2. Первое, второе, третье начала термодинамики. Определение понятия «температура».

Предметом термодинамики является рассмотрение общих закономерностей превращение энергии при ее переносе в форме теплоты и работы между телами.

3 группы систем:

]) Изолированные - не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни массой, они полностью изолированы от влияния окружающей среды.

2) Закрытые - через свои границы обмениваются энергией с окружающей, средой, но не могут обмениваться массой.

3) Открытые - обмениваются с окружающей средой массой и энергией.

Термодинамические параметры: T, V, Р, плотность. Изменение одного приводит к изменению термодинамического состояния системы в целом.

Процессы, протекающие в системе и изменяющие ее состояние могут быть:

I) Равновесными (обратные) процессы протекают в системе так, что вызванные ими изменения в состоянии системы могут пройти в обратном направлении без дополнительных изменений в окружающей среде (рассматривается главным образом в термодинамике).

2) Неравновесные (необратимые) - к ним относятся реальные превращения в природе и их протекание в обратном направлении сопровождается остаточными изменениями в системе.

Функция состояния – функция, не зависящая от пути, а только от начального и конечного состояния

- функция независимых параметров, определяющих равновесное состояние термодинамической системы; не зависит от пути (характера процесса), следуя которому система пришла в рассматриваемое равновесное состояние (т.е. не зависит от предыстории системы); к функциям состояния относят, в частности, характеристические функции системы: внутренняя энергия; энтропия; энтальпия и др.

- термодинамическая работа и количество теплоты не являются функциями состояния, так как их значение определяется видом процесса, в результате которого система изменила своё состояние.

Приращение функции тем меньше, чем меньше разница. В случае бесконечно малой – приращение = дифференциалу

Первое начало термодинамики (сер XIX века в результате работ Ю. Р. Майера, Джоуля и Г. Гельмгольца). Невозможность существования вечного двигателя 1-го рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника. Количество теплоты, перешедшее системе, идет на изменение внутренней энергии системы и совершение системой работы против внешних сил. Допустим, что некоторая система (газ, заключенный в цилиндр под поршнем), обладая внутренней энергией U1, получила количество теплоты Q и, перейдя в новое состояние, которое характеризуется внутренней энергией U2, совершила работу А над внешней средой, т. е. против внешних сил. Будем считать количество теплоты положительным, если оно подводится к системе, а работа — положительной, если система совершает ее против внешних сил. В соответствии с законом сохранения энергии при любом способе перехода системы из первого состояния во второе изменение внутренней энергии ΔU=U2–U1 будет одинаковым и равным разности между количеством теплоты Q, которое получила система, и работой А, которую совершила система против внешних сил: δQ = dИ + δA, где dU — бесконечно малое изменение (приращение) внутренней энергии системы, δA — элементарная работа, δQ — бесконечно малое количество теплоты. dИ является функцией состояния: при совершении системой процесса, в результате которого она вновь возвращается в исходное состояние, полное изменение внутренней энергии системы=0. В этом выражении dU является полным дифференциалом, а δA и δQ таковыми не являются. Количество теплоты и работу нельзя определить как разность, в общем случае δA включает работу против сил внешнего давления pdV и максимальную полную работу dA′ сопровождающую химические превращения: dA = dA′ тела + pdV. dA=pdV; pV=m/M*RT; dA= m/M*RT*dV/V; интегрируем (от V1 до V2). dA= m/M*RT*ln(V1/V2).

Второе начало термодинамики. Невозможен процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему (Клаузиус) Невозможно существование вечного двигателя второго рода (Томсон), который работает за счет охлаждения одного тела. Из невозможности вечного двигателя 2-го рода следует, что кпд любого теплового двигателя не превосходит кпд Карно цикла (η) с идеальным газом, который газом зависит только от температуры награвателя (Tн) и холодильника (Тх). Цикл Карно состоит из четырёх стадий: 1. Изотермическое расширение. В начале процесса рабочее тело имеет TH. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который передаёт ему количество теплоты QH. При этом объём рабочего тела увеличивается. 2. Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника. 3. Изотермическое сжатие. Рабочее тело, имеющее к тому времени TX, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты QX. 4. Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие. Рабочее тело отсоединяется от холодильника. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя. Цикл Карно обратим, так как все его составные части являются равновесными процессами. Обратный цикл соответствует работе холодильной машине, т.е. такой системе, которая отбирает теплоту от холодильника и передает большее количество теплоты нагревателю, этот процесс не может протекать сам собой, он протекает за счет работы внешнего тела.

К ПД цикла Карно: η = совершенной А / Q полученному от нагревателя, так как И = 0. А = Q₁ + Q₂. Обобщенный 2й закон:

В ывод: Для повышения КПД тепловой машины нужно увеличить температуру нагревателя и уменьшить температуру холодильника. КПД тепловой машины всегда меньше 1.

Э нтропия - мера необратимого рассеивания энергии, мера отклонения реального процесса от идеального.

где dS - приращение энтропии; δQ - минимальная теплота подведенная к системе; T - абсолютная температура процесса. Является функцией состояния и остаётся постоянной при обратимых процессах, в необратимых — её изменение всегда положительно.

Третье начало термодинамики (принцип Нернста) Невозможно достижение температуры абсолютного нуля. При стремлении температуры к абсолютному нулю энтропия обращается в нуль. Формулировка Планка: энтропия выражается через термодинамическую вероятность (W) состояния системы S = klnW. При абсолютном нуле температуры система находится в основном квантово-механическом состоянии, для которого W = 1 (состояние реализуется единственным микрораспределением). Чем ближе система подходит к абсолютному нулю температуры, тем больше работы нужно затратить на ее дальнейшее охлаждение. В лабораторных условиях ученым удавалось получать температуры предельно близкие к нулевой.

Нулевое начало термодинамики. В изолированной системе в конце концов установится термодинамическое равновесие, все её части будут иметь одинаковую температуру. Температура— мера беспорядочного движения частиц.