1714 годах предложил шкалу и термометр: 0 ° - температура смеси воды, льда и поваренной соли, 32 ° - температура смеси воды и льда, 212 ° - температура кипения воды, 96 ° - температура тела человека.

А. Цельсий (1701 – 1744), шведский физик и астроном.

В 1742 году предложил стоградусную шкалу температур: 0 ° - температура таяния льда, 100 ° - температура кипение воды

Ж. Понселе (1788 – 1867), французский физик и инженер.

В 1826 году ввел понятие работы и единицы её измерения.

С. Карно (1796 – 1832), французский физик и инженер.

Ввел представление об идеальной тепловой машине, а в 1824 году фактически дал формулировку второго начала термодинамики, связал тепло с движение частиц тела.

Б. Клапейрон (1799 – 1864), французский физик и инженер.

В 1834 году вывел уравнение состояния идеального газа, обобщенное в дальнейшем Д. И. Менделеевым.

ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

АВТОР

СУТЬ ВВЕДЕННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

Р. Майер (1818 – 1878), немецкий врач и естествоиспытатель.

В 1842 году одним из первых сформулировал закон сохранения и превращения энергии.

Дж. Джоуль (1818 – 1889), английский физик

В 1843 году первый вычислил механический эквивалент теплоты и пришел к закону сохранения энергии.

Г. Гельмгольц (1821 – 1894), немецкий физик и естествоиспытатель

В 1847 году дополнив идеи Майера и опыты Джоуля, сформулировал и математически обосновал закон сохранения и превращения энергии.

Р. Клаузиус (1822 – 1888), немецкий физик-теоретик.

В 1850 году сформулировал второе начало термодинамики, а в 1854 г. дал математическую формулировку первого начала.

У. Томсон (Кельвин) (1824 – 1907), английский физик.

В 1848 году ввел понятие абсолютной температуры, в 1851 году сформулировал второе начало термодинамики.

ЧТО ИЗУЧАЕТ ТЕРМОДИНАМИКА?

 Возникла как наука тепловых процессов, рассматриваемых с точки зрения энергетических преобразований.

 Не рассматривает явления с точки зрения движения молекул.

 Изучает наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в равновесном состоянии, и процессы их перехода из одного состояния в другое.

 Термодинамический метод широко используется в других разделах физики, химии, биологии.

 Как и любая физическая теория или раздел физики, имеет свои границы применимости.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Совокупность физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы.

V

- объём

Р

- давление

T

- температура

U

- внутренняя энергия

I ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

(Закон сохранения и превращения энергии в применении к тепловым процессам)

Изменение внутренней энергии  U системы равно сумме работы A совершенной внешними телами над системой, и сообщенного ей количества теплоты Q .

 U=A+Q

A*=-A

Q=A*+  U

Количество теплоты Q , переданное системе, расходуется на увеличение её внутренней энергии  U и совершение системой работы A* над внешними телами.

ТЕРМОДИНАМИКА ИЗОПРОЦЕССОВ.

Процессы, происходящие при постоянном значении одного из параметров состояния ( T,V или P ) с данной массой газа называются изопроцессами.

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ

ИЗОХОРНЫЙ

ИЗОБАРНЫЙ

АДИАБАТНЫЙ

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

• Процесс, происходящий при постоянной температуре.

T=const

P

 U=0

Q+A=0

Q=-A=A *

V

0

V

V

1

2

ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС

• Процесс, происходящий при постоянном объёме.

V=const

P

A =0

Q=  U

V

0

ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС

• Процесс, происходящий при постоянном давлении.

A*=p ( + )

V

V

P

1

2

 U=A+Q

Q=A*+  U

0

V

V

V

1

2

АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС

• Процесс, происходящий без теплообмена с внешней средой.(Обычно отсутствие теплообмена обусловлено быстротой процесса: теплообмен не успевает произойти)

P

Q=0

 U=-A*

V

0

V

V

1

2

II ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Не возможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Не возможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара.

Не возможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела более нагретому.

Тепловые процессы необратимы.

ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ – ГЛАВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

• Периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет полученной извне теплоты.

НАГРЕВАТЕЛЬ (Т 1 )

Q 1

A*

A*=Q 1 – Q 2

РАБОЧЕЕ ТЕЛА

Q 2

Виды двигателей:

• Паровая и газовая турбины
• Карбюраторный двс
• Дизель двс
• Ракетный двигатель

ХОЛОДИЛЬНИК (Т 2 )

ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Второго рода

Первого рода

Будучи раз пущен в ход, совершал бы работу неограниченно долгое время, не заимствуя энергию извне

Целиком превращал бы в работу теплоту, извлекаемою из окружающих тел

НЕВОЗМОЖНЫ

Противоречит закону сохранения и превращения энергии

Противоречит второму началу термодинамики

ТЕРМОДИНАМИКА И ПРИРОДА

В окружающей нас природе термодинамически обратимых процессов нет.

Энтропия в термодинамически не обратимых процессах, протекающих в изолированной системе, возрастает.

По определению А. Эддингтона, возрастание энтропии, определяющей необратимые процессы есть «стрела времени»:чем выше энтропия системы, тем больше временной промежуток прошла система в своей эволюции.

Возрастание энтропии вселенной должно привести к тому, что температура всех тел сравняется т. е. наступит тепловое равновесие и все процессы прекратятся, наступит «тепловая смерть Вселенной». (Выводы второго закона термодинамики не всегда имеют место в природе и его нельзя применить ко всем существующим процессам).