Правила термодинамики

Содержание

Принципы термодинамики управляют Вселенной. Любое вообразимое тело или предмет — регулируется и ограничивается универсальными законами термодинамики, раздел физики, который описывает поведение энергии, температуры и движения, трех величин, которые, согласно этим принципам, тесно связаны.

Как мы уже говорили, эти законы объясняют поведение значительной части процессов, происходящих в Космосе, в которых происходит обмен материей и энергией между различными телами. И мы не говорим о звездах или черных дырах (которые тоже), но мы сами руководствуемся этими принципами.

Люди получают энергию, употребляя пищу, а затем используют эту энергию, например, для ходьбы. Все процессы природы в котором происходит обмен энергией, можно объяснить одним из четырех законов термодинамики.

Поэтому, чтобы точно понять, что такое термодинамика и каково ее значение, когда дело доходит до понимания физических законов Вселенной, мы представим эти четыре принципа в синтезированном и ясном виде.

Рекомендуем прочитать: «3 закона Ньютона (характеристика и объяснение)»

Каковы принципы термодинамики?

Термодинамика — это физическая дисциплина, которая берет свое начало в середине семнадцатого века, когда было обнаружено, что существует корреляция между давлением, которому подвергался газ, и его температурой. Тем не менее, принципы или законы этой науки появятся лишь спустя много времени.

Каждый закон был сформулирован в разное время. Первый из них (который был вторым) был изобретен в 1824 году, хотя спустя 40 лет его формулировка была снова переформулирована. В течение многих лет термодинамические законы материальных систем (жидкости, твердые тела, газы …) продолжали изучаться, достигая: в 1930 г., формулировка последнего закона, известного как «нулевой закон».

Понимая контекст и, в широком смысле, термодинамику, мы можем продолжить изучение ее законов. Напомним, что любой процесс во Вселенной, в котором происходит обмен температурой между телами и поток энергии, есть регулируется любым из следующих принципов.

Второй закон: принцип энтропии

«Количество энтропии во Вселенной имеет тенденцию увеличиваться со временем».

Энтропия — это физическая величина, которая измеряет степень беспорядка в системе. Что ж, этот закон термодинамики гласит, что с течением времени энтропия неизбежно имеет тенденцию к увеличению, то есть степень беспорядка во Вселенной увеличивается.

Прежде чем мы углубимся в другие физические концепции, давайте разберемся, что это значит. Этот принцип говорит нам, что абсолютно все во Вселенной имеет тенденцию к беспорядку с течением времени. Подумайте о своей комнате. С течением времени, если вы продолжаете заниматься обычным делом изо дня в день, что он будет делать? Заказать? Или дезориентироваться? Явно грязный. И не потому, что ты не чистый человек. Когда вам говорят иначе, вы можете сказать, что вы просто жертва второго закона термодинамики.

Наглядное описание концепции энтропии.

Сделав метафору того, что означает это увеличение энтропии, давайте перейдем к более физической сфере. Почему эта склонность к беспорядку? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны вернуться ко второму закону, который гласил, что во всех реакциях преобразования энергии часть теряется в виде тепла.

Иными словами, во всех без исключения реакциях, которые происходили во Вселенной с момента Большого взрыва до сегодняшнего дня (от взрыва звезд до прогулки по пляжу), часть энергии не предназначалась для работы. под вопросом, но это было потеряно в виде тепловой энергии.

Но как насчет этой энергии? Он не может просто «плавать». Нет. Согласно нулевому закону, он выполняет передачу между телами. То есть, помните, температуры имеют тенденцию выравниваться. Давайте также помнить, что, чем выше температура, тем сильнее движение молекул в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Следовательно, когда тело теряет тепло из-за преобразования энергии, оно должно соответствовать окружающим его телам. И когда температуры становятся равными, неизбежно возникает беспорядок, поскольку мы заставляем холодные тела (с большим порядком, поскольку молекулы движутся медленно) начинают увеличивать свою энтропию, поскольку их температура увеличивается, а вместе с ней и движение частиц. . Чем больше движения, тем больше беспорядка.

