Первый закон термодинамики

Большой интерес представляет проблема: а как выглядит выражение закона сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Для изучения таких процессов существует термодинамический метод, который не учитывает внутреннее строение веществ тел (систем), изучаются, и характер движения отдельных частиц. Термодинамический метод базируется только на изучении различных преобразований энергии, происходящих в системе. Условия этих преобразований и соотношение между различными видами энергии позволяют изучать физические свойства исследуемых систем в самых процессах, в которых эти системы участвуют. Раздел физики, в котором физические свойства систем изучаются с помощью термодинамического метода, называется термодинамикой.

Термодинамика изучает макроскопические процессы в телах, то есть такие явления, которые связаны с колоссальным количеством атомов и молекул, содержащихся в телах.

Термодинамика, или общая теория теплоты, является аксиоматической наукой. Она не вводит никаких специальных гипотез и конкретных представлений о строении вещества и физической природе теплоты. ее выводы основываются на общих принципах или началах, что является обобщением опытных фактов. Она рассматривает теплоту как вид какого-то внутреннего движения, но не пытается конкретизировать, что это за движение.

Термодинамика является одной из важнейших частей физики. ее выводы достоверные настолько, насколько достоверны аксиомы, на которых она построена. Эти выводы используются во всех разделах макроскопической физики: гидродинамики, теории упругости, аэродинамике, учении об электрических и магнитных явлениях, оптике и т.д.

Термодинамика возникла в первой половине XIX века как теоретическая основа теплотехники, что начала развиваться в то время. ее первоначальным заданием было изучение закономерностей преобразования теплоты в механическую работу в тепловых двигателях и исследования условий, при которых такое преобразование является наиболее оптимальным. Именно такую цель поставил перед собой французский инженер и физик Сади Карно (1796-1832) в сочинении "О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу" (1824 p.), Где впервые были заложены основы термодинамики, хотя и сохранились старые ошибочные взгляды на теплоту как на некую невесомую вещество - теплород, который нельзя ни создать, ни уничтожить. Позже термодинамика вышла за рамки указанной технической задачи. Центр тяжести переместился на изучение физических вопросов. Основное содержание современной физической термодинамики - изучение закономерностей тепловой формы движения материи и связанных с ней физических явлений. Приложения к тепловых двигателей, холодильных установок и других вопросов теплотехники выделились в самостоятельный раздел, который называется технической термодинамикой.

Тепловая форма движения материи - это хаотическое движение атомов и молекул в макроскопических телах. ее специфичность связана с колоссальным количеством атомов и молекул во всяком макроскопическом теле. Так, в одном кубическом метре воздуха при нормальных условиях содержится около 2,7 • 1 025 молекул.

В процессе теплового движения молекулы сталкиваются между собой и со стенками сосуда, в который помещено систему. Столкновение сопровождаются резкими изменениями модуля и направления скоростей молекул. В результате в системе возникает вполне беспорядочное движение, в котором с одинаковой вероятностью можно обнаружить все направления скоростей молекул, а сами скорости изменяются в широких пределах от очень малых до очень больших значений.

Средняя скорость теплового движения газовых молекул очень велика. Для молекул воздуха она составляет при комнатной температуре около 500 м / с и с повышением температуры возрастает. Столкновения между молекулами газа происходят чрезвычайно часто. Например, молекула воздуха при плотности успевает в среднем пройти всего около 10 ~ 4 мм от одного столкновения к следующему. Зная среднюю скорость молекулы, нетрудно подсчитать, что при нормальной температуре и плотности молекула воздуха за одну секунду испытывает к 5000 столкновений, причем число столкновений возрастает с увеличением температуры и плотности газа. Кроме поступательного движения, происходит беспорядочное вращение молекул, а также внутренние колебания атомов, из которых они состоят. Все это создает картину чрезвычайно хаотического состояния, в котором находится совокупность огромного количества молекул газов, а также жидких и твердых тел. Такова природа теплоты с точки зрения молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Для того, чтобы охарактеризовать различную степень нагритости тел, в термодинамике вводится понятие температуры.

Представление о температуре, как и представление о силе, вошло в науку посредством нашего чувственного восприятия. Наши ощущения позволяют различать качественные градации нагритости: теплый, холодный, горячий и др. Однако количественная мера степени нагритости, пригодна для науки, не может быть установлена с помощью чувственного восприятия. Ощущения субъективны. В зависимости от состояния руки то же тело на ощупь может показаться или теплым, или холодным. Окунем, например, одну руку в горячую, а другую в холодную воду и подержим их там в течение некоторого времени. Затем обе руки опустим в воду с комнатной температурой. Тогда первая рука почувствует холод, а вторая тепло.

Количественное определение температуры и построение точной температурной шкалы должны основываться на объективных физических явлениях и фактах, свободных от субъективизма чувственного восприятия. Трактовать понятие температуры можно с разных точек зрения. В феноменологическом учении о теплоте температура вводится через понятие тепловой или термической, равновесия. Более общим является понятие термодинамического равновесия. А потому, так и другому понятию трудно дать логическое визначеннюя К ним приходят в результате рассмотрения конкретных примеров и последующего обобщения.

