Основные положения термодинамики равновесных процессов

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОУ ВПО «ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ  ПЕДАГОГИКИ И ПСИХОЛОГИИ

КАФЕДРА ДОШКОЛЬНОЙ ПЕДАГОГИКИ 
 

РЕФЕРАТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Концепции современного естествознания

НА ТЕМУ:

«Основные положения  термодинамики равновесных процессов» 
 
 
 

                                                 

            Выполнила: Рябечкова Е.Н.

                     Проверила: Ульянова О.В.

                                                                                        
 
 
 
 
 

Череповец 2010-2011г.

1.1. О становлении  термодинамики как  науки  

     Термодинамика - наука о наиболее общих свойствах макроскопических материальных систем, находящихся в различных состояниях относительно термодинамического равновесия, и о процессах переходов между этими состояниями.

     К настоящему времени термодинамика  содержит два основных раздела:

1. 1.      Равновесная термодинамика (термодинамика изолированных систем)

              В основном разработана в середине 19-го – начале 20-го века и содержит три закона – три «Начала»:

• -         в середине 19-го века  Ю. Р. Майером, Дж. Джоулем и Г. Гельмгольцем был сформулирован первые закон термодинамики -  «Первое начало термодинамики».
• -         в 1850 году Р. Клаузиусом, и независимо от него в 1851 году  У. Томсоном было   сформулировано «Второе начало термодинамики».
• -         в 1906 году В. Нернст сформулировал «Третье начало термодинамики».

2. 2.      Неравновесная термодинамика (термодинамика открытых систем)

   Разработана в 20-м веке. Содержит два основных подраздела:

• -         слабо неравновесную термодинамику, основы которой разработаны в 1931 Л. Онсагером;
• -         сильно неравновесную термодинамику, в основном  разработанную  Г. Хакеном,  И. Пригожиным и Р. Томом в середине 20-го века.

            

     Первой  работой в области неравновесной  термодинамики в биологии  является опубликованная в 1935 году книга Э.Бауэра «Теоретическая биология», в которой  был сформулирован  «Всеобщий  закон биологии».   

1.2. Основные термины  и положения термодинамики  

     Система – это совокупность материальных объектов (тел), ограниченных каким-либо образом от окружающей среды.

     В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой термодинамические  системы делятся на три типа:

     1) изолированная – система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией;

2. 2)        замкнутая – система,  которая   может   обмениваться    с   окружающей  

средой  лишь энергией и не может обмениваться веществом;

3. 3)         открытая – система,  которая обменивается  с окружающей   средой  и   

         энергией, и веществом.

     Живые организмы являются открытыми системами.

     Состояние любой термодинамической системы  характеризуется двумя группами параметров:

     Интенсивными термодинамическими параметрами (давление, температура и др.), не зависящими от массы или числа частиц в системе;

     Экстенсивными термодинамическими параметрами (общая энергия, энтропия, внутренняя энергия), зависящими от массы или числа частиц в системе.

     Изменение параметров термодинамической системы  называется термодинамическим процессом.

     Энергию системы (W) можно представить как совокупность двух частей: зависящую от движения и положения системы как целого (W_ц) и не зависящую от этих факторов (U).  

 

 

     Вторую  составляющую этой совокупности U называют внутренней энергией системы.

     Она включает энергию теплового движения частиц, а также химическую  и  ядерную энергию, определяющую поступательное, колебательное и вращательное движение молекул, внутримолекулярное взаимодействие и колебание атомов, энергию вращения электронов.

     Внутренняя  энергия в свою очередь разделяется  на свободную энергию и связанную энергию.

     Свободная энергия (G) – та часть внутренней энергии, которая может быть использована для совершения работы.

     Связанная энергия (W_св) – та часть энергии, которую нельзя превратить в работу.  

 

 

     Потоки  и Термодинамические  силы. В термодинамических системах, в которых имеются градиенты температуры, концентраций компонентов, химических потенциалов, возникают необратимые процессы теплопроводности, диффузии, химических реакций.

     Эти процессы характеризуются тепловыми  и диффузионными потоками, скоростями химических реакций и т.д.