И это нарушение необратимо по простой статистике. Есть очень много конфигураций, которые мы считаем «беспорядочными», но очень немногие из них мы считаем «упорядоченными». Если вы сожжете кусок дерева, пепел не будет снова соединяться, верно? Это статистически невозможно.

Меры энергии и теплоёмкость

Когда нагреваете что-то, в зависимости от того, из чего оно сделано, нагревание занимает разное время. Предполагая, что мощность остаётся постоянной, но некоторым материалам требуется больше теплоты для повышения температуры на 1 К (1 К фактически равен 1 °С, они просто начинаются в другом месте), чем другим.

Деревянная ложка нагревается намного дольше, чем металлическая. Металл – хороший проводник тепла, а дерево – плохой проводник. Теплота, необходимая для нагрева 1 кг вещества на 1 К, называется удельной теплоёмкостью.

Формула, которую используем, чтобы найти, сколько теплоэнергии требуется, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 К, имеет вид: Q = mcΔT, где Q – теплоэнергия, m – масса, c – удельная теплоёмкость и ΔT – изменение температуры. Из уравнения получите ΔT = Q / (mc) и найдёте конечное температурное состояние материала.

Существуют в термодинамике различные меры энергии:

• Внутренняя энергия
• Свободная энергия Гельмгольца
• Энтальпия
• Свободная энергия Гиббса.

Энергетический баланс имеет значение в термодинамике. После изменений фаз (твёрдое тело – жидкость – газ), или их смеси (соли в воде, смесь различных растворителей), или превращение энергосилы (энтальпии плавления, испарения, сублимации), или переходных энтальпий в обратном направлении процесс не происходит. В случае превращения химического вещества тепло реакции или энтальпии реакции могут быть выделены или должны быть добавлены в обратном порядке.

Чтобы рассчитать теплоту реакции, которая выделяется при превращении веществ, сначала составляется соответствующее уравнение реакции с соответствующими стехиометрическими факторами. Стандартное образование отдельных веществ перечислены для 25 °C в таблицах. Сумма энтальпий продуктов складывается в соответствии со стехиометрическими коэффициентами, и из этого вычитаются энтальпии исходных материалов.

Энтальпия реакции или превращения, которая выделяется в окружающую среду во время химического превращения или изменения фазы, имеет отрицательный знак. Если для изменения фазы или химического превращения необходима подача теплоты из окружающей среды, то энтальпия имеет положительный знак.

Формируя полный дифференциал свободной энтальпии и последующую интеграцию, можно рассчитать, возможна ли химическая конверсия. Принцип действия масс является частным случаем баланса. Если разница в свободной энтальпии положительна, то реакция или фазовый переход невозможны.

В 1869 году М. Бертло верил, что возможны только химические превращения, при которых выделяется тепло. Между тем известны превращения и реакции, в которых не выделяется ни тепло реакции, ни тепло превращения. Это связано с энтропийным термином.

Примеры:

Когда глауберова соль растворяется в воде, раствор становится холоднее окружающей среды. Энтальпия положительна. Когда ледяной блок тает, требуется теплота для изменения фазы с твёрдого на жидкое. Температурный уровень воды не повышается, хотя теплота подаётся из окружающей среды. Беспорядок молекул больше в жидком состоянии, чем в твёрдом состоянии.

Энтальпия реакции является положительной при превращении углерода и диоксида углерода в монооксид углерода. Реакция энтропии позволяет равновесию перейти в монооксид углерода при высоком подогреве.

«Нулевой» закон: принцип теплового равновесия.

«Если система A и система B имеют одинаковую температуру, а B имеет ту же температуру, что и C, тогда A и C имеют одинаковую температуру».

