Физический смысл термодинамики Необходимость термодинамики
Термодинамика исторически возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Однако в процессе своего развития термодинамика проникла во все разделы физики, где возможно ввести понятие «температура» и позволила теоретически предсказать многие явления задолго до появления строгой теории этих явлений.
[Законы — начала термодинамики
Термодинамика основывается на трёх законах — началах, которые сформулированы на основе экспериментальных данных и поэтому могут быть приняты как постулаты.
* 1-й закон — первое начало термодинамики. Представляет собой формулировку обобщённого закона сохранения энергии для термодинамических процессов. В наиболее простой форме его можно записать как δQ = δA + dU, где dU есть полный дифференциал внутренней энергии системы, а δQ и δA есть элементарное количество теплоты, переданное системе, и элементарная работа, совершенная системой соответственно. Нужно учитывать, что δA и δQ нельзя считать дифференциалами в обычном смысле этого понятия, поскольку эти величины существенно зависят от типа процесса, в результате которого состояние системы изменилось.
* 2-й закон — второе начало термодинамики: Второй закон термодинамики исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Имеется несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок этого закона.
1 — Постулат Клаузиуса. Процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе. Это явление называют рассеиванием или диссипацией энергии.
Приведем второе начало термодинамики в аксиоматической формулировке Рудольфа Юлиуса Клаузиуса (1865): Для любой квазиравновесной термодинамической системы существует однозначная функция термодинамического состояния S = S(T,x,N), называемая энтропией, такая, что ее полный дифференциал dS = δQ / T.
2 — Постулат Кельвина. Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких-либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе.
* 3-й закон — третье начало термодинамики: Теорема Нернста: Энтропия любой системы при абсолютном нуле температуры всегда может быть принята равной нулю.
* Примечание — нулевое начало термодинамики:
Для каждой изолированной термодинамической системы существует состояние термодинамического равновесия, которого она при фиксированных внешних условиях с течением времени самопроизвольно достигает.
Основные формулы термодинамики Условные обозначения
|
Обозначение |
Название величины |
Размерность / Значение |
Формула |
|
|
Температура |
K |
|
|
|
Давление |
Па |
|
|
|
Объём |
м³ |
|
|
|
Средняя энергия молекулы |
Дж |
|
|
|
Средняя кинетическая энергия молекулы |
Дж |
|
|
|
Масса |
кг |
|
|
|
Молярная масса |
кг/моль |
|
|
|
Постоянная Авогадро |
6.0221415(10)×1023 моль-1 |
|
|
|
Постоянная Больцмана |
1.3806505(24)×10−23 Дж/К |
|
|
|
Газовая постоянная |
8.314472(15) Дж/(К·моль) |
|
|
|
Число степеней свободы молекулы |
- |
|
|
|
Количество вещества в j-й компоненте n-компонентной смеси |
моль |
|
|
|
вектор с координатами
|
моль |
|
|
|
Химический потенциал j-й компоненты n-компонентной смеси |
Дж/моль |
|
|
|
Внутренняя энергия |
Дж |
|
|
|
Энтропия |
Дж/К |
|
|
|
Энтальпия |
Дж |
|
|
|
Свободная энергия (энергия Гельмгольца) |
Дж |
|
|
|
Свободная энтальпия (энергия Гиббса) |
Дж |
|
|
|
Работа, совершённая газом |
Дж |
|
|
|
Тепло, переданное газу |
Дж |
|
|
|
Молярная теплоёмкость газа при постоянном давлении |
Дж/(К·моль) |
|
|
|
Молярная теплоёмкость газа при постоянном объёме |
Дж/(К·моль) |
|
|
|
Удельная теплоёмкость |
Дж/(К·кг) |
|
|
|
Показатель адиабаты |
- |
|