Если два тела, температуры которых при оценке с помощью наших органов чувств значительно отличаются между собой, привести к столкновению друг с другом (например, раскаленный металл и холодную воду), то, как показывает опыт, одно тело будет нагреваться, а другое охлаждаться, пока в системе не прекратятся любые макроскопические изменения.

Тогда, применяя терминологию, заимствованную из механики, говорят, что эти два тела находятся в состоянии термодинамического равновесия друг с другом и имеют одинаковые температуры. Термодинамическое равновесие, как показывает опыт, в конце концов наступает не только в случае столкновения двух, но и в случае столкновения сколько угодно тел.

Отмеченные факты допускают обобщения. Назовем изолированной или замкнутой, системой систему тел, которые не могут обмениваться энергией с окружающими телами. Тогда, каким бы ни был исходное состояние тел изолированной системы, в ней, в конце концов, установится термодинамическое равновесие, в которой прекратятся все макроскопические процессы. Это положение играет важную роль в термодинамике и является одним из важнейших постулатов, который иногда называют общим началом термодинамики.

Приведем еще несколько примеров относительно установления термодинамического равновесия. Предположим, что твердую оболочку, которая не проводит тепло, разделены перегородкой, которая тоже является теплонепровидною, на две части. В одной из частей находится жидкость, в другой создан вакуум. Быстро удалим перегородку. Жидкость закипит. В пространстве, ограниченном оболочкой, возникает сложное движение жидкости и ее пара. Но, в конце концов, он, а также дальнейшее парообразования жидкости прекратятся. Получим или только одну пару (если жидкости сначала было мало), или систему, состоящую из жидкости и насыщенного пара. В обоих случаях конечное состояние является состоянием термодинамического равновесия. Это не состояние абсолютного покоя, в котором прекращаются все без исключения процессы. Если рассматривать это состояние с молекулярной точки зрения, то ему присущ непрерывный и интенсивный обмен молекулами между жидкостью и паром. Это означает, что непрерывно происходит процесс парообразования жидкости и обратный к нему процесс конденсации пара в жидкость. Однако в состоянии термодинамического равновесия эти два процесса в целом как бы взаимно компенсируют себя: среднее количество молекул, испаряющихся, равна среднему количеству молекул, возвращающихся из пары обратно в жидкость. Термодинамическое равновесие, таким образом, - это такая динамическое равновесие, когда очень интенсивно происходят процессы молекулярного масштаба, но все макроскопические процессы прекращаются. Это касается любой термодинамического равновесия, а не только равновесия, рассмотренной в приведенном примере.

Если в стакан с водой бросить кусок сахара, то начальное состояние системы будет термодинамически неравновесным - сахар начнет растворятся в жидкости. Однако через некоторое время, когда процесс растворения прекратится, установится термодинамически равновесное состояние; мы будем иметь или однородный раствор, или неоднородную систему, состоящую из куска сахара и насыщенного раствора вокруг него. В последнем случае динамический характер равновесного состояния проявляется в том, что процесс растворения сахара, если его рассматривать с молекулярной точки зрения, никогда не прекращается. Однако в состоянии равновесия он компенсируется обратным процессом кристаллизации сахара из раствора.

Таким образом, по определению, два тела находятся в тепловом равновесии друг с другом или имеют одинаковые температуры, если в случае теплового контакта между ними равновесие не нарушается.

Температура - одна из величин, зависящих только от внутреннего состояния тела.

Ниже на основе второго закона термодинамики будет показано, как определяется температурная шкала, не зависит от свойств тела, выбранного для вимирюванг ния температуры.

Абсолютная температура пропорциональна средней кинетической энергии поступательного движения молекул вещества. Именно в этом заключается физический смысл температуры.

Температура является термодинамическим параметром, или параметром состояния системы. Кроме температуры, термодинамическими параметрами системы является давление р и объем системы V.

Параметры состояния p, V, Т системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, не являются независимыми. Опытным путем можно получить функциональную зависимость равновесного давления р в системе от объема и температуры

то есть получить уравнения состояния системы.

Если один из параметров системы изменяется, то происходит изменение состояния термодинамической системы; это изменение состояния получила название термодинамического процесса

Изопроцессам называются термодинамические процессы, происходящие в системе с постоянной массой при каком-либо одном постоянном параметре состояния.

Изотермический процесс происходит при условии постоянной температуры (T- const).

Изохорный (изохорный) процесс при условии постоянного объема (V = const).

Изобарный (изобарный) процесс протекает при условии постоянного давления (р = const).

Адиабатный (адиабатическим) процессом называется термодинамический процесс, происходящий в системе без теплообмена с внешними телами.

Состояние системы можно описать с помощью физических величин, которые называются функциями состояния. Изменения функций состояния при термодинамических процессах не зависят от вида этих процессов. Функции состояния однозначно определяются значениями параметров начального и конечного состояний системы. Простейшими функциями состояния системы является ее внутренняя энергия U и энтропия S.

