I закон термодинамики

Термодинамическая система – это система, состоящая из большого числа частиц, взаимодействующих между собой. Системы по характеру обмена веществом и энергией с окружающей средой подразделяются на 3 типа:

а) Изолированная система – это система, которая не обменивается со средой ни веществом, ни энергией (m = 0, U = 0);

б) Закрытая система – это система, которая не обменивается со средой веществом, но может обмениваться энергией (m = 0, U  0);

в) Открытая система – это система, которая может обмениваться со средой как веществом, так и энергией (m  0, U  0).

Для изолированных систем можно было применить наиболее простые расчётные уравнения, которые в некотором приближении подходили к описанию работы двигателей и тепловых машин. Параметры термодинамической системы: объем (V), работа (A), давление (P), температура (T), теплота (Q), внутренняя энергия тела (U).

Энергия – это мера способности системы совершать работу; общая качественная мера движения и взаимодействия материи. Различают потенциальную энергию, обусловленную положением тела в поле некоторых сил, и кинетическую энергию, обусловленную изменением положения тела в пространстве.

Теплота Q – это форма передачи энергии путем неупорядоченного движения молекул (частиц).

Работа А - это форма передачи энергии путем упорядоченного движения молекул (частиц).

Внутренняя энергия U системы представляет собой сумму энергий теплового движения молекул и энергии взаимодействия между ними. Абсолютную величину внутренней энергии определить невозможно (в этом нет практической необходимости), так на практике имеет место только изменение энергии при переходе системы из одного состояния к другому. Поэтому можно судить лишь об изменении внутренней энергии системы по количеству энергии, отдаваемой или принимаемой системой от окружающей среды. При этом объем системы должен оставаться неизменным. Обмен энергии может осуществляться передачей теплоты или совершением работы.

Первый закон термодинамики имеет несколько формулировок, но все они выражают одну идею:

Неуничтожимость и эквивалентность различных видов энергии при их взаимных переходах;

В изолированной системе сумма всех видов энергии есть величина постоянная.

Из этого закона вытекает: Невозможно получить работу без затрат энергии, то есть, невозможен вечный двигатель I рода. Универсальный закон природы, справедливый для живых и неживых объектов.

При скоростях близких к скорости света закон сохранения энергии не работает.

II Закон термодинамики

Большинство реакций, которые проходят самопроизвольно, сопровождаются выделением тепла, т.е уменьшением энтальпии.

Процесс называется самопроизвольным, если он осуществляется без каких-либо воздействий, когда система предоставлена самой себе.

Около 95% всех неорганических веществ образуется при стандартных условиях и температуре с выделением тепла и уменьшением энтальпии, т.е. эти вещества обладают меньшим запасом энергии по сравнению с простыми веществами, из которых они образуются.

Однако, известно много случаев самопроизвольного протекания процессов, при которых тепло поглощается, н-р:

• растворение нитратов в воде;

- получение водяного газа С_к + Н₂О _г = СО _г + Н_{2 г} . Процесс смешения двух газов протекает самопроизвольно без изменения энергии. Обратный процесс - разделение СО и Н₂ – самопроизвольно не идет и требует затрат энергии. Следовательно, сведений об энергетических изменениях в системе недостаточно для предсказания направления и самопроизвольности реакции.

Исторически существует несколько формулировок II закона термодинамики, но все они выражают существование само- и несамопроизвольных процессов и различие между ними, н-р:

Теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому;

Невозможен вечный двигатель II рода, т.е. машины, которая позволяла бы получать работу только за счёт охлаждения источника теплоты. Обязательно КПД < 100%.

Обратить внимание! Если процесс не может протекать самопроизвольно, он может протекать при определенных условиях с компенсацией, н-р переход от менее нагретого тела к более нагретому телу протекает при работе домашних холодильников только с затратой электрической энергии.

В изолированной системе критерием, указывающим направление течения процесса, является функция состояния системы, которая называется энтропией (ввел Р. Клаузиус, 1865 г) и обозначается S.

Энтропия, S – количественная мера неупорядоченности (хаотичности) частиц в системе.

С точки зрения классической термодинамики Энтропия представляет собой функцию состояния, изменение которой S равно теплоте Q, подведенной к системе в обратимом изотермическом процессе, деленной на абсолютную температуру Т (К), при которой осуществляется процесс:

S =

Размерность энтропии (СИ) – .

Любой самопроизвольный процесс может протекать в изолированной системе лишь в случае увеличения энтропии системы; в равновесии энтропия системы максимальна и постоянна:

S  0

(Формулировка 2-го закона термодинамики).

Концепции космологии

Космология – это наука о свойствах и эволюции Вселенной.

Вселенная – это совокупность всех форм материи и наблюдаемых явлений.

