3.7.2. Основные понятия и законы термодинамики

Раздел физики, изучающий тепловые явления в области макротел с точки зрения происходящих в них процессов взаимного превращения теплоты и других видов энергии, называется термодинамикой. Термодинамика не касается микропроцессов, лежащих в основе этих превращений. Этим термодинамический метод исследования явлений отличается от рассмотренного выше молекулярно-кинетического, или статистического метода.

Тело или совокупность тел, условно выделенных из окружающей среды для более удобного рассмотрения происходящих в них процессов, которые могут обмениваться между собой, а также с внешней средой энергией и веществом, называют термодинамической системой. Классическая термодинамика рассматривает преимущественно изолированные системы, т.е. системы, которые не обмениваются энергией с окружающей средой. При неизменных внешних условиях в изолированной системе устанавливается равновесное состояние, при котором макропараметры системы (температура, давление, объем) сохраняют постоянное значение сколь угодно долго. Например, газ, находящийся в закрытом сосуде, при постоянном объеме и равномерно распределенных давлении и температуре может сохранять это состояние сколь угодно долго; жидкость в закрытом сосуде при постоянной температуре сохраняет равновесное состояние с образовавшимся над ее поверхностью насыщенным паром. Изолированная система, находящаяся в не­равновесном состоянии, самопроизвольно переходит в равновесное. Переход системы из одного состояния в другое, происходит через ряд промежуточных состояний, и называется термодинамическим процес­сом. Например, если в начале температура и давление в объеме газа были распределены неравномерно, то с течением времени они само­произвольно уравниваются во всех его частях. Процесс, который

может самопроизвольно протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, называется обратимым. Обратимый процесс состоит из последовательного ряда равновесных состояний. Такой процесс является идеализированным. К нему приближаются процессы, протекающие настолько медленно, что каждое из промежуточных состояний успевает достаточно приблизиться к равновесному. Эти процессы называются квазистатическими и к ним можно отнести, например, все достаточно медленно протекающие процессы сжатия, расширения, нагревания и охлаждения газа. Необратимым называется процесс, в котором хотя бы одно промежуточное состояние не является равновесным и процесс нельзя провести в обратном направлении через те же промежуточные состояния. Необратимыми являются, например, быстро протекающие процессы сжатия, расширения, нагревания и охлаждения газа. По природе необратимыми процессами являются расширение газа в высокий вакуум, взаимная диффузия газов (или любых веществ), передача теп­лоты путем теплопроводности и другие.

В основе термодинамики лежат два закона (исторически названные началами), в которых, подобно закону сохранения энергии, подытожен многовековой, опыт трудовой деятельности человека. Первое начало устанавливает количественные соотношения при превращении теплоты в механическую работу (или другие виды энергии). Второе начало указывает направленность соответствующих процессов. Первый закон термодинамики записывается в дифференциальной форме: и читается:количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершаемую системой работу против внешних сил. Первый закон термодинамики по сути является законом сохранения и превращения энергии для термодинамического процесса. Внутренняя энергия тела (системы) - энергия данного тела (системы), зависящая только от его внутреннего состояния. С молекулярно-кинетической точки зрения, внутренняя энергия определяется суммой кинетической энергии отдельных молекул и энергией взаимодействия между ними. Изменение внутренней энергии dU не зависит от процесса и определяется параметрами начального и конечного состояния; напротив и зависят от процесса перехода из начального в конечное состояния.

Полная работа А, совершаемая газом (системой) определяется

путем интегрирования:. Результат интегрирования будет

зависеть от характера зависимости между давлением и объемом газа. Различают четыре основных процесса изменения состояния идеального газа: изохорический, изобарический, изотермический и адиабатический.

Закон сохранении энергии устанавливает взаимопревращаемость ее различных видов, но не указывает, имеется ли при этом какая-либо преимущественная направленность. Опыт показывает, что в естественных процессах такая направленность существует. Например, любые виды энергии могут самопроизвольно и полностью переходить в теплоту, тогда как теплота может быть превращена в другие виды энергии только с помощью машин, аппаратов, т.е. при наличии соответствующих изменений в окружающих телах, и при этом не полностью, так как процесс, преобразования связан с неизбежными потерями части теплоты, которая передается окружающим телам. При теплообмене теплота самопроизвольно переходит только от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой (второй закон термодинамики). Для того чтобы осуществить переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, как это имеет место, например, в холодильниках, требуются довольно сложные процессы, для осуществления которых необходимо затратить дополнительную энергию.

Тепловой машиной называется устройство, в котором , внутренняя энергия топлива превращается в механическую работу.

Учитывая второй закон термодинамики, схематически холодильную и тепловую машины можно представить, как показано на рис. 1 при >.

