Физика / 3._____________
.pdf
|
|
В.М.Клименко. Термодинаміка |
|
|
|
|
|
|
|
|
95 |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
γ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
TVγ−1 =const , PT |
1−γ |
= const . |
(5) |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
Робота розширення газу від V1 |
до V2 |
|
при адіабатичному процесі |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
може бути одержана з першого начала δQ=dU+δA=0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
δA=-dU. |
(6) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
В інших виразах роботу можна знайти прямим обчисленням |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
νR∆T A = ∆(PV) . |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
A = ∫2PdV = −∆U |
A = - |
(7) |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
V1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
1 − γ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблиця 3. Характеристики ізопроцесів. |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Назва |
Рівняння |
|
|
Зв'язок між |
|
Робота в процесі |
Тепло, |
|||||||||||||||||||||||||
|
процесу |
процесу |
|
параметрами |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
передане в |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
стану |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
процесі |
||||||||
Ізохорний |
V = const |
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
δ |
|
|
|
|
|
|
|
|
= const |
|
δA = 0, A = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
Q = CVdT, |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q=CV(T2 - T1) |
|||||||||||
Ізобарний |
p = const |
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
δ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
δ |
|
|
||
|
|
|
|
|
= const |
|
A = pdV, |
|
|
|
|
|
|
|
Q = CpdT, |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
T |
|
|
A = p(V2 - V1) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q=Cp(T2 - T1) |
|||||||||||
Ізотермічний |
T = const |
pV = const |
|
δ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
δ |
δ |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A = pdV, |
|
|
|
|
|
|
|
Q = |
A, |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A = νRTln( |
V2 |
), |
|
|
|
|
Q = A |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A = νRTln( |
P1 |
|
), |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Адіабатний |
δ |
PV |
γ |
= const |
|
δ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
δ |
|
|
|||||||||||
|
|
Q = 0 |
|
|
A = pdV = - dU |
Q = 0, |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
γ |
|
|
|
|
|
|
|
|
A = - ∆U = CV(T1 - T2) |
Q = 0 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
PT1−γ = const |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
A = |
P1V1 −P2V2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
TV |
(γ- 1) |
=const |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
γ −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
νRT |
|
|
|
|
|
P2 |
|
γ −1 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A = |
|
[1−( |
) γ ] |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
γ −1 |
|
P |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A = |
|
P1V1 |
[1−( |
V2 |
)1−γ ] |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
γ −1 |
|
|
V |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||||
§ 74. Теплоємність ідеального газу
Теплоємністю С тіла називається відношення елементарного тепла δQ, переданого тілу, до відповідної величини зміни температури тіла dT
C = |
δQ |
= |
dU + δA |
|
(1) |
|
dT |
dT |
|||||
|
|
|
|
В.М.Клименко. Термодинаміка 96
C == |
i |
νR + P dV |
(2) |
|
|||
2 |
dT |
|
|
і вона чисельно дорівнює теплоті, необхідній для збільшення температури
тіла на 1К. Питома теплоємність с теплоємність одиниці маси речовини |
||||||||
с = С/m, а молярна c =µc = C . |
|
|
|
|
||||
|
ν |
|
|
|
|
|||
Теплоємність при сталому об'ємі позначається як CV |
(система не |
|||||||
виконує роботи pdV=0) і може бути обчислена з (2) |
|
|
||||||
CV = |
i |
νR . |
(3) |
|
|
|||
|
|
|
||||||
2 |
|
|
|
|
|
|||
Внутрішня енергія газу можна записати через CV |
|
|
||||||
U = |
i |
νRT =CVT . |
(4) |
|
|
|||
|
|
|
||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Теплоємність при сталому тискові позначається як CP |
і може бути |
|||||||
обчислена з (2) при врахуванні (3) так |
|
|
|
|
||||
CP =CV + P dV = CV + |
d(PV) |
|
|
|||||
dT |
|
|||||||
|
|
|
|
dT |
|
|
|
|
CP =CV + νR .
