Все из них конечно же знакомились с основами термодинамики

ТЕРМОДИНАМИКА | Энциклопедия Кругосвет

ТЕРМОДИНАМИКА, раздел прикладной физики или теоретической Все изложенное находит общее выражение в первом начале начал знакомиться с термодинамикой, но его нетрудно объяснить, опираясь на теорию вероятностей. и были не совсем ясны термодинамические основы ее действия. Физические основы теории строения вещества. (учебное В большинстве, конечно, разные самые крупные из них можно увидеть с помощью оптического микроскопа – это мы состоим сами, все, что происходит с нашим окружением и с нами, будет интересовать .. Школьники должны знакомиться с. а также затрагивается хронология развития термодинамики как .. жет быть описано только в том случае, если известны все их начальные координаты них значений динамических параметров среды (скорости течения, темпе- .. Л. Больцмана. Последний заложил основы статистической физики, кине-.

ФИЗИКА Термодинамика находит широкое применение в физической химии и химической физике при анализе физических и химических процессов, в современной физиологии и биологии, в двигателестроении, теплотехнике, авиационной и ракетно-космической технике. Аррениусу — и Г. Эйрингу — получило весьма основательную разработку ее применение к анализу скоростей химических реакций химической кинетике.

В настоящее время главной проблемой в термодинамике является ее применение к необратимым процессам, и уже достигнуты большие успехи в построении теории, по широте охвата сравнимой с термодинамикой обратимых процессов.

Примером может служить подача насосом воды в водонапорную башню. О воде в башне говорят, что она имеет потенциальную энергию. Благодаря гравитационному притяжению Земли существует возможность обратного преобразования этой энергии в кинетическую, то есть в энергию движения воды, текущей по трубам. Когда вода в трубе в конце концов останавливается из-за внутреннего трения, или вязкости, эта энергия оказывается превратившейся в теплоту, то есть тепловую энергию, которая рассеивается в окружающей среде.

Еще в Ф. Бэкон высказал предположение, что теплота есть просто другая форма движения, но лишь в это с несомненностью установил Б. Томпсон Румфорднаблюдая за выделением теплоты при рассверливании ствола пушки. Дополнительным подтверждением явились опыты Х.

Эти опыты и наблюдения говорили о том, что тепловая и механическая энергия — одно и то же и что, вероятно, можно найти экспериментально механический эквивалент теплоты, то есть количество работы в механических единицах, эквивалентное данному количеству теплоты в тепловых единицах. Заметив, что температура воды в медицинской колбе повышается, если ее несколько минут встряхивать, Ю.

Майер в вычислил механический эквивалент теплоты по разности удельных теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме. В ту пору точные значения этих удельных теплоемкостей еще не были известны, а потому его результат был не совсем верным, хотя и правильным по порядку величины. Джоуль точно измерил количество теплоты, получаемое при преобразовании механической работы в тепловую энергию, и уточнил результат Майера. Если некое вещество находится под ограничивающим воздействием внешней силы, например атмосферного давления P, то при изменении его объема V, скажем расширении, вследствие движения против действующей силы совершается работа.

Полную совершаемую работу можно найти как площадь зависимости силы от соответствующего размера, как показано на рис. Такой способ ее определения необходим, поскольку давление может меняться.

При малом изменении объема давление намного не изменится, так что малое количество совершаемой работы будет равно: Следовательно, полная совершаемая работа При быстром сжатии газа некоторая часть работы, совершаемой над ним, может заметно повысить его температуру. Если газ находится в теплоизолированном сосуде или сжимается столь быстро, что не успевает хотя бы частично отдать свою теплотутакое изменение объема называется адиабатическим. Если же газ не теплоизолирован, то происходит теплоотдача, и газ сохраняет температуру окружающей среды.

Такое изменение объема называется изотермическим. Полное преобразование работы в теплоту вполне возможно, но обратный процесс преобразования всей теплоты в эквивалентную ей работу невозможен. К такому выводу еще в пришел путем теоретических рассуждений французский физик Н.