Наиболее простой вид имеет уравнение состояния идеального газа. Идеальным газом называется газ, обладающий энергия- потенциального взаимодействия между молекулами настолько мала, что ею можно пренебречь, а сами молекулы занимают столь малый объем по сравнению с объемом газа, его можно не принимать во внимание. В идеальном газе молекулы взаимодействуют только при столкновениях. В реальных газов (сильно сжатых газов) молекулы испытывают силы межмолекулярного взаимодействия. Газы, находящиеся в условиях давлений, близких к атмосферному, можно считать идеальными газами.

Для идеального газа уравнение состояния принимает форму, получившая название уравнение Менделеева-Клапейрона:

где - масса газа,

- Молярная масса газа,

R - универсальная газовая постоянная ().

Произвольная термодинамическая система, находящаяся в каком угодно термодинамическом состоянии, имеет полную энергию, состоит из кинетической энергии механического движения системы как целого; потенциальной энергии системы во внешних силовых полях (например, электромагнитном, гравитационном) внутренней энергии U.

Внутренней энергией термодинамической системы называется энергия, которая зависит только от термодинамического состояния системы. Для неподвижной системы, не подвержена действию внешних силовых полей, внутренняя энергия совпадает с полной энергией. Внутренняя энергия включает в себя энергию всех видов внутренних движений в системе и энергию взаимодействия всех частиц (атомов, молекул, ионов и т.д.), которые входят в систему.

Например, внутренняя энергия газа многоатомных молекул состоит из: а) кинетической энергии теплового поступательного и вращательного движения молекул; б) кинетической и потенциальной энергии колебаний атомов в молекулах; в) потенциальной энергии, обусловленной межмолекулярными взаимодействиями; г) энергии электронных оболочек атомов и ионов; д) кинетической энергии и потенциальной энергии взаимодействия протонов и нейтронов в ядрах атомов.

Слагаемые г) и д) обычно не меняются в процессах, происходящих при не очень высоких температурах, когда ионизация и возбуждения не играют существенной роли. В этих условиях слагаемые г) и д) не учитываются в балансе внутренней энергии. Для идеального газа не учитывается также слагаемое в).

Внутренняя энергия является однозначной функцией термодинамического состояния системы. Значение внутренней энергии в любом состоянии не зависит от того, с помощью которого процесса система достигла данного состояния. Изменение внутренней энергии при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 равна

и не зависит от вида процесса перехода 1 - "2. Если система находится в состоянии циклического процесса, то полное изменение ее внутренней энергии равна нулю.

Выше отмечалось, что обмен энергией между термодинамической системой и внешними телами происходит двумя путями: либо в случае осуществления работы, или путем теплообмена. Количество энергии, которую внешние тела передали системе при силовой взаимодействия между ними, называется работой А выполненной над системой. Количество энергии, которую внешние тела передали системе путем теплообмена, называется количеством теплоты Q, предоставленной системе.

Обмен энергией между неподвижной системой и внешней средой путем выполнения работы может происходить только при изменении объема и формы системы. Когда идеальном газа предоставляется какое-то количество теплоты, то газ может выполнить работу против внешнего давления.

Таким образом, увеличение внутренней энергии системы должно равняться сумме выполненной над системой работы А 'и количества предоставленного системе тепла Q:

Конечно вместо работы А ', выполненной внешними телами над системой, рассматривают работу А (что равно -), которую выполняет система над внешними телами. Тогда

Это уравнение выражает закон сохранения энергии и представляет собой содержание первого закона (начала) термодинамики. Словами его можно выразить следующим образом: тепло, предоставляемой системе, расходуется на увеличение внутренней энергии системы и на выполнение системой работы над внешними телами.

Рассмотрим, как записывается первый закон термодинамики для различных процессов в идеальном газе.

При изотермическом процессе изменение температуры не происходит и, следовательно, внутренняя энергия системы не изменяется (AU = 0). Тогда первый закон термодинамики имеет вид:

то есть все подведено тепло переходит в работу газа над внешними телами.

При изохорном процессе объем газа не меняется и поэтому работа газ не выполняет:

При изобарном процессе происходит увеличение внутренней энергии и выполняется работа ():

И, наконец, в адиабатическом процессе Q = 0, то есть

Можно дать еще одна формулировка первого закона термодинамики: вечный двигатель первого рода невозможен. Вечным двигателем первого рода называется такая периодическая работающая машина, которая производит работы, чем подведена к ней количество теплоты ..;

Таким образом, с вышерассмотренного можно сформулировать следующие выводы. Энергия - единственная мера различных форм движения материи.

Механическая энергия и тепловая энергия - это только две из многих форм энергии.

Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому в форме работы и в форме теплообмена. При этом макроскопическое тело рассматривается как совокупность огромного количества микрочастиц. Изменение энергии тела, совершенное первым способом, называют работой, выполненной над этим телом. Передача энергии в форме работы осуществляется в процессе силового взаимодействия тел и всегда сопровождается макроперемищенням.

Передача энергии путем теплообмена между телами обусловлена разницей температур этих тел.

Невозможен вечный двигатель первого рода. Это одна из формулировок первого закона термодинамики.

Всеми явлениями природы руководит закон сохранения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает никуда; количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >