Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Kolesnikov_I.M._Termodinamika_v_samoproizvolnyh_i_nesamoproizvolnyh_processov_v_prirode_i_tehnike

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
12.11.2022
Размер:
1.13 Mб
Скачать

Академические чтения

Academic lectиring

К 75-летию РГУнефти и газа и.м. И.М. Губкина

MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF ТНЕ RUSSIAN FEDERATJON

ТНЕ GUBKJN'S RUSSJAN STATE UNIVERSIТY

OF OJL AND GAS

I.M. KOLESNIKOV

THERМODYNAМIC OF SPONТANEOUS

AND NON-SPONТANEOUS

PROCESSES IN NATUREE AND TECHNIQUEE

AND ITS INFLUENCE

ON DEVELOPMENТ AND DEGRADATION

OF SYSTEMS

PuЬlishers <<Oil and Gas»

Gubkin Russian State University of Oil and Gas

Moscow 2004

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕдЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

И.М. КОЛЕСНИКОВ

ТЕРМОДИНАМИКА САМОПРОИЗВОЛЬНЫХ

ИНЕСАМОПРОИЗВОЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

ВПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ И ИХ ВЛИЯНИЕ

НА РАЗВИТИЕ И ДЕГРАДАЦИЮ СИСТЕМ

Издательство <<Нефть и газ>>

РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Москва 2004

УДК 541.1(075)

К60 Колесников И.М. Термодинамика самопроизвольных

и несамопроизволъных процессов в природе и технике и

их влияние на развитие и деградацию систем/Серия <<Ака­ демические чтения». Вып. 32. - М.: ФГУП Изд-во <<Нефть

и газ>> РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. - 32 с.

Доклад состоялся 18 марта 2004 г. Докладчик - профессор РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, доктор химических наук И.М. Колес­

ников.

Редакционнu комеги.я

А.И. Владимиров

Д.Н. Левитский Г.М. Сорокин И.Г. Фукс

Редt~ктор серии- М.Л. Медведева

©И.М. Колесников, 2004

©Федеральное государственное унитарное предприятие Издательство «Нефть и газ• РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004

Уважаемые коллеги!

Господин председатель!

Мой доклад посвящен изложению естественно-научной про­

блемы в области термодинамики обратимых и необратимых про­

цессов, самопроизвольно и несамопроизвольно протекающих

процессов и в ходе доклада мне необходимо будет пользоваться математическим аппаратом в его простейшем виде, который

широко применяется в термодинамике.

Мне представилась возможность познакомить вас с новым

направлением в развитии термодинамики - термодинамики са­

мопроизвольно и несамопроизвольно протекающих процессов,

которая разрабатывается мною с моими коллегами, аспиранта­ ми, магистрами и студентами на кафедре физической и колло­ идной химии с 1990 года.

Однако прежде чем рассказывать о содержании нового на­

правления в термодинамике, мне хотелось бы обосновать необ­

ходимость его появления, кратко описав общее развитие термо­

динамики, начиная с рассмотрения основных законов.

Предварительно можно выделить следующую последователь­ ность создания различных направлений в термодинамике в виде

схемы:

Основы термодинамики

.1

Равновесная (классическая) термодинамика

.1

Термодинамика необратимых процессов

.1

Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы

Ниже представлены основоположники развития данных на­

правлений в этой области.

Развитие термодинамики обратимых и необратимых

процессов

Развитие термодинамики начинается с работ Блэка, Лавуазье,

Гесса, Джоуля, а также Карно, Клаузиуса, Томсона (Кельвина), Планка, Гельмгольца и Гиббса для равновесна и неравновесна

протекающих процессов.

Основы неравновесна и необратимо протекающих процессов

были заложены в работах Р. Клаузиуса и развиты трудами

Н.И. Белоконя и И.Р. Пригожина с соавторами.

Равновесная термодинамика определяет возможность проте­ кания термодинамических процессов обратимо, при почти пол­ ной компенсации прямого процесса обратным. Такие процессы

являются гипотетическими, они могут рассматриваться как пре­

дельные для необратимо протекающих процессов. В то же время

равновесное состояние системы является реальным. Изменение

энергии в такой системе от начального к конечному состоянию

не зависит от того, каким способом оно производится, и может

быть определено с помощью равновесной термодинамики.

Изменения состояния реальных процессов, протекающих от

первого состояния до второго, зависят от времени, то есть про­

ходят с конечной скоростью и составляют основу термодинами­ ки необратимых процессов.

В свою очередь термадинамически необратимые процессы

подразделяют на самопроизвольные и несамопроизвольные.

