МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ВОСТОЧНО- КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. С. АМАНЖОЛОВА
СМОЛИНА Г.С., КАЛИЖАНОВА У.С.
ЛЕКЦИИ ПО ТЕРМОДИНАМИКЕ
УСТЬ-КАМЕНОГОРСК, 2010
В данном учебном пособии рассматриваются вопросы термодинамики. В начале каждой лекции дается план, чтобы студентам удобно было готовиться к коллоквиумам, экзаменам и выполнять задания по СРС. Конспект лекций рассчитан на кредитную систему обучения. Пособие предназначено для студентов специальностей: 050110-«Физика», 050604 - «Физика», 050710 - «Материаловедение и технология новых материалов», 050601 - «Математика», 050703 - «Информационные системы» и др. Кроме того, лекции по термодинамике будут интересными для начинающих преподавателей, стажеров, магистрантов и всех, кто интересуется теоретической физикой.
Рецензент: кандидат физико-математических наук, доцент Протасов А.Т.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Основные понятия термодинамики 6
1.1.Термодинамика - наука о тепловом движении материи 6
1.2. История развития термодинамики 6
1.3. Основные понятия термодинамики 7
1.3.1.Термодинамическая система и ее параметры 7
1.3.2.Термодинамическое равновесие 8
1.3.3. Равновесные и неравновесные процессы 8
1.4. Внутренняя энергия, количество теплоты, работа 9
1.5. Термические и калорические уравнения состояния 12
1.6. Термические коэффициенты и связь между ними 13
2. Первое начало термодинамики 16
Первое начало термодинамики. Различные формулировки
первого начала термодинамики 16
2.2.Теплоемкость. Теплоемкость реального и идеального газов 17
2.3. Закон Джоуля 18
2.4. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам 19
2.5. Адиабатические и политропические процессы 20
2.6. Работа в изопроцессах
2.7. Применение первого начала термодинамики к механическим
процессам 23
2.8. Применение первого начала термодинамики к
электромагнитным процессам 24
2.9. Применение первого начала термодинамики к химическим
процессам 25
3. Второе начало термодинамики 28
3.1. Второе начало как эмпирический закон для тепловых 28
процессов. Постулат Клаузиус.
3.2. Обратимые и необратимые процессы 29
3.3. Обратимая машина Карно и ее коэффициент полезного
действия 34
3.4.Теоремы Карно 38
4. Энтропия и ее свойства 45
4.1. Интеграл Клаузиуса и энтропия 45
4.2. Вычисление энтропии 46
4.3. Энтропийные диаграммы 47
4.5. Свойства энтропии: 50
4.5.1.Энтропия - однозначная функция состояния системы 51
4.5.2.Аддитивность энтропии 51
4.5.3.Энтропия - положительная величина 51
4.5.4.Изменение энтропии в открытых системах при обратимых
Процессах 51
4.5.5.Единицы измерения и размерность энтропии 52
4.5.6.Основное уравнение термодинамики 52
4.5.7.Теорема о росте энтропии в изолированной системе 53
4.5.8.Энтропия и вероятность 54
4.5.9.Энтропия - мера беспорядка системы 55
4.5.10. Энтропия - мера отсутствия информации 56
4.5.11.Энтропия - мера деградации (рассеяния) энергии 56
4.5.12.Энтропия и теория тепловой смерти вселенной 57
5. Применение второго начала термодинамики 59
5.1. Абсолютная термодинамическая шкала температур 60
5.2. Вывод уравнения Клапейрона - Клаузиуса 61
5.3. Вывод зависимости внутренней энергии от объема 63
5.4. Вывод уравнения Стефана-Больцмана 65
5.5. Вывод зависимость энтальпии от давления при
постоянной температуре 67
5.6. Эффект Джоуля – Томсона 68
6. Характеристические функции 73
6.1. Свойства характеристических функций 73
6.2.
Характеристические функции:
74
6.3. Уравнения взаимности или уравнение Максвелла 76
6.4. Свободная энергия. Уравнение Гиббса-Гельмгольца 79
6.5. Термодинамический потенциал. Уравнение Гиббса-Гельмгольца 82
7. Равновесие термодинамической системы 85
7.1. Условия равновесия механической системы 85
7.2. Общие условия равновесия термодинамических систем 86
7.3. Понятие фазы, компоненты, химического потенциала 89
7.4. Условие равновесия двухфазной однокомпонентной системы 94
7.5. Условия равновесия гетерогенной системы 95
7.6. Правило фаз Гиббса 98
7.7. Тройная точка 100
8. Фазовые переходы 106
8.1. Фазовыепереходы первого рода 106
8.2. Вывод уравнения Клапейрона - Клаузиуса. 108
8.3. Фазовые переходы второго рода 109
8.4. Вывод уравнения Эренфеста для фазовых переходов
второго рода 110
8.5. Термодинамика зарождения новой фазы 111
9. Третье начало термодинамики 115
9.1.Тепловая теорема Нернста 115
9.2. Постулат Планка 118
9.3. Свойства вещества вблизи абсолютного нуля температур 118
9.4. Получение сверхнизких температур 120
9.5. Принцип недостижимости абсолютного нуля температур 122
9.6. Отрицательные абсолютные температуры 123
ЛИТЕРАТУРА
Радушкевич Л.В. «Термодинамика», «Просвещение», Москва, 1981.-208с.
Серова Ф.Г., Янкина А.А. «Сборник задач по термодинамике», «Просвещение», Москва, 1981.-326с.
Румер Ю.Б., Рывкин М.Ш. «Термодинамика. Статистическая физика и кинетика», «Наука», Москва,. 1977.-346с.
Базаров Н.П. «Термодинамика», «Высшая школа», Москва, 1991.
Ноздрев В.Ф. «Курс термодинамики», «Просвещение», Москва, 1966.
Лекция 1
Тема лекции: Основные понятия термодинамики
Цель лекции: Познакомиться с основными понятиями
термодинамики и историей ее развития
План лекции:
Термодинамика - наука о тепловом движении материи.
История развития термодинамики.
Основные понятия термодинамики. Термодинамическая
система и ее параметры. Термодинамическое равновесие. Равновесные и неравновесные процессы.
Внутренняя энергия, количество теплоты, работа.
Термические и калорические уравнения состояния.
Термические коэффициенты и связь между ними.
1.1. Термодинамика - наука о тепловом движении материи.
Термодинамика является аксиоматической наукой. Она не вводит никаких специальных гипотез и конкретных представлений о строении вещества и физической природы теплоты.
Современная термодинамика - это наука, изучающая взаимную связь между различными видами энергии. Ее выводы основаны на общих принципах или началах, являющихся обобщением опытных фактов. Она рассматривает тепловое движение молекул - движение большого количества частиц. О тепловом движении можно говорить только в тех случаях, когда рассматриваемая физическая система является макроскопической. Не имеет смысла говорить о тепловом движении, когда система состоит из одного или нескольких атомов.
Термодинамика основывается на трех законах (началах).
Первое начало термодинамики - это закон сохранения и превращения энергии.
Второе начало термодинамики характеризует направление протекания термодинамического процесса.
Третье начало термодинамики утверждает, что абсолютный нуль температуры недостижим.
Термодинамика изучает только термодинамически равновесные состояния тел и медленные процессы, которые могут рассматриваться как практически равновесные состояния.