11.Первый закон термодинамики для замкнутого пространства.

Закон сохранения энергии. Первый за­кон термодинамики — частный случай закона сохранения энергии в приме­нении к изучаемой термодинамической системе. Первый закон утверж­дает возможность и необходимость вза­имного преобразования форм движе­ния, устанавливает эквивалентность различных форм движения материи. Энергия как единая количественная ме­ра различных форм движения сохра­няется при любом взаимодействии. Для изолированной системы dU=0, т.е. U=const. Внутренняя энергия изолированной си­стемы остается постоянной.

В общем случае рассмотрим систему, которая находится в сложном взаимо­действии со средой. Пусть п — число видов взаимодействия (механическое, термическое, электрическое, магнитное и т, п.). Если обозначить количествен­ную меру k-го взаимодействия через , то изменение внутренней энергии Изменение внутренней энергии системы равно сумме количеств воздействия различного рода.

Термомеханическая система. Для бес­конечно малого изменения состояния термомеханической системы, которая участвует только в термическом и ме­ханическом взаимодействии со средой и находится в неподвижном состоянии du=dq-dl, где dq и dl - элементарные удельные количества теплоты и механическая работа. Изменение внутренней энергии системы равно алгебраической сум­ме сообщенного системе количества теплоты и совершенной ею механиче­ской работы.

Поскольку алгебраическая сумма работы и теплоты не зависит от пути процесса, дифференциал du является полным дифференциалом. dq=du+pdv Сообщаемая рабочему телу тепло­та идет на изменение внутренней энергии и на совершение рабочим телом работы расширения.

dq=dh-vdp Алгебраическая сумма приращения энтальпии системы и полезной внеш­ней работы равна количеству сооб­щенной рабочему телу теплоты.

В изобарном процессе вся теплота, сообщаемая системе, идет на измене­ние энтальпии системы.

Рассмотрим замкнутый круговой процесс (цикл), в результате которого система возвращается в первоначаль­ное состояние. Изменение внутренней энергии системы в результате кругового процесса . Внутренняя энергия рабочего тела е замкнутом круговом процессе (цик­ле) не изменяется Предположим, что система и среда находятся только в термическом и механическом взаимодействии. Обмен энергией между систе­мой и средой происходит и в форме теплоты, и механической работы. Количество теплоты, полезно ис­пользованной в цикле, эквивалентно работе, совершенной рабочим телом за цикл. Результатом замкнутых круговых процессов или циклов является взаим­ное преобразование теплоты и работы в эквивалентных количествах. Дви­гатель, производящий энергию из ни­чего, нереализуем. Такой тепловой дви­гатель получил название вечного двига­теля первого рода. Одна из формулировок первого закона термодинамики: вечный двигатель первого рода невозможен.

12.Второй закон термодинамики. Обратимые и необратимые процессы.

Второй закон характеризует процессы с качественной стороны, устанавливает возможность осуществления термоди­намических процессов, определяет условия взаимного преобразования теплоты работы. Он основан на факте, что теплота в самопроизвольном процессе переходит от горячих тел к холодным. Это положение формулируется известным постулатом Р. Клаузиуса. Опыт показал, что все реальные са­мопроизвольные процессы протекают в направлении от более высокого потен­циала к более низкому, причем систе­ма стремится прийти в состояние тер­модинамического равновесия с окружа­ющей средой.

Второй закон ут­верждает, что все реальные самопроиз­вольные процессы являются необрати­мыми. Необратимые процессы в изо­лированной системе протекают таким образом, что энтропия системы всегда возрастает (ds>0).

Все процессы, протекающие с тре­нием, являются необратимыми. Работа, затраченная системой на преодоление сил трения, необратимо преобразуется в теплоту, которая самопроизвольно распределяется между взаимодейст­вующими телами. Происходит рассеивание (диссипация) энергии в окружающем пространстве. В конечном итоге это приводит к тому, что система приходит в новое равновесие с окру­жающей средой. Из этого состояния она может выйти только при наличии внешних воздействий. Обратный само­произвольный процесс непосредствен­ного преобразования теплоты в механи­ческую работу невозможен.

Процесс теплообмена между телами, протекающий при конечной разности их температур, является неравновесным и необратимым.

М. Планк предложил следующую формулировку второго закона термоди­намики: невозможно построить перио­дически действующую машину, все дей­ствия которой сводились бы к подня­тию некоторого груза и охлаждению теплового источника. Здесь под перио­дически действующей машиной пони­мается двигатель, который непрерывно преобразует теплоту в механическую работу.

Из формулировки второго закона термодинамики В. Томсона следует, что не вся теплота, полученная от тепло-отдатчика (горячего источника), может быть преобразована в работу, а только некоторая ее часть. Остальная теплота должна перейти в теплоприемник (хо­лодильник).

В тепловых двигателях нельзя пре­образовать в работу всю теплоту, по­лученную системой от теплоотдатчика. Это означает, что нельзя построить теп­ловой двигатель, работающий при нали­чии одного только источника теплоты. Такой воображаемый двигатель, кото­рый способен целиком превращать в работу всю теплоту, полученную из окружающей среды, В. Оствальд назвал . вечным двигателем второго рода. Вто­рой закон термодинамики можно за­писать так: вечный двигатель второго рода невозможен.