Ми знайшли d(pV) із рівняння Клапейрона-Менделєєва, врахувавши, що
P=const,
|
|
|
|
|
|
d(PV) |
= νR. |
|
|
|
||||
Знайдемо відношення CP до CV |
|
dT |
|
|
|
|
|
|||||||
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
CP |
|
CV + νR |
|
|
νR + νR |
i + 2 |
|
|
|||||
|
|
|
|
2 |
. |
(5) |
||||||||
|
|
= |
|
= |
|
|
|
|
|
|
= |
|
||
|
CV |
CV |
|
|
|
i |
|
i |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
νR |
|
|
|
|
|
З (5) видно, що стала адіабати γ може бути представлена через відношення теплоємностей при сталому тискові і при сталому об'ємі так
γ= i + 2 = CP .
iCV
§75. Теплові двигуни та холодильні машини
Робоче тіло термодинамічна система, що здійснює процес і призначена для перетворення одної форми енергії теплоти або роботи в іншу. У тепловому двигуні робоче тіло, одержавши енергію у формі тепла, частину її передає зовні у формі роботи.
Нагрівачем називається термодинамічна система, що передає іншій
В.М.Клименко. Термодинаміка 97
термодинамічній системі енергію у формі тепла Q1.
Холодильником називається термодинамічна система, що одержує від досліджуваної системи енергію у формі тепла
Q2 .
Робота проти зовнішнього тиску, що здійснюється системою в оборотному круговому процесі, вимірюється площею, обмеженою кривою цього процесу на діаграмі P-
V. Дійсно, |
на |
шляху від V1 до V2 система |
V |
|
|
виконує роботу A12 = ∫2PdV , а на шляху від V2 до V1 робота виконується із |
||
V1 |
|
|
|
V |
|
зовні над системою і вона дорівнює A21 = ∫1PdV . В підсумку робота системи |
||
за цикл дорівнює |
V2 |
|
|
|
|
V |
V |
|
A = A12 + A21 = ∫2PdV + ∫1PdV = ∫ PdV . |
||
V1 |
V2 |
1−2−1 |
Прямий цикл круговий процес, у якому система виконує додатну роботу А>0, обхід замкненої кривої проводиться за годинниковою стрілкою. У противному випадку цикл називається зворотнім.
За визначенням, термічним коефіцієнтом корисної дії (ККД)
нагрівача ηt називається відношення теплового еквівалента роботи A, яку виконує робоче тіло в прямому круговому процесі, до суми всього тепла Q1, яке при цьому передається робочому тілу нагрівачем
ηt = A = Q1 − Q2 .
Q1 Q1
ККД холодильної установки ε дорівнює відношенню кількості тепла Q2, забраного від охолоджуваного тіла, до теплового еквівалента роботи А, що витрачається при цьому
ηхол = |
Q2 |
= |
Q2 |
. |
A |
|
|||
|
|
Q1 − Q2 |
||
Холодильна установка працює у зворотному напрямі до теплової машини.
§ 76. Цикл Карно
Цикл Карно є прямий оборотний круговий процес, що складається з двох оборотних ізотермічних процесів 1 1' із
В.М.Клименко. Термодинаміка 98
температурою Т1 i 2 - 2' із температурою Т2 та двох оборотних адіабатних процесів 1' 2 i 2 1. У процесі 1 1' робоче тіло одержує від нагрівача тепло Q1, а в процесі 2 2' віддає холодильнику тепло Q2 . В циклі Карно
тепловий двигун може виконати роботу, еквівалентну лише частині одержаного від нагрівача тепла, а решту тепла витрачає для повернення у вихідний стан 1 із ненульовою роботою, шляхом передачі тепла холодильнику.
Теорема Карно: термічний ККД ηt оборотного циклу Карно не
залежить від природи робочого тіла і є функцією лише абсолютних температур нагрівача T1 та холодильника T2
ηt = |
T1 − T2 |
. |
(1) |
|
|||
|
T1 |
|
|
Щоб довести цю теорему, розглянемо процес теплопередачі в циклі. На дільниці 1 1' процес ізотермічний з розширенням від V1 до V1' і за першим началом для ізотермічного процесу A11' =Q1 . З іншого боку, робота системи