Это утверждение, которое на первый взгляд может показаться излишне логичным, содержит очень важный принцип для понимания того, как температура течет между телами. И здесь вступает в игру так называемое тепловое равновесие.

Эта концепция относится к тому, как два тела с разной температурой, контактирующие (A и C) или разделенные проводящей поверхностью (B), передают тепло друг другу. пока температуры, которые изначально были разными, не сравняются.

То есть, если мы помещаем два тела в контакт, и одно из них горячее другого, теплопередача вызовет тепловое равновесие, состояние, в котором температура обоих объектов одинакова, и до тех пор, пока система не входит в третье тело. тело с разным нагревом, температура останется постоянной.

Этим принципом руководствуются многие процессы в нашей повседневной жизни. Например, морозильники основывают свою деятельность на этом законе. Помещаем продукты (комнатной температуры) в морозильную камеру, которая очень холодная. Эта морозильная камера представляет собой систему, в которой еда и замороженный воздух обмениваются теплом до тех пор, пока оно не станет равным. Когда достигается тепловое равновесие, пища имеет ту же температуру, что и воздух.

При кипячении воды этот закон выполняется, так как температура воды повышается до температуры печи.

Первое начало термодинамики

\(~Q = \Delta U + A\) ,

где Q – количество теплоты (Дж); ΔU – изменение внутренней энергии газа (Дж); A = –А` – работа газа (Дж); А` – работа над газом (Дж).

• Если тепло подводим к газу, то Q > 0; если газ отдает тепло – Q < 0.
• Если внутренняя энергия увеличивается, то ΔU > 0; если внутренняя энергия уменьшается, то ΔU < 0.
• Если газ расширяется, то А > 0, а А` < 0; если газ сжимается, то А < 0, а А` > 0.

• Если тепло подводим к газу, то Q > 0; если газ отдает тепло – Q < 0.
• Если температура увеличивается, то ΔU > 0; если температура уменьшается, то ΔU < 0.
• Если газ расширяется, то А > 0, а А` < 0; если газ сжимается, то А < 0, а А` > 0.
• температура газа увеличивается (ΔT > 0), то ΔU > 0 – внутренняя энергия увеличивается;
• температура газа уменьшается (ΔT < 0), то ΔU < 0 – внутренняя энергия уменьшается;
• температура газа постоянна (ΔT = 0) – процесс изотермический, то ΔU = 0 – внутренняя энергия не меняется.
• объем газа увеличивается (газ расширяется) (ΔV > 0), то A > 0, а А` < 0;
• объем газа уменьшается (газ сжимается) (ΔV < 0), то A < 0, а А` > 0;
• объем газа не меняется (ΔV = 0) – процесс изохорный, то А = 0.
• Если тепло подводим к газу, то Q > 0; если газ отдает тепло – Q < 0.

Первое начало термодинамики при изопроцессах

При изохорном процессе (V = const) A = 0, поэтому

\(~Q = \Delta U\) ,

где Q – количество теплоты (Дж); ΔU – изменение внутренней энергии газа (Дж).

• Если тепло подводим к газу, то Q > 0; если газ отдает тепло – Q < 0.
• Если внутренняя энергия увеличивается, то ΔU > 0; если внутренняя энергия уменьшается, то ΔU < 0.

При изотермическом процессе (T = const) ΔU = 0, поэтому

\(~Q = A\) ,

где Q – количество теплоты (Дж); A = –А` – работа газа (Дж); А` – работа над газом (Дж).

• Если тепло подводим к газу, то Q > 0; если газ отдает тепло – Q < 0.
• Если газ расширяется, то А > 0, а А` < 0; если газ сжимается, то А < 0, а А` > 0.

При изобарном процессе (р = const)

\(~Q = \Delta U + A\) ,

где Q – количество теплоты (Дж); ΔU – изменение внутренней энергии газа (Дж); A = –А` – работа газа (Дж); А` – работа над газом (Дж).

