Условия равновесия и устойчивости термодинамических систем

ТЕРМОДИНАМИКА

Методическое пособие для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 03.03.02 – «Физика»

(6 семестр)

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ «ТЕРМОДИНАМИКА»

Лекции

Основные понятия и базовые принципы термодинамики

1. Термодинамические системы, их основные свойства и способы описания.Характер термодинамических законов. Основные определения и понятия термодинамического описания системы (изолированная система, замкнутая система, тепловое равновесие). Макроскопические параметры. Равновесное состояние. Виды параметров, определяющих состояние систем.

2. Постулаты термодинамики. Первый постулат термодинамики. Температура. Нулевое начало термодинамики. Второй постулат термодинамики. Существование температуры как особой функции состояния равновесной системы. Принцип температуры. Эмпирическая температура.

3. Термодинамическое равновесие. Равновесные и неравновесные процессы. Термодинамический процесс. Равновесный и неравновесный процесс. Время релаксации.

Первое начало термодинамики

1. Внутренняя энергия термодинамической системы, работа и теплота. Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа термодинамической системы. Вычисление работы расширения системы, работы сил поверхностного натяжения, работы поляризации диэлектрика, работы намагничивания магнетика, работы деформации твердого тела.

2. Термическое и калорическое уравнения состояния. Термическое и калорическое уравнения состояния для идеального газа и газа Ван-дер-Ваальса. Вириальная форма уравнения состояния.

Физическое содержание первого начала термодинамики.

Термодинамическая теория теплоемкости

1. Определение теплоемкости. Теплоемкость как функция процесса. Термостат. Формула теплоемкости. Формула Р.Майера. Теплота изотермического изменения внешних параметров.

2. Основные термодинамические процессы и их уравнения. Теплоемкость газов. Изопроцессы. Политропические процессы. Уравнение политропы. Теплоемкость в политропическом процессе.

Второе начало термодинамики. Энтропия.

1. Формулировка второго начала термодинамики. Качественная формулировка второго начала термодинамики: невозможность преобразования теплоты в работу без компенсации. Вечный двигатель 2 рода.

2. Обратимые и необратимые процессы. Понятие обратимого термодинамического процесса в узком и широком смысле. Примеры необратимых процессов.

3. Циклические процессы. Обратимый цикл Карно. Теоремы Карно. Определение циклического процесса. Принцип работы тепловой машины. Термический КПД. Обратимый цикл Карно, вывод его КПД. Теоремы Карно.

4. Энтропия. Количественная формулировка второго начала термодинамики. Приведенная теплота. Определение энтропии. Свойства энтропии. Основное уравнение термодинамики для равновесных процессов. Вычисление энтропии в равновесных процессах.

5. Второе начало термодинамики для неравновесных процессов. Закон возрастания энтропии. Неравенство Клаузиуса. Закон возрастания энтропии. Следствия из закона возрастания энтропии для неравновесных систем: изменение энтропии при диффузии газов, при теплопроводности, трении.

Пределы применимости второго начала термодинамики.

7. Третье начало термодинамики. Формулировка третьего начала термодинамики (теоремы Нернста). Некоторые следствия из третьего начала термодинамики.

Методы термодинамики

1. Метод круговых процессов. Метод круговых процессов (циклов). Применение метода циклов для решения некоторых задач термодинамики.

2. Термодинамические потенциалы. Метод термодинамических потенциалов. Термодинамические потенциалы (характеристические функции) и их полные дифференциалы: внутренняя энергия, свободная энергия Гельмгольца, энтальпия, энтропия, термодинамический потенциал Гиббса, их физический смысл. Связь между частными и смешанными производными. Соотношения Максвелла. Применение метода термодинамических потенциалов для определения соотношений между механическими и термическими характеристиками макроскопических систем.

3. Термодинамические потенциалы сложных систем с переменным числом частиц. Химический потенциал. Большой термодинамический потенциал. Основное уравнение термодинамики для сложных систем с переменным числом частиц.

Условия равновесия и устойчивости термодинамических систем

1. Общие условия равновесия и устойчивости термодинамических систем. Принцип виртуальных перемещений. Общее условие равновесия различных систем (изолированная система, система в термостате при постоянном объеме, система в термостате при постоянном внешнем давлении и др.).Условия равновесия двухфазной однокомпонентной системы. Условия устойчивости равновесия однородной системы.

2. Принцип Ле-Шателье – Брауна. Формулировка принципа Ле-Шателье – Брауна. Примеры применения принципа Ле-Шателье – Брауна для анализа устойчивости равновесия различных термодинамических систем.

Фазовые переходы

1. Классификация фазовых переходов по Эренфесту. Фазы и фазовые превращения. Классификация фазовых переходов по Эренфесту.

2. Фазовые переходы 1 рода. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Примеры фазовых переходов 1 рода. Удельная теплота перехода. Вывод дифференциального уравнения Клапейрона-Клаузиуса. Применение уравнения Клапейрона-Клаузиуса к описанию фазового перехода «жидкость-пар». Уравнение кривой испарения.

3. Фазовые переходы 2 рода. Уравнения Эренфеста. Определение фазового перехода 2 рода, примеры. Вывод уравнений Эренфеста. Физический смысл уравнений Эренфеста. Пример:термодинамика сверхпроводящего перехода.