Вопрос 28

Закон сохранения энергии для тепловых процессов. Превращение тепловой энергии.

Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Возможны 2 способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: путем совершения работы и путем теплообмена. Известно, что в процессе превращения энергии выполняется закон сохранения энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое, то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. В этом заключается качественная формулировка закона сохранения энергии для термодинамической системы – первое начало термодинамики. Количественная его формулировка: количество теплоты ∆ Q, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии ∆U и на совершение теплом работы∆ A, т.е.∆Q =∆U + ∆A. Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. такой двигатель, который совершал бы работу «из ничего», без внешнего источника энергии.

БИЛЕТ 29.

Развитие представлений о природе тепловых явлений и свойств макросистем. Термодинамическое и статистическое описание. Понятие энтропии. Энтропия в изолированных системах. Концепция возрастания энтропии. Энтропия как мера хаоса системы. Проблема тепловой смерти Вселенной.

Вокруг нас происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим движением. Это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел, представляющих собой макросистемы, или при переходе их из одного состояния (жидкого) в другое (твердое,газообразное).

Такие явления называются тепловыми. Тепловые явления играют огромную роль в жизни людей, животных и др.

История развития представлений о природе тепловых явлений-пример того, каким сложным и противоречивым путем постигают научную истину.

Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу xvll в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем.

Согласно одной из них – вещественной теории тепла, теплота рассматривалась как особого рода невесомая жидкость, способная перетекать из одного тела к другому. Согласно другой точке зрения, теплота-это вид внутреннего движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура.

Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках таких представлений теорию тепла первоначально называли корпускулярной. Её придерживались ученые: Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли. Болшой вклад в развитие корпускулярной теории тепла сделал великий русский ученый Ломоносов. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории он объяснил в общем процессы плавления, испарения и теплопроводности.

Но всё же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к середине xvll в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того как экспериментально было доказано сохранение теплоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении тепловой жидкости-теплорода. В вещественной теории было введено понятие теплоёмкости тел и построена количественная теория теплопроводности.

К концу xvlll в. вещественная теория теплоты начала сталкиваться с трудностями и к середине xlx в. потерпела полное и окончательное поражение. Большим числом опытов бало показано, что тепловой жидкости не существует.

В середине xlx в. была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно работе количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание тела связано не с увеличением в нем количества особой невесомой жидкости, а с увеличением его энергии. Было установлено, что теплота представляет собой форму энергии.

Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений и свойств макросистем внесли немецкий физик Клаузиус, английский Максвелл, австрийский физик Больцман и другие ученые.

Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического. Первый из них лежит в основе термодинамики, второй-молекулярной физики. Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел. В термодинамике тепловые явления описываются с помощью величин, регистрируемых приборами, не реагирующими на воздействие отдельных молекул. Все тепловые процессы обычно связаны с передачей и превращением энергии, описание которых и составляет одну из важнейших задач термодинамики. Область применения термодинамики значительно шире, чем молекулярно-кинетическая теория, ибо нет таких областей физики, химии в которых нельзя было бы пользоваться термодинамическими методами. Основа термодинамического метода-определение состояния термодин. системы, представляющей собой совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами.

Температура-физическая величина, характерезующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

К концу xlx в. была создана последовательная теория поведения больших общностей атомов и молекул - молекулярно-кинетическая теория, или статистическая механика. Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Поведение громадного числа молекул анализируется с помощью статистического метода, который основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном результате определяются свойствами частиц систем, особенностями их движения и усредненными значениями кинетических и динамических характеристик этих частиц. При расчете различных процессов с помощью термодинамики многие физические параметры, например теплоёмкости тел, необходимо определять экспериментально. Статистические же методы позволяют на основе данных о строении вещества определить эти параметры.

В настоящее время в науке и технике широко используется как термодинамические, так и статистические методы описания свойств микросистемы.

Энтропия-та теплота, которая не переходит в работу. Энтропия сложной системы равна сумме энтропий её частей. Закон, определяющий направление тепловых процессов, можно сформулировать как закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии. Данное утверждение принято считать количественной формулировкой второго закона термодинамики. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В середине xlx в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, Клаузиус свёл его содержание к утверждению, что энторпия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем должны перейти в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется - наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочные выводы о тепловой смерти заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутой системам.