на цій дільниці |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V1' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
11' |
=νRT ln |
|
|
= Q . |
|
|
(2) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
V1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На дільниці 1' 2 процес адіабатичний з розширенням від V1' до V2 |
|||||||||||||||||||
без теплообміну, |
тобто |
|
Q1'2 |
=0 . Стан 1' |
|
та |
стан 2 мають об'єми та |
||||||||||||
температури, що зв'язані рівнянням адіабати |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
T Vγ−1 |
=T V |
γ−1 , |
|
|
(3) |
||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
1' |
|
|
|
2 2' |
|
|
|
|
|||||
а робота, яку виконує газ при роширенні знайдемо з рівняння A=(U2-U1) |
|||||||||||||||||||
|
|
A |
1'2 |
= |
i |
|
νR(T |
− T ) |
|
|
(4) |
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
1 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
На дільниці 2 - 2' процес ізотермічний із зменшенням об'єму від V2 до |
|||||||||||||||||||
V2’' і запершим началом A22' =Q2 = −| Q2 |. Робота системи на цій дільниці |
|||||||||||||||||||
A |
22' |
=νRT ln |
V2' |
= Q |
2 |
= −| Q |
2 |
| . |
(5) |
||||||||||
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
V2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На дільниці 2' 1 процес адіабатичний із зменшенням об'єму від V2' до V1 без теплообміну, тобто Q2'1=0 . Стан 2' та стан 1 мають об'єми та
температури, що зв'язані рівнянням адіабати |
|
|
T Vγ−1 |
=T Vγ−1 |
(6) |
1 1 |
2 2' |
|
а робота, яку виконує газ у цьому процесі знайдемо з рівняння A=(U1-U2) A2'1 = 2i νR(T1 − T2 ) = −A1'2 . (7)
З рівнянь (3) та (6) одержимо
В.М.Клименко. Термодинаміка 99
|
V |
|
|
γ−1 |
|
|
V |
|
γ−1 |
|||
|
1' |
|
|
|
|
= |
2 |
|
|
|||
V |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
2' |
|
|
||
|
V1' |
|
= |
|
V2 |
. |
|
|
(8) |
|||
|
V |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|||
|
|
1 |
|
|
|
2' |
|
|
|
|
||
Кількість теплоти, одержаної системою в циклі, зважаючи на (4) та (7) є
Q =Q1 + Q1'2 + Q2 + Q2'1 =Q1 + Q2 . |
(9) |
|||||
Робота, виконана системою, дорівнює |
|
|
|
|||
А= νRT1ln( |
V1' |
) - νRT2ln( |
V2 |
), |
(10) |
|
V |
V |
|||||
|
|
|
|
|||
1 |
|
2' |
|
|
||
тому що |
|
|
|
|
||
A = A11' |
+ A1'2 + A22' + A2'1 |
|||||
A =νRT1 ln V1' V1
+ |
i |
νR(T |
− T ) + νRT ln |
V2' |
|
|
|
||||
2 |
2 |
1 |
2 |
V2 |
|
|
|
|
|||
A =νRT1 ln V1' + νRT2 ln V2' V1 V2
A =νR(T1 −T2 )ln V1'
V1
+ 2i νR(T1 −T2 )
(11)
Коефіцієнт корисної дії теплової машини за цикл з урахуванням (11) та (2) визначимо так
η |
t |
= |
A |
=[νR(T − T )ln |
V1' |
]/[νRT ln |
V1' |
] |
|||
|
|
|
|||||||||
|
|
1 |
2 |
|
V1 |
1 |
V1 |
|
|||
|
|
|
Q1 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
ηt = |
T1 |
−T2 |
. |
|
(12) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
T1 |
|
|
|
|
|
Термічний |
|
коефіцієнт |
корисної |
дії будь-якого необоротного |
|||||||
кругового процесу ηt,н завжди менше коефіцієнта корисної дії ηt
оборотного кругового процесу, при однакових температурах нагрівача й холодильника.
Для оборотного циклу величина ηхол залежить лише від співвідношення температур нагрівача та холодипьника. Для зворотного
циклу Карно ηхол = T1 T−2T2 і є максимальним по відношенню до циклу з необоротними процесами.
