§9 Первое начало термодинамики.

ВЭ ТС может изменяться в результате различных процессов: совершения над системой работы и сообщения ей теплоты (поршень вдвигаем в цилиндр или передаем энергию путем теплообмена при тепловом контакте тел с различной температурой).  существует 2 формы передачи энергии: работа и теплота.

Закон сохранения и превращения энергии применительно к термодинамическим процессам называется первым началом термодинамики, установленным в результате обощения многовековых опытных данных.

СМОТРИ РУКОПИСЬ

§12. Обратимые и необратимые процессы.

Равновесеое состояние – состояние с однозначными и неизменными значениями параметров.

Равновесный процесс – совокупность равновесных состояний. (все изопроцессы)

Все процессы, сопровождающиеся переходом части энергии в тепло, необратимы. Это механические процессы с трением, большинство тепловых процессов.

Чисто механические процессы всегда обратимы: если тело соскальзывает с наклонной плоскости без трения и в положении А имеет скорость V, то ударившись внизу об упругую стенку, она начнет двигаться в обратном направлении и в точке А снова будет иметь скорость V, противоположного направления, но такую же по величине. Любое чисто механическое движение больших и малых тел как с малыми, так и с большими скоростями всегда вполне обратимо. Это м.д. исходя из уравнений движения.

При наличии теплового движения наблюдаются, как правило, процессы необратимые: пуля в результате трения о воздух теряет скорость, т.е. происходит превращение механической энергии в тепло (пуля и воздух нагреваются), нельзя «повернуть» процесс так, чтобы рассеянное тепло превратилось опять в энергию механического движения пули. КЭ движения пули как целого будет в результате столкновений молекул влздуха с пулей переходить в добавочную энергию хаотического движения молекул воздуха и пули. Таким механизмом теплопроводности эта энергия постепенно распределится между все большим числом молекул. Обратный переход энергии невозможет, т.е. процесс необратим.

Говоря о необратимости процесса ставится вопрос так: нельзя ли с помощью каких-либо процессов или механизмов добиться того, чтобы участвовавшие в них тела можно было вернуть в исходное состояние без того, чтобы в природе возникли какие-либо другие изменения?

Рас. 2 важнейших типа необратимых процессов: расширение газа в пустоту и теплообмен между 2 телами.

1. Пусть газ находится в обной половине сосуда, а за перегородкой абсолютный вакуум. Если убрать перегородку, то газ в результате хаотичного движения молекул в итоге равномерно займет весь объем. При этом к газу не подводилось тепло (Q=0) и газ не совершал внешней работы (А=0), тогда ВЭ не изменилась и Т=const. Давление упало вдвое. Этот процесс непосредственно не обратим: можно ждать сколь угодно долго и практически не дождаться, чтобы все молекулы газа сами собой собрались в одной половине сосуда. Вернем газ в исходное состояние передвигая 1 стенку как поршень. При этом газ будет оказывать сопротивление и надо будет совершить работу A’ по его сжатию и при этом уменьшить энергию мехаических движений окружающих тел на A’. Поскольку при сжатии газ нагревается, то, чтобы сохранить его первоначальную температуру (вернуть его в исходное состояние), придется отвести от него количество теплоты Q=A’, т.е. увеличить энергию теплового движения каких-то других окружающих тел. Т.о. возвращение газа, расширившегося в пустоту, в исходное состояние сопровождается переходом некоторого количеста энергии механических движений одних окружающих тел в энергию теплового движения других (или тех же самых) внешних тел. Следовательно, процесс раширения газа в пустоту необратим. При возвращении газа с помощью каких-либо машин или механизмлв в исходное состояние, в окружающих телах обязательно останутся какие-то изменения, связанные с превращением некоторого количества механической энергии в тепловую.

2. Пусть от нагретого Т₁ тела к холодному Т₂ перешло Q. Будем с помощью газа возвращать Q от холодного к нагретому. Возьмем газ с T<T₂, тогда к нему перейдет Q. Совершим работу А по сжатию газа до T’>T₁, тогда Q перейдет от газа обратно к нагретому. Однако, чтобы вернуть газ в исходное состояние надо передать нагретому (или окружающим) больше тепла, чем Q на величину А !!! Т.е. снова при возврата нагретого, холодного и газа в исходное состояние в окружающей природе происходят изменения. Следовательно, процесс теплообмена между телами с различной температурой необратим.

Но не любой тепловой процесс в принципе необратим. Рас. 2 важнейших примера обратимых процессов.

3. Адиабатное сжатие (расширение): нет необратимого теплообмена с окружающей средой. Т.е. произведя адиабатное расширение, а затем адиабатное сжатие, можно вернуть газ полностью в исходное состояние без изменений в окружающей среде.

4. Изотермическое расширение (сжатие): ВЭ остается постоянной, а работа совершается за счет теплообмена с окружающей средой A=Q. Но теплообмен необратим! Если же сделать разность температур между расширяющимся газом и резервуаром, из которого черпается тепло, бесконечно малой, то теплообмен будет идти сколь угодно медленно. В пределе бесконечно медленного процесса разность температур обратится в нуль: температура расширяющегося газа будет все время совпадать с температурой резервуара (она стабильна). При отсутствии разности температур газ находится в равновесном состоянии. Тогда медленное расширение – последовательность равыновесных состояний. Процесс, текущий бесконечно медленно и представляющий собой последовательность равновесных состояний, наз. квазистатическим. Квазистатические процессы обратимы.

Т.о. есть обратимые и необратимые процессы. Реальные тепловые процессы всегда необратимы. Очевидно, что должны существовать и общие закономерности, указывающие направленность этих процессов. Эти закономерности связаны с качественными особенностями теплового движения молекул, количественной характеристикой которых является энтропия.