Законы термодинамики

Законы термодинамики

НУЛЕВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Нулевое начало термодинамики сформулированное всего около 50 лет назад , по существу представляет собой полученное «задним числом» логическое оправдание для введения понятия температуры физических тел . Температура - одно из самых глубоких понятий термодинамики . Температура играет столь же важную роль в термодинамике , как , например процессы. Впервые центральное место в физике занял совершенно абстрактное понятие ; оно пришло на смену введенному еще во времена Ньютона ( 17 век) понятию силы - на первый взгляд более конкретному и «осязаемому» и к тому же успешно « математезированному» Ньютоном.

Первое закон термодинамики

Первый закон термодинамика – это закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления. Он показывает, от каких причин зависит изменение внутренней энергии. Этот великий закон прост:  U = A + Q

Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматривают работу А ` системы над внешними телами. Учитываю, что А ` = -А, первый закон термодинамики в в форме  U = A + Q можно переписать так: Q=  U+A`

Суть первого закона в утверждении: изменение так определенной энергии не зависит от процесса и определяется только начальным и конечным состояниями системы. Это означает, что внутренняя энергия – однозначная функция состояние системы и в замкнутой системе сохраняется.

Невозможность создания вечного двигателя

Задолго до открытия закона сохранения энергии Французская Академия наук приняла в 1775г. Решение не рассматривать проектов вечных двигателей первого рода.

Под вечным двигателем первого рода понимают устройство, которое могло бы совершать неограниченное количество работы без затраты топлива или каких-либо других материалов.

Вечные двигатели обычно конструируют на основе использования следующих приёмов или их комбинаций:

1) Подъем воды с помощью архимедова винта ;

2) Подъем воды с помощью капилляров ;

3) Использование колеса с неуравновешивающимися грузами ;

4) Природные магниты ;

5) Электромагнетизм ;

6) Пар или сжатый воздух.

Применение I закона к изопроцессам

1) T=const – изотермический

 T=0

Q=A’

 U=0

2) P=const – изобарный

Q=  U+A

3) V=const - изохорный

 V=0

A=0  U=Q

4) Q=const– адиабатный

 U=A

 =-A`

Процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них – старение и смерть организмов.

Второй закон термодинамики

• Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Он был установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.
• Немецкий ученный Р. Клаузиус сформулировал этот закон так: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.
• Другая формулировка принадлежит английскому ученому У. Кельвину : невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.
• Согласно 2 началу все процессы природы идут в оду сторону, к увеличению беспорядка, уменьшению энергии, а при “ полном беспорядке ” – напишет Клаузиус – наступит всеобщая смерть – всякое движение прекратится. Это грустный прогноз вызвал бурю возражений.

• И Людвиг Больцман выдвинул спасительную теорию, что Вселенную необходимо рассматривать в целом, поскольку процессы, происходящие в различных удаленных ее частях текут независимо друг от друга, а иногда и в разных направлениях. В одной части может происходить угасание, а в другой – всплеск, выделение энергии. Строгий анализ показывает, что II закон выполняется для замкнутых и равновесных систем. Вселенную нельзя рассматривать как равновесную систему, бурные процессы на близких и далеких звездах свидетельствуют о том, что до равновесного состояние им еще очень далеко, и третье начало постулирует, что никогда, ни при каких условиях не может быть достигнут абсолютный нуль температур, хотя близкое приближение к нему допустимо.

0 ( необратимые процессы ); Для изолированной системы поток энтропии равен нулю и выражения обратимого процесса и необратимого процесса сводятся к следующему виду :  S 1 =  S 0 ( изолированная система ). " width="640"

Второй закон термодинамики постулирует существование функции состояния , называемой «энтропией» ( что означает от греческого «эволюция» ) и обладающей следующими свойствами :

1 ) Энтропия системы является экстенсивным свойством . Если система состоит из нескольких частей , то полная энтропия системы равна сумме энтропии каждой части .

• Изменение энтропии S состоит из двух частей . Обозначим через  S поток энтропии, обусловленный взаимодействием с окружающей средой , а через  S - часть энтропии , обусловленную изменениями внутри системы , имеем  S =  S1 +  S2

Приращение энтропии  S обусловленное изменением внутри системы, никогда не имеет отрицательное значение . Величина  S = 0 , только тогда , когда система претерпевает обратимые изменения , но она всегда положительна , если в системе идут такие же необратимые процессы.

Таким образом :

 S = 0 ( обратимые процессы );

 S 0 ( необратимые процессы );

Для изолированной системы поток энтропии равен нулю и выражения обратимого процесса и необратимого процесса сводятся к следующему виду :  S 1 =  S 0 ( изолированная система ).

Третий закон термодинамики

• Открытие третьего начала термодинамики связано с нахождением химического средства - величины , характеризующих способность различных веществ химически реагировать друг с другом. Эта величина определяется работой A химических сил при реакции . Первое и второе начало термодинамики позволяют вычислить химическое средство W только с точностью до некоторой неопределенной функции . Чтобы определить эту функцию нужны в дополнении к обоим началам термодинамики новые опытные данные о свойствах тел .

• Поэтому Нернстоном были предприняты широкие экспериментальные исследования поведение веществ при низкой температуре. В результате этих исследований и было сформулировано третье начало термодинамики : по мере приближения температуры к 0 К энтропия всякой равновесной системы при изотермических процессах перестает зависить от каких-либо термодинамических параметров состояния и в пределе (Т= 0 К) принимает одну и туже для всех систем универсальную постоянную величину , которую можно принять равной нулю.