Что изучает термодинамика

Объектом изучения термодинамики являются тепловые свойства тел, а также систем, которые находятся в состоянии теплового равновесия. Оно объясняется законом сохранения энергии, при этом не учитывается внутреннее строение тел, включенных в систему.

В термодинамике не рассматриваются такие микроскопические величины, как размеры молекул и атомов, их количество и масса. Этот раздел физики рассматривает процессы в большом масштабе

Благодаря созданию законов термодинамики удалось установить связь между несколькими наблюдаемыми физическими величинами, которые характеризуют состояние системы. К ним относится следующие параметры:

• объем;
• давление;
• концентрация;
• температура;
• энергия.

Указанные параметры не применимы к отдельным молекулам, поскольку используются для детального описания систем в общем виде. Решения, основанные на термодинамических законах, встречаются в различных сферах, в том числе теплотехнике и электроэнергетике

Это свидетельствует о важности понимания химических процессов и фазовых переносов. Принципы термодинамики тесно связаны с квантовой механикой

Эти независимые теории обращаются к физическим явлениям материи и света.

5.Термодинамическое состояние

1).Динамическое, микро- и макросостояние

Моделирование всякой физической системы подразумевает указание полного набора параметров, необходимого для описания всех её возможных состояний и наблюдаемых величин. Описание термодинамических систем, состоящих из огромного числа частиц, варьируется в зависимости от того, какая степень детализации принимается для выбора набора параметров. Наиболее подробное описание в классической механике требует указания координат и импульсов всех частиц системы в какой-либо начальный момент времени и законов взаимодействия частиц, определяющих их эволюцию во времени. Описанное таким образом состояние системы называется динамическим. Для практических целей динамическое описание систем большого числа частиц непригодно. Следующим, более огрубленным уровнем описания является статистическое описание, когда динамические состояния усредняются по ячейкам фазового пространства в классической механике. В квантовой механике состояния различаются набором квантовых чисел и могут усредняться, например, по небольшим интервалам на шкале энергии. Такие состояния называютсямикросостояниями и изучаются в классической или квантовой статистической механике. Выбор способа описания системы зависит от характерных временных масштабов, на которых изучается эволюция системы.

Термодинамика имеет дело с макросостояниями, наиболее общим уровнем описания, где для указания состояния системы требуется минимальное число макроскопических параметров. Вообще говоря, проблема определения микро- и макросостояний и описания их статистических свойств относится к наиболее фундаментальным и пока не получившим окончательного решения вопросам статистической физики.

2).Функции состояния и уравнение состояния

При описании макросостояний используются функции состояния — это функции, однозначно определённые в состоянии термодинамического равновесия и не зависящие от предыстории системы и способа её перехода в равновесное состояние. Важнейшими функциями состояния при аксиоматическом построении термодинамики являются температура, внутренняя энергия и энтропия, вводимые в началах термодинамики, а также термодинамические потенциалы. Однако функции состояния не являются независимыми, и для однородной изотропной системы любая термодинамическая функция может быть записана как функция двух независимых переменных. Такие функциональные связи называются уравнениями состояния. Различают термическое уравнение состояние, выражающее связь между температурой, давлением и объёмом (или, что тоже самое, плотностью), калорическое уравнение состояние, выражающее внутреннюю энергию как функцию от температуры и объёма, и каноническое уравнение состояние, записываемое как термодинамический потенциал в соответствующих естественных переменных, из которого можно получить и термическое, и калорическое уравнения состояния. Знание уравнения состояния необходимо для применения общих принципов термодинамики к конкретным системам. Для каждой конкретной термодинамической системы её уравнение состояния определяется из опыта или методами статистической механики, и в рамках термодинамики оно считается заданным при определении системы.

3).Термическое уравнение состояния

Для изотропных однородных систем термическое уравнение состояния имеет наиболее простой вид: f(p,V,T)=0 или p = p(ρ,T). Уравнение состояния идеального газа называется уравнением Клапейрона — Менделеева и записывается как pV=νRT, где р — давление, V — объём, T — абсолютная температура, ν — число молей газа, а R — универсальная газовая постоянная.