Рис. 1

Примером тепловых машин являются установки на тепловых электростанциях, где внутренняя энергия нефти, угля и газа пре­вращается в механическую работу, за счет которой вырабатывается электрическая энергия. В качестве термоаккумуляторов (теплоносителей) при теплообмене используются кирпичная или каменная печь, нагретая вода, нагретый песок и другие вещества.

Опыт показывает также, что чем выше температура тела теплоносителя по отношению к температуре окружающих тел, тем легче и с меньшими потерями можно преобразовать содержащуюся в нем теплоту в другие виды энергии, а коэффициент полезного действия тепловых машин можно выразить так: , который для идеального термодинамического процесса в цикле Карно будет: где- температура нагревателя, а – температура холодильника тепловой машины. Также известно, что практически невозможно преобразовать в другие виды энергии теплоту, распределенную (рассеянную) между телами с равномерной, относительно низкой температурой. Рассеянная теплота является для человека бесполезной, как, например, то громадное количество теплоты, которое содержит вода морей и океанов при температуре мало отличающейся от температуры окружающих тел. Для характе­ристики степени «полезности» теплоты в этом отношении, а также ко­личественной оценки неизбежных потерь при преобразовании теплоты, содержащейся в данной системе тел, в работу или другие виды энергии пользуются величиной , называемойэнтропией.

Изменение энтропии определяет обратимость или необратимость процессов, протекающих в изолированной системе. Так, при обратимых процессах в изолированной системе не количество теплоты, а энтропия остается неизменной: = const и = 0. Все реальные процессы в газах, происходящие достаточно быстро, не говоря уже о любых термодинамических процессах с потерей энергии, необратимы и, следовательно, протекают с увеличением энтропии:>0.

Таким образом, энтропия может рассматриваться как мера вероятности состояния термодинамической системы, а возрастание энтропии означает переход системы из менее вероятных в более вероятные состояния.

Первые два начала термодинамики дают недостаточно сведений

о поведении термодинамических систем при нуле Кельвина. Они дополняются третьим началом термодинамики, или теоремой Нернста-Планка: энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к нулю Кельвина

Передача внутренней энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплопередачей (или теплообменом). Передача тепла осуществляется с помощью процессов, происходящих на молекулярном уровне, в частности путем теплопроводности и теплового излучения. Передача теплоты путем теплопроводности происходит между любыми телами — твердыми, жидкими или газообразными, одинаковой или различной природы, при непосредственном соприкосновении или через любую промежуточ­ную среду, но не через вакуум, в котором нет частиц вещества. Это явление в природе так же универсально, как и тепловые движения самих частиц. Передача теплоты путем теплопроводности подчиняется закону Фурье: количество теплоты , проходящее за промежутки времени , через взятую внутри тела площадку, перпендикулярную направлению распространения теплоты, пропорционально времени, площадии градиенту температуры, вдоль рассматриваемого направления:

.

где - коэффициент теплопроводности.

Теплопроводность различных веществ отличается в весьма широ­ких пределах. Наименьшую теплопроводность имеют газы, в частности воздух. Вещества с низкой теплопроводностью называют теплоизолирующими. К ним относятся главным образом пористые вещества, содержащие воздух (пробка, шерсть, войлок и др.) Теплопроводность тканей человеческого организма различна. У жидких частей организма (тканевая жидкость, плазма крови и др.) она близка к теплопроводности воды. Теплопроводность плотных тканей значительно ниже, особенно у жировой ткани и наружного рогового слоя кожи. Кожа и подкожная жировая клетчатка являются для организма теплоизолирующим слоем.

Ниже приведены значения коэффициентов теплопроводности для комнатной температуры в Вт/(м К): воздух -; азот -;

кислород - ; углекислый газ -; бумага -; дерево -0,6; кирпич — 0,7; медь — 391; алюминий — 209; серебро — 418,7.

Передача теплоты путем теплопроводности в жидких и газообразных средах значительно ускоряется при взаимном перемещении (перемешивании) нагретых и холодных масс среды. Это явление называется теплопередачей при конвекции. При естественной конвекции взаимное перемещение частиц среды происходит вследствие различных плотностей: нагретые частицы, как более легкие поднимаются вверх, холодные опускаются вниз на их место. Теплопередача при конвекции представляет собой весьма распространенное явление в природе, а также широко используется человеком в различных бытовых устройствах. Путем конвекции, например, значительно ускоряется приготовление пищи при одностороннем нагревании сосуда, выравнивается температура воздуха в помещениях, обогреваемых печами или радиаторами центрального отопления. Принудительная конвекция или циркуляция воды используется при устройстве центрального водяного отопления домов и другие.

Теплообмен посредством излучения может происходить как через промежуточную вещественную среду, если она прозрачна для излучения, так и через вакуум. Тепловое излучение свойственно всем телам без исключения и происходит при температурах, отличных от абсолютного нуля, в соответствии с законом Планка.