     Они называются общим термином «потоки» и обозначаются J_i, а вызывающие их причины (отклонения термодинамических параметров от равновесных значений) — термодинамическими силами (Х_к).

Связь между J_i и Х_к, если термодинамические силы малы, записывают в виде линейных уравнений:   
 

 

 

где i = 1, 2, …, m  

1.3. Общие сведения  о равновесной  термодинамике  

1.3.1. Первое начало  термодинамики   
 

     Первое  начало термодинамики - один из трех основных законов термодинамики, представляющий собой закон сохранения энергии для систем, в которых существенное значение имеют тепловые процессы.

     Согласно  первому  началу термодинамики, термодинамическая  система (например, пар в тепловой машине) может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии  или каких-либо внешних источников энергии.

     Первое  начало термодинамики  объясняет  невозможность существования вечного двигателя 1-го рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

     Сущность  первого начала термодинамики заключается  в следующем:

     При сообщении термодинамической системе  некоторого количества теплоты Q в общем случае происходит изменение внутренней энергии системы DU и система совершает работу А:  

 

  

       Уравнение (1.4), выражающее первое  начало термодинамики, является  определением изменения внутренней  энергии системы (DU), так как Q и А — независимо измеряемые величины.  

       Внутреннюю энергию системы  U можно, в частности, найти, измеряя работу системы в адиабатном процессе (то есть при Q = 0): А_ад = — DU, что определяет U с точностью до некоторой аддитивной постоянной U₀:   

 

  

 Первое  начало термодинамики утверждает, что U является функцией состояния системы, то есть каждое состояние термодинамической системы характеризуется определённым значением U, независимо от того, каким путём система приведена в данное состояние (в то время как значения Q и А зависят от процесса, приведшего к изменению состояния системы). При исследовании термодинамических свойств физической системы первое начало термодинамики обычно применяется совместно со вторым началом термодинамики.   
 

1.3.2. Второе начало  термодинамики  

     Второе  начало термодинамики является законом, в соответствии с которым макроскопические процессы, протекающие с конечной скоростью, необратимы.

       В отличие от идеальных (без  потерь) механических или электродинамических  обратимых процессов, реальные  процессы, связанные с теплообменом  при конечной разности температур (т. е. текущие с конечной  скоростью), сопровождаются  разнообразными  потерями: на трение, диффузию газов,  расширением газов в пустоту,  выделением джоулевой теплоты и т.д.

     Поэтому эти процессы необратимы, то  есть могут самопроизвольно протекать  только в одном направлении. 

     Второе  начало термодинамики возникло исторически  при анализе работы тепловых машин.

     Само  название «Второе начало термодинамики» и первая его формулировка (1850 г.) принадлежат Р. Клаузиусу: «…невозможен процесс, при котором теплота переходила бы  самопроизвольно от   тел более холодных к телам более нагретым».

     Причем  такой процесс невозможен в принципе: ни путем прямого перехода теплоты  от более холодных тел к более теплым, ни с помощью каких–либо устройств без использования каких-либо других процессов.

     В 1851 году английский физик У. Томсон дал другую формулировку второго  начала термодинамики: «В природе невозможны процессы, единственным следствием которых  был бы подъем груза, произведенный  за счет охлаждения теплового резервуара».

     Как видно, обе приведённые формулировки второго начала термодинамики практически  одинаковы.

     Отсюда  следует невозможность реализации двигателя 2-го рода, т.е. двигателя без  потерь энергии на трение и другие сопутствующие потери.

     Кроме того, отсюда также следует, что все  реальные процессы, происходящие в  материальном мире в открытых системах, необратимы.

     В современной термодинамике второе начало термодинамики изолированных  систем формулируется единым и самым  общим образом как закон возрастания  особой функции состояния системы, которую Клаузиус назвал энтропией (S).

     Физический  смысл энтропии состоит в том, что в случае, когда материальная система находится в полном термодинамическом  равновесии, элементарные частицы, из которых состоит эта система, находятся в неуправляемом состоянии  и совершают различные случайные  хаотические движения.