Почему невозможен вечный двигатель первого рода?

Людей издревле привлекала ее величество Халява. Философский камень, превращающий любой металл в золото, скатерть самобранка, с которой не нужно готовить, джин, исполняющий любые желания. Еще одной такой идеей была идея вечного двигателя.

Если никто не пытался найти скатерть-самобранку, то вечный двигатель пытались изобрести очень много раз. На протяжении веков разные люди спрашивали себя: как построить вечный двигатель? Согласно историческим записям первым такую попытку предпринял в двенадцатом веке некий индийский ученый. Затем было еще множество попыток, в том числе плотно занимался вопросом и Леонардо да Винчи. Наконец, в девятнадцатом веке светлые головы Германа Гельмгольца и Джеймса Джоуля сформулировали первое начало динамики и подтвердили его опытами,  чем развеяли все сомнения. В помощь также статья, о том, как делать презентацию в ворде и powerpoint.

Вечный двигатель Леонардо да Винчи

Вечный двигатель невозможен, потому что так устроен мир. Об этом говорят нам законы термодинамики. Согласно первому началу термодинамики, количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил. Например, газ, помещенный в цилиндр с поршнем, получая определенное количество теплоты, увеличивает свою внутреннюю энергию, молекулы движутся быстрее, газ занимает больший объем и толкает поршень (работа против внешних сил). Иными словами, если работа совершается без  внешнего притока энергии, она может совершаться лишь за счет внутренней энергии системы, которая рано иди поздно иссякнет, преобразовавшись в совершенную работу, на чем все закончится и система придет к состоянию термодинамического равновесия

Ведь энергия в мире никуда не уходит и не приходит, ее количество остается постоянным, а меняется лишь форма.  Конечно, Вы обратили внимание на то, что речь идет о так называемом вечном двигателе первого рода (который может совершать работу без энергии). Спешим заверить, существование вечного двигателя второго рода также невозможно и объясняется вторым началом термодинамики, о котором мы поговорим в ближайшем будущем

Энергия и ее формы

Первый закон термодинамики

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, называется первым законом (началом) термодинамики.

Можно дать формулировку этого закона исходя из способов изменения внутренней энергии.

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

Если рассматривать работу самой системы над внешними телами, то закон может быть сформулирован так:

количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение системой работы над внешними телами:

Если система изолирована и над ней не совершается работа и нет теплообмена с внешними телами, то в этом случае внутренняя энергия не изменяется. Если к системе не поступает теплота, то работа системой может совершаться только за счет уменьшения внутренней энергии. Это значит, что невозможно создать вечный двигатель – устройство, способное совершать работу без каких-либо затрат топлива.

Первый закон термодинамики для изопроцессов

Изотермический процесс: ​\( Q=A’\,(T=const, \Delta U=0) \)​Физический смысл: все переданное газу тепло идет на совершение работы.

Изобарный процесс: \( Q=\Delta U+A’ \)​Физический смысл: подводимое к газу тепло идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение газом работы.

Изохорный процесс: \( Q=\Delta U\,(V=const, A’=0) \)​Физический смысл: внутренняя энергия газа увеличивается за счет подводимого тепла.

Адиабатный процесс: ​\( \Delta U=-A’ \)​ или ​\( A=\Delta U\,\mathbf{(Q=0)} \)​Физический смысл: внутренняя энергия газа уменьшается за счет совершения газом работы. Температура газа при этом понижается.

Задачи об изменении внутренней энергии тел

Такие задачи можно разделить на группы:

• При взаимодействии тел изменяется их внутренняя энергия без совершения работы над внешней средой.
• Рассматриваются явления, связанные с превращением одного вида энергии в другой при взаимодействии двух тел. В результате происходит изменение внутренней энергии одного тела вследствие совершенной им или над ним работы.