Рассматривая полный цикл обратимых изменений рабочего тела в тепловой машине, в конце которого это тело возвращается в исходное состояние, он показал, что максимальный КПД преобразования теплоты в работу зависит не от природы рабочего тела, а только от максимальной температуры, при которой подводится теплота, и от минимальной температуры, при которой она отводится.

Полное преобразование теплоты в работу было бы возможно лишь в том случае, если бы минимальная температура была равна абсолютному нулю, при которой рабочее тело не имело бы никакой тепловой энергии. На существование абсолютного нуля указывает закон расширения газов. Это было бы абсолютным нулем температуры для тепловой машины, рабочим телом которой является идеальный газ. Проведя гораздо более сложные рассуждения, У. Лейбница — было уже неоспоримым, что в консервативной системе подобной гравитационному полю сумма кинетической и потенциальной энергий остается неизменной, какие бы преобразования одной в другую ни происходили.

Простой пример — маятник, кинетическая энергия которого периодически переходит в потенциальную и обратно, причем это могло бы продолжаться до бесконечности, если бы энергия не рассеивалась из-за трения. Однако имеется трение в подвесе, а также сопротивление воздуха, тоже обусловленное трением. Поэтому маятник в конце концов теряет кинетическую энергию своего видимого движения, но опыты Румфорда и других ученых свидетельствовали о том, что энергия лишь превращается в теплоту, и в результате этого повышается температура маятника и окружающей среды.

Таким образом, строго периодические колебания маятника превращаются в хаотическое движение его молекул и молекул окружающей среды.

Все изложенное находит общее выражение в первом начале термодинамики — законе сохранения энергии. Согласно этому закону, во всех таких преобразованиях энергия не возникает и не исчезает, она лишь меняет форму. На это указал в замечательный, но почти неизвестный мыслитель К. Мор в своей статье О природе теплоты On the Nature of Heat: Закон сохранения энергии был четко сформулирован в Г.

Гельмгольцем —но и после этого универсальный характер закона не сразу получил признание. Хотя полная энергия изолированной системы остается постоянной, теплота передается от нагретой части системы к более холодной, и, если эти части не изолированы друг от друга, их температура в конце концов становится одинаковой.

В результате такого выравнивания внутренних температур изолированная система переходит в свое наиболее вероятное состояние, в котором движение предельно хаотично. Суть второго начала термодинамики, сформулированного в Р.

Клаузиусом —и состоит в том, что в изолированной системе внутреннее распределение энергии самопроизвольно всегда изменяется так, что энтропия достигает максимального значения ценой уменьшения полезной части энергии. В силу этого невозможен вечный двигатель второго рода перпетуум-мобиле II. Необратимое нарастание энтропии в тепловых процессах непонятно тем, кто только начал знакомиться с термодинамикой, но его нетрудно объяснить, опираясь на теорию вероятностей.

Представим себе две игральные кости, лежащие вверх шестерками. Если мы потрясем их, прежде чем снова выбросить, то вероятность выпадения двух шестерок будет мала — 1: Таким образом, можно сказать, что беспорядочное движение перемешивание игральных костей, подобно хаотическому движению молекул, соответствующему их тепловой энергии, оказывается причиной перехода из менее вероятного состояния в более вероятное. Если же у нас миллионы игральных костей атомов и молекул, для которых проводятся термодинамические расчетыто вероятность одновременного выпадения всех шестерок столь ничтожно мала, что система просто не может не перейти в одно из более вероятных состояний.

Если теплота — беспорядочное колебательное движение молекул, то при охлаждении энтропия системы должна уменьшаться. Когда же тепловое движение полностью прекратится, система будет при абсолютном нуле температуры.

Естественно предположить, что при такой температуре энтропия равна нулю. Чтобы найти абсолютное значение энтропии, необходимо знать теплоемкость при абсолютном нуле температуры. Измерив теплоемкость многих веществ при температурах, очень близких к абсолютному нулю, В. Нернст — пришел к выводу, что теплоемкость всех кристаллических веществ при абсолютном нуле температуры равна нулю.

