Термодинамика.

Вспомним определение термодинамики. 

Приведем два определения:

1. Термодинамика (греч. θέρμη — «тепло», δύναμις — «сила») — раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах. 

2. Термодинамика – это наука о тепловых явлениях. ... Термодинамика рассматривает изолированные системы тел, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. 

Сравните определения. Какое, на Ваш взгляд, наиболее рациональное?

Немного истории развития термодинамики:

В развитии термодинамики в XIX веке ученые выделяют три периода, каждый из которых имел свои отличительные свойства:

Первый период. Этот этап в становлении термодинамики напрямую связан с именем Карно, который в 1824 году в работе "Размышления о движущей и нестабильной силе огня" по существу сформулировал первое и второе термодинамические начала.

Второй период приблизительно продолжился до середины XIX столетия и выделяется научными трудами выдающихся физиков Европы таких, как англичанин Дж. Джоуль, немецкий исследователь Готлиб, известный под псевдонимом Р. Клаузиус и У. Томсон. Этих же идей и теорий в конце XVIII веке придерживался русский исследователь М.В. Ломоносов.

Третье поколение термодинамики открывает известный австрийский ученый и член Санкт-Петербургской Академии Наук Людвиг Больцман, которые с помощью многочисленных экспериментов установили взаимосвязь механической и тепловой формы движения, доказав, что в основе теплоты в первую очередь лежит механическое движение молекул и атомов.

Далее развитие термодинамики не стояло на месте, а продвигалось ускоренными темпами. Так, американец Гиббс создал в 1897 году химическую термодинамику, то есть сделал физическую химию абсолютно дедуктивной наукой. Этот изобретатель ввел в науку понятие свободной энергии, демонстрирующей, какое количество внутренней энергии возможно получить в результате действия химической реакции. Немецкий естествоиспытатель, Герман Гельмгольц связал также свои опыты с оптикой, электродинамикой, теплотой и гидродинамикой.

Нулевой закон термодинамики.

Одной из интерпретаций нулевого закона термодинамики является:

Замкнутая термодинамическая система с течением времени приходит в равновесное состояние, в котором температура всех макроскопических частей системы одинакова.

1. Как Вы это понимаете?

2. Приведите примеры из бытовой деятельности, где проявляется нулевой закон термодинамики.

3. Чем обусловлено существование этого закона?

4. На картинке дана еще одна интерпретация нулевого закона. Как она связано с первым его вариантом?

Первый закон термодинамики.

Мы уже рассматривали решение задач с применением этого закона. Давайте закрепим результат и повторим некоторые аспекты решения задач такого типа.

Задача № 1. Какое количество теплоты потребуется, чтобы изобарно увеличить температуру 2 моль идеального газа с 20 до 120 °С?

Задача № 2. При изобарном охлаждении 4 моль идеального газа его температура уменьшилась с 250 до 0 °С. Какую работу совершил газ? Какое количество теплоты было отдано холодильнику?

Необратимость процессов.

Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых ее превращениях остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие энергетические превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, никогда не протекают в действительности.

Примеры необратимых процессов. Нагретые тела постепенно остывают, передавая твою энергию более холодным окружающим телам. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, но такой процесс никогда не наблюдался.Общее заключение о необратимости процессов в природе. Переход теплоты от горячего тела к холодному и механической энергии во внутреннюю – это примеры наиболее типичных необратимых процессов. Число подобных примеров можно увеличить практически неограниченно. Все они говорят о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики. Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них старение и смерть организмов.

Точная формулировка понятия необратимого процесса. Для правильного понимания существа необратимости процессов необходимо сделать следующее уточнение. Необратимым называется такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Так, можно вновь увеличить размах колебаний маятника, подтолкнув его рукой. Но это увеличение возникает не само собой, а становится возможным в результате более сложного процесса, включающего движение руки.

Можно в принципе перевести теплоту от холодного тела к горячему. Но для этого нужна холодильная установка, потребляющая энергию.

Кино «наоборот». Яркой иллюстрацией необратимости явлений в природе служит просмотр кинофильма в обратном направлении. Например, прыжок в воду будет при этом выглядеть следующим образом. Спокойная вода в бассейне начинает бурлить, появляются ноги, стремительно движущиеся вверх, а затем и весь ныряльщик. Поверхность воды быстро успокаивается. Постепенно скорость ныряльщика уменьшается, и вот уже он спокойно стоит на вышке. То, что мы видим на экране, могло бы происходить в действительности, если бы процессы можно было обратить. «Нелепость» происходящего проистекает из того, что мы привыкли к определенной направленности процессов и не сомневаемся в невозможности их обратного течения. А ведь такой процесс, как вознесение ныряльщика на вышку из воды, не противоречит ни закону сохранения энергии, ни законам механики, ни вообще каким-либо законам, кроме второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики.

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Он был установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.

Есть несколько формулировок второго закона, которые, несмотря на внешнее различие, выражают, в сущности, одно и то же и поэтому равноценны.

Немецкий ученый Р. Клаузиус сформулировал этот закон так: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.

Есть формулировка проще: КПД любого процесса не сто процентов. Не может существовать процесса с КПД = 100 %.

Здесь констатируется опытный факт определенной направленности теплопередачи: теплота сама собой переходит всегда от горячих тел к холодным. Правда, в холодильных установках осуществляется теплопередача от холодного тела к более теплому, но эта передача связана с «другими изменениями в окружающих телах»: охлаждение достигается за счет работы.

Важность этого закона состоит в том, что из него можно вывести заключение о необратимости не только процесса тепло- передачи, но и других процессов в природе. Если бы теплота в каких либо случаях могла самопроизвольно передаваться от холодных тел к горячим, то это позволило бы сделать обратимыми и другие процессы. В частности, позволило бы создать двигатели, полностью превращающие внутреннюю энергию в механическую.


Желающие могут составить презентацию на темы:

1. Роль термодинамики в жизни биологических организмов.

2. Эволюция Вселенной с точки зрения термодинамики.

3. Влияние развития термодинамики  на промышленность. 

Задание для практического занятия. Номер задания: ПР150410 

1. Как изменится внутренняя энергия 5 молей одноатомного идеального  газа при уменьшении его температуры на 150 К? ( R=8,31 Дж/моль*К)

 2. При изобарном нагревании некоторой массы кислорода О2 на 250 К совершена работа 35 кДж по увеличению его объема. Определить массу кислорода.( R=8,31 Дж/моль*К)

3. В машинное масло массой m1=5 кг при температуре T1=320 К опущена стальная деталь массой m2=0,3 кг при температуре T2=980 К. Какая температура  установилась после теплообмена? (С1=2100 Дж/кг*K, С2=460Дж/кг*К)

4. Двигатель реактивного самолета развивает мощность 3 *104 кВт при скорости 800 км/ч и потребляет 1,5*103 кг керосина на 150 км пути. Определить коэффициент полезного действия двигателя. (q=4.31*107 Дж/кг)

5. При изобарном расширении 16 г водорода его объем увеличился в 1,5 раза. Начальная температура газа 273 К. Определите работу расширения газа, изменение внутренней энергии и количество теплоты, сообщенной этому газу.

Фамилия *:
Имя *:
Класс *:
e-mail *:
№ работы *:
Файл с результатом работы: