Законы термодинамики

Министерство  образования и высшей школы Республики Коми

Коми  республиканский  лицей-интернат для  одаренных детей

из сельской местности 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 

ЗАКОНЫ  ТЕРМОДИНАМИКИ 
 
 

Исполнитель – Надежда Владимировна Липина,

учащаяся 2 курса

физико-математического отделения

Научный руководитель -  Сергей Александрович  Трошев,

доктор  – минералогических наук, декан. 
 
 
 
 
 
 

Сыктывкар  2011 год 

Оглавление

Введение………………………………………………………………………….3

Глава 1. Основные понятия термодинамики  …………………...……………..4

   1.1. Термодинамические  процессы……………………………………………4

   1.2. Термодинамические  системы……………………………………………..6

   1.3. Энтропия……………………………………………………………………7

Глава 2. Законы термодинамики………………………………………………...9

   2.1. Нулевое начало термодинамики………...………………………………..9

   2.2. Первое начало термодинамики..………………..………………………..10

   2.3. Второе начало термодинамики………...………………………………...13

   2.4. Третье начало термодинамики…...………………………………………17

Заключение……………………………………………………………………….19

Список литературы………………………………………………………………20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.  

 

  Стимулом для развития термодинамики как науки явились потребности машинной промышленности. Изобретение паровой машины  поставило перед наукой задачу – теоретически исследовать работу паровых машин для повышения коэффициента полезного действия последних. Это исследование было проведено в 1824 г. французским инженером  Сади Карно, доказавшим теоремы, определяющие наибольший коэффициент полезного действия тепловых машин.

    Термодинамика  – это теория тепловых явлений,  в которых не учитывается молекулярное  строение тел. Термодинамика –  феноменологическая (описательная) теория  тепла.

   Основу термодинамики составляют два закона, или начала, которые сформулированы на основе экспериментальных данных и поэтому могут быть приняты как постулаты. Первое начало термодинамики выражает количественную сторону закона сохранения и превращения энергии в применении к термодинамическим системам. Второе начало термодинамики представляет собой закон об энтропии.

   Первое  и второе начала имеют много  разнообразных формулировок, большая  часть которых эквивалентна одна  другой и выражает полное содержание  самого закона. Разнообразие формулировок  этих законов связано с их  проявлением в тех или иных  конкретных случаях. 

   Первое  и второе начала дополняют  друг друга. Термодинамическое описание различных физических процессов с использованием только первого начала термодинамики является неполным, так как при этом не учитывается принципиальное отличие описания реально существующих в природе необратимых процессов от описания обратимых процессов. Для построения адекватной теории потребовалось введение дополнительного постулата - второго начала термодинамики. Введение этого начала позволило разделить описание равновесных (обратимых) и неравновесных (необратимых) процессов.

  
 

Глава 1. Основные понятия термодинамики.

 

    1.1.Термодинамические процессы.

Необратимые (неравновесные) процессы – процесс изменения состояния, сопровождающийся нарушением равновесия в системе.

Обратимые (равновесные) процессы – медленные процессы, в которых в любой момент времени устанавливается новое состояние равновесия.

В термодинамике  преимущественно рассматриваются  равновесные (медленные) процессы, при которых в каждый момент времени термодинамические параметры имеют определенные значения.

Изотермический процесс (от греческих слов  isos - равный, thérmē - тепло) – это процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре.

Процесс изменения давления газа в  зависимости от объема  изображается графически с помощью кривой, которая  носит название изотермы.

    p 

                               t₁

     0                              V

          

Изохорный процесс (от греческих слов isos - равный,chōra – занимаемое место) – это процесс изменения давления газа, вызванный изменением температуры при постоянном объеме.

Зависимость давления газа от температуры графически изображается прямой линией – изохорой. 
 
 
 

      p 

 V₁

     0 t 

Изобарный процесс (от греческих слов isos  - равный,baros – тяжесть, вес)- это процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении.

Зависимость объема газа от температуры изображается прямой линией – изобарой.

     V 

 p₁

     0 t

Адиабатный процесс - это процесс в теплоизолированной системе, то есть протекающий в системе при отсутствии теплообмена с окружающими телами.

Зависимость давления газа от его объема при адиабатном процессе изображается кривой, называемой адиабатой.  Адиабата идет круче  изотермы.

     p 
 
 

     0                                      V 

  1.2.Термодинамические системы.