Ее значение в том, что она позволяет сравнивать между собой энтропии разных веществ, так как все они равны нулю при абсолютном нуле температуры.

ТЕРМОДИНАМИКА

Ккогда Карно опубликовал свой трактат Размышления о движущей силе огня В противоположность этому, центростремительное движение направлено внутрь. Рассмотрение их совместного действия даёт ключ к вечному движению природы. Научный метод исследования совместного действия называется Синергетика. Синергетическим эффектом процесса, является фазовый переход: Синергетика базируется на третьем Законе Ньютона и композитном цикле Карно, речь о котором пойдёт ниже.

Ведущие физики мира давно вступили в конфликт со 2-м Законом, затрагивающим смысл реальности и обратимости. Нельзя отказаться от механики, праматери современного естествознания, в угоду второму закону термодинамики. Наоборот, термодинамику следует дополнить разделом обратимых процессов, согласующуюся с механикой.

Удивительно, но все фундаментальные основания для этого существуют в трудах С. Фейнмана, им более ти лет. Согласно современным представлениям, Вселенная состоит из Материи находящейся в непрерывном движении.

Количественной мерой движения Материи является энергия. Закон сохранения энергии - фундаментален: Для количественной характеристики фазовых переходов различных форм движения и соответствующих им взаимодействий, различают два вида энергии: Таким образом, не смотря на кажущееся многообразие существующих видов энергии, все они сводятся, в конечном счете, к кинетической энергии механического движения каких-либо частиц и потенциальной энергии их взаимодействия.

При наличии трения взаимные превращения потенциальной и кинетической энергий становятся необратимыми из-за диссипации рассеяния механической энергии. Обобщённый закон сохранения механической энергии в изолированной системе: Законы сохранения электромагнитной, химической, биологической, социальной и других энергий аналогичны. Внутренняя энергия равна сумме кинетической энергии хаотического движения молекул относительно центра масс тел и потенциальной энергии взаимодействия молекул друг с другом.

Или в дифференциальной форме: Работа и теплота, являются функциями пути процесса, что ограничивает их применение. Поэтому современная термодинамика использует метод потенциалов, независимых от истории системы. Для термостатные условий, где приняты постоянными температура То и давление ро земные условиязакон сохранения энергии выражается уравнением Гиббса: Гиббс разработал общую статистическую теорию, основанную на отказе от введения специальных гипотез относительно природы частиц.

Он дал общее статистическое обоснование термодинамики. Метод Гиббса, благодаря Л. Ландау, стал играть существенную роль в борьбе вокруг второго начала термодинамики. Эксергией термодинамической системы называется максимальная работоспособность за счёт изменение кинетической энергии рабочего тела или ротора, которую система производит при обратимом переходе в состояние полного равновесия с окружающей средой ро и То. Именно метод термодинамических потенциалов Гиббса придал статистической физике современную форму.

Природа стремиться не к деградации энергии, а к её движению: Работоспособность, можно получить только в движении кинетическая энергия [9]. На самом же деле логика Карно безукоризненна. Фейнман Опыт практической эксплуатации тепловых машин привели к пониманию необходимости существования наряду с верхним источником тепла, также и теплоприемника низкотемпературного источника. Ученые пришли к своим выводам разными путями.

Карносформулировал три закона теплового движения исходя из теории теплорода. Он увидел аналогию тепловых машин с гидравлическими, использующими перепад уровня воды [14]: Принцип устойчивого равновесия, принцип второго начала, принцип обобщённой центростремительной силы и центростремительного движения.

Если Ньютон написал уравнения движения динамике, на основании движения планет и комет. То Карно писал принципы теплового движения на базе природного гидрологического цикла гидроцикл.

Термодинамика для многих. DjVu и полный текст книги

Очевидно, что Карно, сформулировал не один, а три принципа движения для термодинамики. Взяв за основу тепловой машины природный гидрологический цикл в виде принципа, он провёл его анализ и выделил его обе фазы, прямой и обратный циклы, а затем синтезировал обобщённый цикл. Фактически в основе законов Карно лежит принципы и устойчивого и динамического равновесия.