Метагалактика – это часть Вселенной, которая доступна нашим наблюдениям. Расширение границ идёт за счет усовершенствования приборов. Сужающая часть – это время прихода света от отдалённых частей.

Галактика (Туманность) – это скопление звезд и планет. Есть гигантские галактики, включающие 10¹³-10¹⁵ звезд.

Четыре эры развития Вселенной:

1. Адронная (τ = 10^-4 с). Эта эра образования тяжелых частиц (барионов, или адронов) из кварков. Вселенная состояла из барионов и антибарионов, происходили реакции аннигиляции. Потом стали распадаться на нейтроны и протоны (их больше). Эти протоны существуют до сих пор, положительный барионный заряд – тоже.

2. Лептонная (τ = 0,2 с). Лептонная – эра лёгких частиц (электронов, фотонов, позитронов). Реликтовое нейтрино (ν) образовали в эту эру, но обнаружить их пока не удалось. В конце лептонной эры протонов и нейтронов стало примерно одинаковое количество.

3. Фотонная эра, или эра излучения (τ = 1 млн. лет). Энергия фотонов уменьшается по сравнению с первыми двумя эрами, длина волны увеличиваются, и они переходят в рентгеновское и ультрафиолетовое излучение. В фотонную эру вещество отделяется от антивещества, и фотоны отделились от вещества в виде различных электромагнитных излучений (ЭМИ) – рентгеновского, ультрафиолетового (УФ), светового, инфракрасного… Вселенная становится прозрачной для излучения, появляется свет. В этой же эре произошел первичный нуклеосинтез. Начинают образовываться ядра:

4. Звездная (продолжается до сих пор) Звездная эра начинается после фотонной с появлением атомов H и He.

Происхождение и эволюция солнечной системы и Земли

            По современным представлениям Солнце (как звезда) образовалось значительно раньше, чем планеты, примерно 5 миллиардов лет назад из газопылевой туманности (1500⁰С) звезды первого поколения.

            Механизм образования планетной системы включает не только гравитацию, но и электромагнитные силы и плазменные процессы. Молодое Солнце, поскольку оно образовалось из очень горячей туманности, доходило почти до орбиты Меркурия и имело огромную корону: протуберанцы доходили до орбиты Плутона, и токи там были в сотни миллионов Ампер.

            Гипотеза Шмидта (1922 г, русс.) – Солнце, возможно, захватило часть другой туманности или что-либо еще. На это указывает дифференциация по химическому составу в трех «дисках» вокруг Солнца: более тяжёлые элементы ближе к Солнцу (планеты земной группы), далее легкие – Сатурн и Юпитер, еще дальше – совсем другие, не похожие ни на что планеты. Первыми образовались планеты земной группы, а через несколько сотен миллионов лет – Сатурн и Юпитер. Круговая скорость Солнца – 2 км/с. Суммарная масса всех планет составляет 1/700 массы Солнца.

Происхождение Земли

            К Солнцу магнитным полем были притянуты огромные массы железа и азота. Сутки были заметно короче, но с увеличением массы вращение замедляется. В самой Земле из-за вращения шло распределение химических элементов: более тяжёлые – в мантии и ядре, более легкие – в земной коре, а самые лёгкие образовали гидросферу и атмосферу. По исследованиям грунта радиолокационными методами возраст земли составляет 4,55 миллиардов лет (4550 ± 50 млн. лет). Земля стала разогреваться за счет вулканической деятельности, первопричиной которой является естественная радиоактивность (Процесс радиоактивного разогрева). За год Земля теряет 7,94·10²⁰ Дж энергии, но это намного меньше тепла, выделяющегося при радиоактивном распаде в недрах Земли. Первичная атмосфера Земли образовалась из-за вулканической деятельности и была восстановительной: CO₂, NH₃, HCN, CH₄. Резкое качественное изменение атмосферы Земли произошло около 2 миллиардов лет назад – появился кислород, так как произошло зарождение жизни: микроорганизмы стали, фотосинтезируя, производить его. За последние 200 миллионов лет состав атмосферы практически не изменился (воздух: N₂ ≈ 78%; O₂≈21%; инертные газы ≈ 0,98% (Ar ≈ 0,9%); CO₂ ≈ 0,032%).

            По одной из теорий, Земля на определенной стадии захватила очень много льда, в частности, из хвостов комет и, возможно, Нептун, Плутон и Уран, закручиваясь, выбрасывали огромные глыбы льда.

            Спектральный анализ химического состава Солнца, планет солнечной системы, метеоритов и астероидов, показал, что все они имеют единое происхождение.

            Все тела солнечной системы построены в основном из небольшого числа химических элементов. После 28-го элемента таблицы Менделеева распространенность резко падает.

27