В основе термодинамики лежат основанные на опыте законы (начала) термодинамики

Термодинамика

План

1. Предмет и задачи термодинамики.

2. Нулевое начало. Температура.

3. Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Теплоёмкость.

4. Работа идеального газа в изопроцессах.

1) Изохорический процесс

2) Изобарический процесс. Уравнение Майера

3) Изотермический процесс

5. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам

1) Изохорический процесс

2) Изобарический процесс

3) Изотермический процесс

4) Адиабатический процесс (уравнение процесса, график, работа)

6. Круговой процесс (цикл). КПД цикла

7. Второе начало термодинамики

8. Обратимые и необратимые процессы

9. Цикл Карно. Теорема Карно.

10. Энтропия.

11. Изменение энтропии при изопроцессах с идеальным газом

12. T-S-диаграмма. Доказательство теоремы Карно

13. Свободная энергия

14. Энтальпия

15. Термодинамическая вероятность состояния системы (статистический вес). Статистический смысл второго начала термодинамики

16. Третье начало термодинамики. Теорема Нернста

17. Теория тепловой смерти вселенной

18. Направленность физических процессов (стрела времени)

19. Энтропия и информация

20. Эволюция открытых систем. Синергетика

1. Предмет и задачи термодинамики.

Термодинамика изучает общие свойства макросистем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между состояниями. Термодинамика позволяет понять, какие процессы возможны, а какие – нет.

Отвлекаясь от движения тела как целого, термодинамика сосредотачивает внимание на изменениях внутреннего состояния тела, состояния термодинамической системы.

Начнём с примера. Приведём газ в закрытом сосуде в соприкосновение с более нагретым телом. Давление при постоянном объеме растет, энергия газа увеличивается, хотя никакой механической работы над газом не произведено. В таком случае говорят, что к системе подвели некоторое количество теплоты.

При теплообмене передача энергии происходит на микроскопическом уровне, при столкновениях молекул. Результат каждого отдельного столкновения предсказать невозможно. Но в среднем, с макроскопической точки зрения, при соударении энергичных молекул нагретого тела со стенками сосуда с газом энергия переходит от нагретого тела к газу. В результате тепловая энергия обязательно перетекает от горячего тела к газу.

При получении различных соотношений (например, выражение ) приходится определять средние значения, отказываясь, от рассмотрения мгновенных состояний системы. Таким образом, молекулярная теория тепловых процессов является не чисто механической, а статистической.

Из-за успехов Ньютоновской механики в 19 веке появилось представление о возможности объяснения всех явлений природы на основе общих принципов механики (механицизм). Устанавливая связь между молекулярным движением и тепловыми явлениями, приходили к ошибочному выводу, что термодинамика сводится к механике, что теплота есть частный случай механического движения, что между тепловым и механическим движением нет качественного различия. Казалось, что пользуясь законами Ньютона и зная начальные координаты и импульсы всех частиц, можно предсказать поведение каждой частицы в любой момент времени как в прошлом, так и в будущем, - ведь законы Ньютона обратимы во времени. Оказалось, что это принципиально невозможно, и не только потому, что частиц безумно много и задача эта технически неосуществима.

Тепловые процессы необратимы: теплота переходит от более нагретого к менее нагретому, но никогда наоборот. Ньютоновская механика принципиально не может объяснить необратимость процессов; сведение термодинамики к механике оказывается невозможным. Теплота представляет собой особую форму движения материи. Хотя теплота и связана с молекулярным механическим движением, но этим не исчерпывается ее сущность.

В механике переменными являются координаты и импульсы (скорости) частиц. В термодинамике такое описание оказалось неприемлемым. В число переменных (параметров) в термодинамике потребовалось ввести температуру как степень нагретости тела.

Для определения состояния системы в термодинамике используются параметры (термодинамические переменные) – давление, объём, температура, масса – то, что можно измерить на опыте.

Параметры, зависящие от количества вещества в системе, называются экстенсивными, – это объём V, масса m, количество вещества (число молей) , энергия. Параметры, не зависящие от количества вещества в системе, называются интенсивными, – это температура T, давление p.

Параметры системы не являются независящими друг от друга, они связаны уравнением состояния. Уравнением состояния называется уравнение вида , связывающее параметры системы и описывающее её поведение.

В основе термодинамики лежат основанные на опыте законы (начала) термодинамики.

Таким образом, термодинамика основывается на опыте. В ней нет моделей, теоретических предположений о строении вещества или о механизме процессов. Свойства вещества – теплоёмкость, температурные коэффициенты объёмного и линейного расширения, и т.д. – определяются из опыта.