Но это открытие было не понято и разрушено более поздними исследователями. Природный гидрологический цикл и гидравлическая аналогия теплового двигателя. Клаузиусподходит к вопросу о паровой машине и вообще к вопросу о совершении теплотой работы, исходя из механической теории тепла. Он реформировал запись цикла Карно: Математическое выражение принципа Карно, по Клаузиусу: Здесь подразумевается, что релаксация происходит самопроизвольно.

Эта тема не получила у Клаузиуса дальнейшего развития[16]. В дальнейшем Клаузиус, ввел понятие энтропии и закон монотонного возрастания энтропии, что и принято считать вторым законом термодинамики. Он использовал частные циклы Карно для далеко идущих выводов. На их основании он сделал вывод о том, что все виды энергии во Вселенной должны перейти в энергию теплового движения, после чего в ней прекратятся все макроскопические процессы: Этот принцип Клаузиуса отражает невозможность самопроизвольного циклического движения.

Пока шло описание теплового двигателя, разделение гидроцикла на две составляющие, было оправдано. Теперь термодинамика была сведена к Закону устойчивого равновесия, а между паровым двигателем и вторым началом возникла тождественность. Таким образом, необходимо констатировать, что в основе второго закона лежит принцип природного гидроцикла, который по субъективным причинам был фрагментирован на две части.

  • Термодинамика для многих

И потому все расширенные формулировки второго начала адекватны лишь относительно частного цикла Карно, и не учитывают всего многообразия Карно циклов. Ни слова не говорится о топке, в которой сгорает топливо. Предложенная Сади Карно модель лишь использует конечный результат горения: Двусмысленно выглядят и следующая фраза.

Как бы ни была велика связанная с хаотическим тепловым движением молекул внутренняя энергия, содержащаяся в окружающей среде, она неработоспособна, ибо в этом случае в нашем распоряжении есть только одна температура — окружающей среды То. Это не наука,… это сказка! Второе начало является заложником исходной ошибки: Впоследствии, после работ Гиббса, в классической термодинамике образовалось два логически несовместных подхода: Двум различным теориям должно соответствовать объективное отражение в различных базовых термодинамических циклах, но классическая термодинамика по-прежнему рассматривается как единое целое, основанная только на прямом цикле Карно.

В результате, эти два подхода приводят к расходящимся выводам. Столкновение теорий — не бедствие, а благо, ибо открывает новые перспективы. В своей работе С. Карно, является существование двух способов реализации термодинамических циклов: Динамическому бестопливному циклу из-за его важности определено собственное название: Цикл КЦК, состоящий из прямого и обратного циклов Карно, используется для доказательства 1-й теоремы Карно. Предложенные тепловые машины Карно, варианты их сопряжения и энергетические балансы: Анализ композитного цикла показывает: Запуск любой машины, приводит к реакции сопряженной машины.

Выполняется третий закон Ньютона: Закон отражает принцип парного взаимодействия. Этот принцип будет изложен ниже в формулировках Ландау [9] и Рейфа [24]. При подводе к нему теплоты, он превращает её в эксергию.

Вечное движение материи заключается в фазовых переходах одного вида энергии в. Композитный цикл Карно является моделью вечного теплового движения. Этот цикл отвечает принципам синергетики: Его анализ доказывает двойную адекватность термодинамики и механики.

Принцип монотонного роста энтропии неубывания энтропии опровергается, хотя прямой цикл Карно присутствует в композитном цикле. Композитный цикл был выбран Клаузиусом для доказательства 1-й теоремы Карно. На этом работа с ним была прекращена. А ведь на нём можно было построить альтернативную термодинамику.

Поэтому выбор прямого цикла Карно, Клаузиусом и Кельвином, в качестве базового цикла для описания законов движения в термодинамике представляется не адекватным, а субъективным. В середине ХХ века композитный цикл исследовал Р. Предположим, что у нас есть три машины и три температуры Т1, Т2 и Т3. Одна машина поглощает тепло Q1 при температуре T1, производит работу А12 и отдает тепло Q3 при температуре Т3 фиг.