§ 77. Ентропія
1. Ентропія S системи за Клаузіусом є функція стану системи, диференціал якої в елементарному оборотному процесі дорівнює відношенню нескінченно малої кількості тепла δQ, переданого системі, до її
В.М.Клименко. Термодинаміка |
100 |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
абсолютної температури |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dS = |
δQ |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
(1) |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для ідеального газу |
|
|
|
|
|
|
νRT |
|
|
δA = PdV = νRT dV |
|
|||||
δQ = dU + δA, dU = νCVdT, P = |
, |
, |
||||||||||||||
тому |
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
V |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
dT |
+ R |
dV |
|
|
||||||||||
dS = ν CV |
|
T |
V |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
dS = ν(CVdln T + Rd ln V), |
|
|
(2) |
|
||||||||||||
а зважаючи на те що |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
PV = νRT, lnP + lnV = ln(νR) + ln T |
|
|||||||||||||||
dlnV = dln T - dlnP, CP = CV + R |
|
|||||||||||||||
маємо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dT |
− R |
|
dP |
|
, |
|
||||||||
dS = ν CP |
|
T |
|
P |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
dS = ν(CPd lnT − Rd ln P) . |
|
|
(3) |
|
||||||||||||
Аналогічно можна одержати ще й такий вираз для ентропії |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
dV |
|
|
|
|
|
dP |
|
|||||
dS = ν C |
|
|
|
|
|
|
+ C |
|
|
|
|
, |
|
|||
P V |
V |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
P |
|
|||||||||
dS = ν(CPd ln V + CVdln P). |
(4) |
|
||||||||||||||
Для одноатомних газів CP та CV не залежать від Т і після інтегрування (2-4) одержимо три вирази для ентропії
S = ν(C |
|
|
lnT + R ln V) |
+ S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T2 |
|
|
|
|
V2 |
|
|
|
|||||||||||||
V |
0 |
, ∆S = ν C |
ln |
|
|
+ Rln |
|
, |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T1 |
|
|
|
V1 |
|
|||||||||||
S = ν(C |
|
lnT − R ln P) + S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
P |
|
|
|
|||||||||||||||
P |
0 |
, ∆S = ν C |
P |
ln |
2 |
|
− Rln |
|
2 |
|
, |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T1 |
|
|
P1 |
|
|||||||||||||
S = ν(C |
|
ln V + C |
|
ln P) + S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|||||||||||
P |
V |
0 |
, ∆S = ν C |
P |
ln |
|
2 |
|
+ C |
V |
ln |
|
|
2 |
|
|
, |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
де S0 − стала інтегрування. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V1 |
|
|
|
|
P1 |
|
|
|||||||||||||||||
Фізичний зміст |
|
має |
приріст |
|
|
|
ентропії у |
||||||||||||||||||||||||||||
термодинамічному процесі ∆S = S − S0 ∆S, а тому величина S0 |
є не суттєвою. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
Для адіабатичного оборотного процесу |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
δQ=0, dS=0, S=const |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
і тому цей процес називають ще й ізоентропійним. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
При ізотермічному оборотному процесі T = const і |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
∆S = νR ln |
V2 |
= νR ln |
P1 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В.М.Клименко. Термодинаміка |
101 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при ізобаричному процесі P =const і |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
∆S =νCP ln |
T2 |
|
=νCP ln |
V2 |
, |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
T1 |
|
V1 |
|
||||||||
при ізохоричному процесі V =const і |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
∆S =νCV ln |
T2 |
=νCV ln |
P2 |
. |
|
|
|||||||||
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
T1 |
|
|
P1 |
|
||||||
Якщо в циклі Карно записати роботу через теплоту, то для коефіцієнта |
|||||||||||||||
корисної дії одержимо такі співвідношення |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ηt = |
A |
= |
Q1 + Q2 |
= |
T1 − T2 |
, |
|
||||||||
|
|
|
|
||||||||||||
|
Q1 |
|
Q1 |
T1 |
|
||||||||||
з яких випливає, що за цикл
Q1 + Q2 = 0 . T1 T2
Останній вираз визначає приведену теплоту циклу Карно. Тепер для ентропії за цикл маємо
|
= Q |
= ∫ |
δQ |
1' |
δQ |
|
2 |
δQ |
2' |
δQ |
|
1 |
δQ |
|
|
||||||
∆S |
= ∫ |
+ ∫ |
+ ∫ |
+ ∫ |
, |
|
|||||||||||||||
|
T |
|
|
|
T |
1 |
T |
|
1' |
T |
2 |
T |
|
|
2' |
|
T |
|
|
||
і остаточно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
1' |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
∆S = |
Q |
1 |
|
|
|
1 |
|
|
Q |
+ |
|
Q |
|
, |
|||||||
T = |
|
T |
∫ δQ + 0 + |
T |
|
∫ δQ + 0 = |
|
T |
|
T |
2 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 1 |
|
|
2 |
2' |
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|||||||
∆S = 0 .
Якщо цикл відбувається за необоротними процесами 1-1' i 2-2', то не вся теплота переходить у роботу i Q1+Q2>А в циклі Карно, тобто
Q1 + Q2 > A = T1 − T2 ,
Q1 Q1 T1
і
∆S = Q1 + Q2 >0 .
T1 T2
Взагальному випадкові маємо
=∆S = Q1 + Q2 ≥ 0 , T1 T2
де знак рівності відноситься до циклу з оборотними процесами, а знак >0 відноситься до циклу з необоротних процесів. Для довільного елементарного термодинамічного процесу
dS ≥ δQ / T .