При решении задач первой группы:

• установить, у каких тел внутренняя энергия уменьшается, а у каких – возрастает;
• составить уравнение теплового баланса ​\( (\Delta U=0) \), при записи которого в выражении ​\( Q =cm(t_2 – t_1) \)​ для изменения внутренней энергии нужно вычитать из конечной температуры тела начальную и суммировать члены с учетом получающегося знака;
• решить полученное уравнение относительно искомой величины;
• проверить решение.

При решении задач второй группы:

• убедиться, что в процессе взаимодействия тел теплота извне к ним не подводится, т.е. действительно ли ​\( Q = 0 \)​;
• установить, у какого из двух взаимодействующих тел изменяется внутренняя энергия и что является причиной этого изменения – работа, совершенная самим телом, или работа, совершенная над телом;
• записать уравнение ​\( Q = \Delta U + A \)​ для тела, у которого изменяется внутренняя энергия, учитывая знак перед работой и КПД рассматриваемого процесса;
• если работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии одного из тел, то ​\( А= -\Delta U \)​, а если внутренняя энергия тела увеличивается за счет работы, совершенной над телом, то ​\( A=\Delta U \)​;
• найти выражения для ​\( \Delta U \)​ и ​\( A \)​;
• подставить в исходное уравнение вместо \( \Delta U \) и \( A \) выражения для них, получить окончательное соотношение для определения искомой величины;
• решить полученное уравнение относительно искомой величины;
• проверить решение.

Первое начало термодинамики

Согласно первому закону термодинамики, \(Q\) (количество внутренней теплоты), которое получил газ извне, расходуется на совершение работы \(А\) и изменение внутренней энергии \(U\). Формула закона: \(Q=\Delta U+A\).

На практике газ может быть нагрет либо охлажден. Однако в данном случае рассматривается изотермический процесс, в котором один из характеризующих параметров остается неизменным.

Если процесс изотермичен, в химии включается закон Бойля-Мариота. В нем говорится, что давление газа соотносится к изначальному объему, при стабильной температуре, обратно пропорционально.

\(Q=A\)

Когда процесс происходит при неизменном объеме, говорят об изохорности. Здесь вступает в действие закон Шарля. В обозначенных условиях то тепло, которое поступило к газу, расходуется на изменение внутренней энергии. Другими словами, \(P\) пропорционально \(T\).

\(Q=\Delta U\)

Протекание процессов в идеальном газе при неизменном давлении носит характер изобарного. Здесь действует закон Гей-Люссака, который выражается уравнением:

\(Q=\Delta U=p\Delta V\)

Полная формулировка закона гласит: полученное тепло при изобарном процессе расходуется на совершение работы газом, а также изменяет его внутреннюю энергию.

Часть процессов происходят изолированно от внешней среды. Газ не получает дополнительной энергии. Такая ситуация носит название адиабатной и математически записывается: \(Q=0\). Работа \(А\) в таком случае выражается: \(A=-\Delta U.\)

Что такое термодинамика

Слово термодинамика с греческого переводится как «тепло» и «сила».

В термодинамике изучают состояния и процессы, для описания которых необходимо ввести понятие температуры.  

Процессы, происходящие в термодинамической системе, описываются макроскопическими параметрами, которые вводятся для описания систем, состоящих из большого числа частиц, и не применимы к отдельным молекулам и атомам, в отличие от величин, вводимых в механике или электродинамике. Пример макроскопических величин — это температура, давление, объем, концентрация компонентов системы, которые могут изменяться в ходе процесса. 

Термодинамика изучает:

• переходы энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой;
• энергетические эффекты, которые сопровождают различные процессы, их зависимость от условий протекания процессов;
• возможность, направление и пределы протекания самопроизвольного течения самих процессов.

Не только физика, но химия живет по правилам термодинамики. 

  Как в физике, так и в химии в основе термодинамики лежат три закона или «три начала термодинамики».