Эту задачу решает статистическая физика. По-видимому, наиболее доступным вариантом введения энтропии в школьном курсе является тот, который рассмотрен в теоретической части курса и следует из обобщения утверждений теоремы Карно для произвольного цикла. Вводя понятие энтропии, следует проводить аналогию с введением понятия внутренней энергии при формулировке первого начала термодинамики. Введению энтропии должно предшествовать введение понятия приведенной теплоты.

Далее следует отметить, что при равновесном переходе системы из одного состояния в другое приведенная теплота не зависит от пути перехода, а сумма проведенных количеств теплоты системы, совершающей круговой процесс, равна нулю.

Это значит, что приведенная теплота равна изменению некоторого свойства системы, которое и было названо энтропией. В школьной аудитории вывод о возрастании энтропии при необратимых процессах проще всего сделать при рассмотрении конкретного необратимого процесса. Рассмотрим, например, теплообмен между двумя различно нагретыми телами с температурами. Изменение энтропии более нагретого тела равноменее нагретого. Изменение энтропии системы в целом равно алгебраической сумме изменений энтропии каждого тела: В результате теплообмена между различно нагретыми телами энтропия системы возрастаетто.

Таким образом, энтропия вводится вторым началом. Зоммерфельда оно звучит так: Энтропия вычисляется следующим образом. Система переводится из произвольно выбранного начального состояния в соответствующее конечное состояние через последовательность состояний равновесия, вычисляются все подводимые при этом порции теплоты, делятся каждая на соответствующую ей абсолютную температуру, и все полученные таким образом значения суммируются.

При реальных процессах энтропия замкнутой системы возрастает". Итак, термодинамика вводит энтропию формально, не вскрывая ее физического смысла и не устанавливая связи с внутренними молекулярными свойствами системы. Только статистическая физика, изучая тепловые явления на основе представлений о свойствах молекул и закономерностях их движения, вскрывает физический смысл энтропии и природу необратимости, устанавливая связь между энтропией и термодинамической вероятностью.

Наиболее доступным вариантом введения понятия термодинамической вероятности, по-видимому, является рассмотрение конкретного примера о распределении молекул газа по частям сосуда. Этот пример должен убедить учащихся в том, что равномерное распределение молекул реализуется наибольшим числом способов.

На основании рассмотренного примера следует сделать вывод, что термодинамическая вероятность состояния - это число способов число микросостоянийс помощью которых можно реализовать данное макросостояние. Термодинамика утверждает, что любая система, будучи предоставлена сама себе, приходит в состояние равновесия, в котором энтропия системы достигает своего максимального значения.

Физически это означает, что в состоянии равновесия система обладает максимально возможным числом микросостояний, с помощью которых реализуется данное макросостояние. Таким образом, равновесное состояние системы является наиболее вероятным. Освещение проблемы необратимости в молекулярно-кинетической теории основано на использовании статистического метода, применимого для описания поведения системы многих частиц.

Решение проблемы необратимости было предложено Больцманом на основе расчета вероятности состояний. Проведенные расчеты показали, что процессы, обратные теплопроводности, диффузии, свободному расширению газа оказываются не абсолютно невозможными, но чрезвычайно маловероятными. При этом очень важно подчеркнуть, что статистические закономерности проявляются лишь в массовых событиях для систем, содержащих очень большое число частиц.

В заключение следует отметить еще одно важное обстоятельство, а именно, правомерность применения законов термодинамики к Вселенной в целом. Оказывается, что рассматривать Вселенную как термодинамическую систему нельзя, поскольку она расширяется и вследствие этого не находится в стационарном состоянии. Кроме того, одним из признаков термодинамической системы является аддитивность некоторых ее характеристик, например, энергии.

Исследования последнего времени показали, что этим признаком Вселенная не обладает. Хорошо известно, что глубокому усвоению теоретического материала способствует решение конкретных задач по изучаемому разделу курса.