2. Ентропія за Больцманом. Поняття ентропії з молекулярно-кінетичної точки зору розглянув Больцман. Увівши термодинамічну ймовірність макроскопічного стану системи Ω, Больцман визначив ентропію системи так
S = k lnΩ +S0 ,
В.М.Клименко. Термодинаміка 102
де S0 - деяка константа, k - стала Больцмана..
Термодинамічною ймовірністю Ω називається число можливих мікростанів системи, які створюють даний макростан, тобто Ω показує скількома способами на мікрорівні може бути реалізовано заданий кількісний розподіл частинок системи, наприклад, по об'єму та швидкостям, причому Ω≥1. Розглянемо це визначення докладніше на такому прикладі. Нехай система складається з 4 пронумерованих частинок. Для визначення макростану системи, зокрема, розташування частинок у її об'ємі V, поділеному навпіл, задамо кількість частинок у лівій і правій його половинках, як це показано в таблиці. Кожний з макростанів може реалізуватися певним розташуванням пронумерованих частинок. Кількість цих реалізацій і є термодинамічною ймовірністю. З таблиці видно, що Ω зростає при переході системи до рівноважного стану (однакове число частинок в обох половинках) і має максимум у ньому. Це означає, що ентропія системи є сталою для рівноважних процесів і зростає для всіх інших, тобто для довільного елементарного термодинамічного процесу
|
|
|
dS ≥ |
δQ |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
В загальному випадку з визначення ентропії за Больцманом, можна |
||||||||
одержати усі співвідношення, які випливають із визначення ентропії за |
|
||||||||
Клаузіусом. |
|
Таблиця 4. Визначення термодинамічної ймовірності Ω |
|||||||
|
|
|
|||||||
№ п/п |
|
Макростан |
|
|
|
Мікростан |
Ω |
||
|
(указує кількість частинок) |
|
(указує, де і які саме частинки за |
|
|||||
|
|
|
|
|
номерами там знаходяться) |
|
|||
|
ліворуч |
|
праворуч |
|
ліворуч |
|
праворуч |
|
|
1 |
0 |
|
4 |
|
- |
|
1,2,3,4 |
1 |
|
2 |
1 |
|
3 |
|
1 |
|
2,3,4 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
1,3,4 |
4 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
1,2,4 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
1,2,3 |
|
|
3 |
2 |
|
2 |
|
1,2 |
|
3,4 |
|
|
|
|
|
|
|
1,3 |
|
2,4 |
|
|
|
|
|
|
|
1,4 |
|
2,3 |
|
|
|
|
|
|
|
3,4 |
|
1,2 |
6 |
|
|
|
|
|
|
2,4 |
|
1,3 |
|
|
|
|
|
|
|
2,3 |
|
1,4 |
|
|
4 |
3 |
|
1 |
|
2,3,4 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1,3,4 |
|
2 |
4 |
|
|
|
|
|
|
1,2,4 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
1,2,3 |
|
4 |
|
|
5 |
4 |
|
0 |
|
1,2,3,4 |
|
- |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
§ 78. Другий закон (начало) термодинаміки
В.М.Клименко. Термодинаміка 103
Другий закон термодинаміки можна сформулювати такими еквівалентними положеннями:
•неможливо створити вічний двигун другого роду, тобто двигун, що отримує тепло від нагрівача і перетворює його у рівну кількість механічної енергії,
•неможливий процес, єдиним результатом якого є перетворення тепла, одержаного від нагрівача, в еквівалентну йому роботу.
•неможливий процес, єдиним результатом якого є передача енергії у формі тепла від холодного тіла до гарячого,
•неможливий круговий процес, єдиним результатом якого було б виконання роботи за рахунок охолодження робочого тіла,
•в замкненій системі ентропія може лише зростати або залишаться сталою.
Основне співвідношення термодинаміки, що об'єднує в собі перший
ідругий закони термодинаміки має вид
TdS ≥ dU + δA,
де знак рівності відноситься до оборотного процесу.
§ 79. Третій закон (начало) термодинаміки
За гіпотезою Планка при абсолютному нулі температури внаслідок квантового характеру процесів, які відбуваються в довільній системі при низьких температурах за умов її стійкої рівноваги, є тільки один мікростан, тотожній макростанові системи і Ω=1. В цьому випадку початкова ентропія
S0=klnΩ = 0.
Третій закон термодинаміки за Нернстом: в довільному ізотермічному процесі, який проведено при абсолютному нулі температури, приріст ентропії ∆ST = 0 = 0, незалежно від можливої зміни
будь - яких інших параметрів системи (тиск, об'єм і т. п. ).
