9. Термодинамика как наука о тепловых процессах. I и II начала термодинамики. Нулевое начало термодинамики.

Термодинамика ограничивается изучением особенностей превращения тепловой формы движения в другие, не интересуясь вопросами микроскопического движения частиц, составляющих вещество. Термодинамика рассматривает системы, между которыми возможен обмен энергией, без учета микроскопического строения тел, составляющих систему, и характеристик отдельных частиц. Различают термодинамику равновесных систем или систем, переходящих к равновесию (классическая, или равновесная термодинамика) и термодинамику неравновесных систем (неравновесная термодинамика) Классическая термодинамика чаще всего называется просто термодинамикой и именно она составляет основу так называемой Термодинамической Картины Мира (ТКМ), которая сформировалась к середине 19 в. Неравновесная термодинамика получила развитие во второй половине 20-го века и играет особую роль при рассмотрении биологических систем и феномена жизни в целом. Молекулярно-кинетическая теория. В отличие от термодинамики молекулярно-кинетическая теория характеризуется рассмотрением различных макроскопических проявлений систем как результатов суммарного действия огромной совокупности хаотически движущихся молекул. Молекулярно- кинетическая теория использует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда второе название молекулярно-кинетической теории - статистическая физика.

Нулевое начало термодинамики. физический принцип, утверждающий, что вне зависимости от начального состояния изолированной системы в конце концов в ней установится термодинамическое равновесие, а также что все части системы при достижении термодинамического равновесия будут иметь одинаковую температуру. Тем самым нулевое начало фактически вводит и определяет понятие температуры. Нулевому началу можно придать чуть более строгую форму:

Если система A находится в термодинамическом равновесии с системой B, а та, в свою очередь, с системой C, то система A находится в равновесии с C. При этом их температуры равны.

Необходимым условием термодинамического равновесия в системе является равенство значения t для всех частей системы.

I начало термодинамики.

Энергия непрерывно движущихся между собой частиц называется внутренней жэнергией системы. Существует 2 способа изменения внутренней энергии:

1) работа по перемещению тел (работа над системой);

2) сообщение количества теплоты.

I закон термодинамики. Количество теплоты сообщенная системе идет на изменение внутренней энергии системы и на совершение работы ΔQ=ΔU+ΔΑ.

Если система не совершает термодинамики, то изменение внутренней энергии не происходит -> работе. ΔQ=ΔU+ΔΑ.

II начало термодинамики.

Карно анализируя процесс работы тепловых машин, исходил из того, что для их работы необходимо наличие разности температур, и за тем их выравнивание. Карно рассмотрел идеальную машину, ту в которой отсутствует трение, весь процесс зависит только от начальной и конечной температуры. Эффективность любой тепловой машины, работающей при температурах t₁и t₂ (t₁>t₂) меньше эффективности идеальной машины.

Цикл Карно состоит из 2х изотерм и 2х адиабат.

п роцесс 1-2 — изотермическое расширение при температуре T₁, (от нагретого тела с температурой t, тепло подводится к газу при постоянной температуре, газ расширяется);

процесс 2-3 — адиабатное расширение с понижением температуры до T₂, (газ расширяется в условиях полной теплоизоляции);

процесс 3-4 — изотермическое сжатие при температуре T₂,(терло отнимается при изотермическом процессе, газ сжимается);

п роцесс 4-1 — адиабатное сжатие с повышением температуры до T₁,(Сжатие газа).

КПД такого цикла можно рассчитать по формуле:

где T₁ — температура нагревателя, T₂ — температура холодильника.

Из формулы видно, что для повышения КПД необходимо увеличивать T₁ или уменьшать T₂. Так как холодильником в большинстве случаев служит окружающая среда, то основной способ повышения КПД состоит только в повышении температуры нагревателя.

КПД был бы η = 1, если бы температура холодильника была равна абсолютному нулю: T₂ = 0 К, что не достижимо.

Цикл Карно — идеальный цикл. В реальных циклах нельзя осуществить идеальную адиабатность и изотермичность. Кроме того, не устранимы потери на трение. Поэтому КПД в реальных тепловых двигателях всегда меньше, чем рассчитанный по формуле.