Всякий материальный объект, всякое тело, состоящее из большого числа частиц, называется макроскопической системой. Размеры макроскопических систем значительно больше размеров атомов и молекул. Все макроскопические признаки, характеризующие такую систему и ее отношение к окружающим телам, называются  макроскопическими параметрами.  К их числу относятся такие, например, как плотность, объем, упругость, концентрация, поляризованность, намагниченность и т.д. Макроскопические параметры разделяются на внешние и внутренние.

Величины, определяемые положением не входящих в нашу систему  внешних тел, называются  внешними параметрами. Величины, определяемые совокупным движением и распределением в пространстве входящих в систему частиц, называются  внутренними параметрами

   Совокупность  независимых макроскопических параметров  определяет состояние системы,  т.е. форму ее бытия. Величины не зависящие от предыстории системы и полностью определяемые ее состоянием в данный момент (т.е. совокупностью независимых параметров), называются  функциями состояния.

   По способу  передачи энергии, вещества и  информации между системой и  окружающей средой термодинамические  системы классифицируются:

    Изолированная система – независимая система, которая совершенно не взаимодействует с окружающей средой.

     Замкнутая система – система, которая не обменивается веществом с окружающей средой.

     Открытая система – система, которая обменивается веществом с окружающей средой.

    Адиабатно - изолированная система -  это система в которой есть обмен энергией только в форме теплоты.

    В природе не существует абсолютно изолированных либо абсолютно замкнутых термодинамических систем. Все термодинамические системы являются открытыми, включая и живые организмы.  
 

1.5.  Энтропия.

Понятие энтропии было впервые введено в 1865 году Рудольфом  Клаузиусом. Рудольф Клаузиус дал  величине S имя «энтропия», происходящее от греческого слова τρoπή, «изменение» (изменение, превращение, преобразование).

Он определил  изменение энтропии термодинамической  системы при обратимом процессе как отношение изменения общего количества тепла ΔQ к величине абсолютной температуры T (то есть изменение тепла  при постоянной температуре):

где ΔS — изменение  энтропии, ΔQ — изменение теплоты, T — абсолютная термодинамическая  температура.

Данное равенство  относится к изменению энтропии, не определяя полностью саму энтропию. Эта формула применима только для изотермического процесса (происходящего  при постоянной температуре). 

В состоянии  с максимальной энтропией макроскопические необратимые процессы (а процесс  передачи тепла всегда является необратимым  из-за постулата Клаузиуса) невозможны.

Термин «энтропия» используется для описания количества хаотичности в любой системе. В термодинамике энтропия указывает  расположение молекул вещества или  организацию энергии системы. 

Энтропия - физическая величина, количественно характеризующая  особенности молекулярного строения системы, от которых зависят  энергетические преобразования в ней.  

Связь энтропии с молекулярным  строением системы  первым объяснил Л. Больцман в 1887 году.  

Он установил  статистический смысл энтропии :

S = k lnP,

где  k — постоянная Больцмана,   P – статистический вес.

k = 1.37·10-23 Дж/К. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 2. Законы термодинамики. 

2.1.  Нулевое начало термодинамики (понятие теплового равновесия).

Перед первым началом  термодинамики было сформулировано нулевое начало (всего около 50 лет  назад). По существу оно 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 заняло 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.

    Классическая  термодинамика утверждает, что изолированная  термодинамическая система (предоставленная  себе самой) стремится к состоянию  термодинамического равновесия  и после его достижения не  может самопроизвольно из него  выйти. Данное утверждение часто  называю нулевым началом термодинамики.

     Системы,  находящиеся в состоянии термодинамического  равновесия, обладают следующими  свойствами:

     Если  две термодинамические системы,  имеющие тепловой контакт, находятся  в состоянии термодинамического  равновесия, то и совокупная термодинамическая  система находится в состоянии  термодинамического равновесия.

     Если  какая-либо термодинамическая система  находится в термодинамическом  равновесии с двумя другими  системами, то и эти две системы  находятся в термодинамическом  равновесии друг с другом.

     Нулевой закон термодинамики (закон транзитивности теплового равновесия).

        Если системы А и В находятся в тепловом равновесии и системы В и С находятся в тепловом равновесии, то системы А и С также находятся в тепловом равновесии между собой:

А ∼ В,     В ∼ С → А ∼ С