
- •Лекции по физике
- •Механика. Молекулярная физика. Кинематика
- •Основные понятия и величины
- •2. Кинематика частицы. Перемещение, скорость, ускорение
- •1) Векторный способ описания движения.
- •2) Координатный способ описания движения.
- •3. Кинематика вращательного движения твердого тела
- •Динамика. Законы Ньютона и их следствия
- •1. Сила, масса, импульс
- •2. Первый закон Ньютона
- •3. Преобразования координат Галилея
- •4. Второй закон Ньютона
- •5. Третий закон Ньютона
- •6. Классический принцип относительности
- •Работа и энергия
- •1. Работа переменной силы
- •2. Кинетическая энергия частицы
- •3. Консервативные силы и потенциальная энергия
- •4. Потенциальная энергия центральных сил
- •5. Градиент потенциальной энергии
- •6. Механическая энергия частицы и закон ее изменения
- •Момент импульса
- •1. Момент импульса частицы
- •2. Закон изменения момента импульса. Момент силы
- •3. Момент импульса относительно оси
- •Законы изменения и сохранения полного импульса системы частиц
- •2. Центр масс. Уравнение движения центра масс
- •Реактивное движение. Уравнение Мещерского
- •Энергия системы частиц
- •Закон сохранения механической энергии
- •Момент импульса системы. Уравнение моментов
- •Закон сохранения момента импульса
- •Динамика твердого тела
- •1. Вращение тела относительно закрепленной оси
- •2. Момент инерции и его вычисление
- •3. Кинетическая энергия вращения
- •4. Плоское движение
- •Колебания
- •1. Гармонический осциллятор
- •2. Физический и математический маятники
- •3. Затухающие гармонические колебания
- •4. Сложение гармонических колебаний
- •5. Вынужденные колебания
- •6. Резонанс
- •1. Постулаты специальной теории относительности
- •2. Одновременность и синхронизация часов
- •3. Следствия постулатов Эйнштейна
- •4. Преобразования Лоренца
- •5. Энергия релятивистской частицы
- •Введение в термодинамику
- •Начнем рассматривать термодинамические системы, описываемые
- •Измерить температуру можно по изменению какого-либо другого параметра, меняющегося при изменении энергии тела, на чем основано действие разнообразных термометров.
- •3 Нулевое начало термодинамики
- •4 Уравнение состояния идеального газа
- •При обычных условиях, т.Е. При не очень больших давлениях
- •1 Термодинамическое определение энтропии
- •2 Второе начало термодинамики
- •3 Тепловые машины. Циклические процессы
- •4 Цикл Карно
- •Энтропия (статистический подход)
- •1 Энтропия при необратимых процессах в предыдущей главе было показано, что реальные процессы протекают
- •Направление необратимых процессов определяется ростом энтропии
- •При изменении термодинамических параметров это равновесие
- •Необратимые процессы в газах. Явления переноса
- •Многокомпонентные термодинамические системы и необратимые процессы в них
- •1 Фазы и химический потенциал
- •2 Диффузия в газах
- •Реальные среды
- •1 Межмолекулярное взаимодействие
- •3 Свойства реального газа. Уравнение Ван-дер-Ваальса
- •4 Поверхностное натяжение
- •Электричество. Магнетизм. Волновые процессы и оптика. Электростатическое поле.
- •Проводник в электрическом поле
- •Электрическое поле в диэлектриках
- •Энергия электрического поля
- •Законы постоянного тока
- •Контактные явления в проводниках
- •Магнитное поле в вакууме
- •Проводник с током в магнитном поле
- •Магнитное поле в магнетиках
- •Явление электромагнитной индукции
- •Энергия магнитного поля
- •Электрические колебания
- •Электромагнитное поле. Теория Максвелла
- •Волновые процессы. Электромагнитные волны
- •Интерференция электромагнитных волн
- •Дифракция электромагнитных волн
1 Термодинамическое определение энтропии
ЭнтропияS - это величина, приращение которой связано с количеством
тепла, поступающего
в систему:
.
Так, например, для
идеального газа
,
следовательно, приращение энтропии
идеального газа:
.
Приращение энтропии будет полным дифференциалом (как и приращение внутренней энергии), а сама энтропия S - это функция состояния
системы.
Хотя теплота Q передается по-разному в различных процессах, но
изменение энтропии не зависит от способа передачи тепла, а зависит только
от начального и конечного состояний системы (от значений её термодинамических параметров).
Как и любая функция состояния, энтропия определена с точностью
до произвольной
постоянной.
.
Замечание: значение
этой постоянной устанавливает третье
начало термодинамики, которое постулирует,
что S=0 при T=0. Но для идеального газа,
как вытекает из полученной формулы,
следовательно,в области очень низких
температур газ нельзя считать идеальным.
При любом циклическом процессе, когда
система приходит в исходное состояние,
изменение энтропии равно нулю. Заметим,
что так как
,
то переданное тепло равно площади под
кривой процесса на диаграмме T - S. При
этом первое начало термодинамики для
идеального газа можно записать в виде
.
Для адиабаты dS=0 или S=const, поэтому адиабатический процесс можно назватьизоэнтропийным.
Равенство
справедливо только для равновесных
(обратимых) процессов. Для неравновесных
(необратимых) процессов
(хотя S - по-прежнему функция состояния
системы).
Если циклический
процесс сопровождается некоторыми
необратимыми изменениями, то из
формулыполучаем
- этонеравенство Клаузиуса.
2 Второе начало термодинамики
Направление протекания реальных термодинамических процессов определяется изменением энтропии S:
во
всех равновесных и неравновесных
процессах энтропия замкнутой
системы не может убывать:
.
Это утверждение называется вторым началом термодинамики.
Существуют другие формулировки второго начала термодинамики.
Приведем формулировку Кельвина, связанную с невозможностью существования вечного двигателя: невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых было бы превращение всего полученного системой тепла в работу.
Второе начало термодинамики запрещает существование
вечных двигателей второго рода.
Формулировка Кельвина утверждает, что если термодинамическая система получает тепло от нагретого тела (нагревателя) и, совершая циклический процесс, производит работу, то она обязана часть энергии в виде тепла отдавать другим телам (холодильнику).
3 Тепловые машины. Циклические процессы
Как правило, любая тепловая машина (двигатель) использует циклический процесс. Ее рабочее тело, т.е. термодинамическая система, преобразующая часть полученного тепла в работу, периодически через цикл приходит в начальное состояние.
Так
как в результате циклического процесса
внутренняя энергия не изменяется, т.е.
,
то из первого начала термодинамики
следует, что совершенная за цикл работа
равна площади петли цикла на диаграмме
p-V и она же равна разности полученной
и отданной за цикл теплоты: A=Q1-Q2.
К.п.д.
тепловой машины (цикла)
равен отношению произведенной за цикл
работы к полученному от нагревателя
теплу:
Заметим, что тепло распространяется
от нагретого тела к холодному, но не
наоборот:
.
Это утверждает формулировка Клаузиуса второго начала термодинамики: невозможны такие процессы, единственным результатом которых был бы переход тепла от холодного тела к нагретому.