В настоящее время в термодинамике развиваются три основ-

ных направления, в которых изучаются:

-закономерности протекания равновесных процессов;

-закономерности протекания необратимых процессов;

-закономерности протекания самопроизвольных и несамо-

произвольных сопряженных процессов.

Для разработки термодинамического содержания каждого из

указанных направлений были открыты законы, определяющие

взаимопревращения энергии, теплоты и работы в системах и ок­

ружающей среде, направление протекающих процессов и их вза­

имодействие в реальных условиях протекания необратимых про­ цессов в фазаво-открытых системах и окружающей среде. С этих

позиций и рассмотрим эволюцию термодинамики.

6

Эволюция термодинамики

Эволюцию термодинамики рассмотрим на основе обсужде­

ния её общих законов, без учета ответвлений в термодинамике

для различных отраслей науки и техники (термодинамика об­ щая, техническая и химическая, биохимическая, термодинамика растворов и т. д.). К настоящему времени в термодинамике сфор­

мулированы нулевой и четыре закона.

Нулевой закон

Первым законом общей термодинамики является нулевой за­ кон, сформулированный Дж. Блэком в 1804 г. Он касается рас­

пределения энергии между телами, которые находятся в изоли­

рованной системе.

Если в данной системе, содержащей три тела, два из них на­

ходятся в термодинамическом равновесии, то третье тело также

находится в термическом равновесии с этими двумя телами. Тер­

мическое равновесие определяется равенством температур всех

тел в системе:

(1)

Это представлено на рис. 1. Для удобства изложения матери­ ала мы будем рассматривать только изолированные или фазаво­ открытые системы. Изолированные системы (научная абстрак-

Рис. 1. Иллюстрация нулевого закона термодинамики

ция, гипотетические системы) не обмениваются с окружающей

средой ни энергией, ни веществом. Фазово-открытые системы обмениваются с окружающей средой и энергией и веществом. При наличии в фазово-открытой системе отдельных фаз, они

обмениваются друг с другом и с окружающей средой веществом и энергией (см. рис. 1).

Температуру можно представить в форме функции от Р. и V..

1 1

Тогда условием равновесия будет равенство следующих функ-

ций:

Этот закон можно расширить мя фазово-открытых систем в

такой форме:

(3)

где Т. - температура окружающей среды.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики, основанный на законе сохра­ нения энергии, сформулирован в таком виде, чтобы быть при­ меним в математической форме как для равновесных, так и для

неравновесных (термодинамически необратимых) процессов. Ос­

нованием этого закона является также закон эквивалентности,

как абсолютный закон природы. В настоящее время Первый за­ кон термодинамики нами формулируется с учетом термодина­ мических процессов как со стороны преобладания протекания

самопроизвольных процессов над несамопроизвольными, так и

наоборот, преобладания несамопроизвольных процессов над са­

мопроизвольными.

Для первого случая математическая формулировка Первого

закона термодинамики мя фазово- и химически однородной

системы имеет вид

(4)

Подведенная из окружающей среды энергия в форме теплоты (несамопроизвольно получаемая энергия) расходуется на увели­

чение запаса внутренней энергии системы (несамопроизвольный процесс) и на производство работы (самопроизвольно протека­

ющий процесс).

8

Если умножить это выражение на (-1), то получим другое

аналитическое выражение Первого закона термодинамики:

(5)

На основе этого уравнения дается следующая формулировка Первого закона термодинамики: Работанесамопроизвольного про­ цесса, подведенная к системе, расходуется на увеличение внутрен­

ней энергии системы (несамопроизвольный процесс) и на выделение

энергии в форме теплоты (самопроизвольный процесс) в окружаю­

щую среду.

Можно обсудить соотношение работ в обратимых и необра­

тимых самопроизвольных и несамопроизвольных процессах. Для обратимых процессов, протекающих с преобладанием самопро­ извольного напрааления, работа в уравнении (4) будет макси­

мальной, а в уравнении (5) (с преобладанием несамопроизволь­

ного процесса) - минимально затраченной, и в обратимых про­ цессах они будут равны друг другу:

(6)

Работа, производимая необратимо протекающими самопро­ извольными процессами, будет меньше работы обратимого про­

цесса:

(7)

а работа, затраченная на изменение состояния рабочего тела в необратимом несамопроизвольном процессе, будет выше, чем в обратимом:

dW..нб.нсмп > dW..обр,нсмп ·

(8)

Следует отметить, что при d;U= const, Первый закон симмет­

ричен:

(9)

(-d, Wнсмп) = (-d.Qcмn) ·

(l Q)

Однако уравнение (9) не всегда выполняется, т. к. тепловая машина может производить работу только при определенных ус­ ловиях. В общем же случае нагрев рабочего тела не может обес-

9