Тема 5. Принцип возрастания энтропии. Синергетика
Энергия, виды энергии.
Закон сохранения энергии в механике.
Закон сохранения энергии в термодинамике.
Энтропия и информация.
Синергетика – термодинамика открытых систем
5.1. Энергия, виды энергии.
Энергия (от греч. energeia – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения и взаимодействия всех видов материи.
Вследствие существования закона сохранения энергии понятие энергии связывает воедино все явления природы.
Механической
энергией W
называется
энергия механического движения
(кинетическая энергия) и взаимодействия
тел
(потенциальная энергия), т.е.
W = + .
Химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии взаимодействия электронов друг с другом и с атомными ядрами.
Энергия хаотического движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называется внутренней (тепловой) энергией тела.
Мерой электромагнитного движения является энергия электромагнитного движения или электромагнитная энергия
5.2. Закон сохранения энергии в механике
Работа – это величина, равная произведению силы на расстояние, на котором она действовала на тело, т.е.
Работа
может быть совершена за счет какой-либо
энергии, т.е. работа
– это мера изменения энергии:
Замкнутой механической системой называется система, в которой работают лишь внутренние силы, внешние силы или отсутствуют или уравновешены.
В
замкнутой механической системе работает
закон сохранения энергии:
Полная энергия замкнутой консервативной системы тел, равная сумме их потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной.
5.3. Закон сохранения энергии в термодинамике.
Термодинамическая система – макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек (они могут быть также и мысленными, условными), которое можно характеризовать макроскопическими (термодинамическими) параметрами: давлением Р, объемом V, температурой Т концентрацией n.
Изолированной называют систему тел, взаимодействующих только между собой и не взаимодействующих с телами, не входящими в эту систему.
Термодинамическая система называется замкнутой или изолированной, если отсутствует всякий обмен энергией между нею и внешней средой.
Термодинамическим (тепловым) равновесием называется такое состояние, при котором все термодинамические параметры сколь угодно долго остаются неизменными, т.е. V = const, P = const, T = const, n = const. Любая изолированная система с течением времени достигает состояния термодинамического равновесия.
Первый закон термодинамики - закон сохранения энергии
при ее превращениях
I закон термодинамики: подведенное к системе количество теплоты Q частично идет на увеличение внутренней энергии системы ΔU и частично – на совершение этой системой работы А, т.е.
Q = ΔU + А
Второй закон термодинамики
как принцип возрастания энтропии в замкнутых системах
Энтропия (от греч. entropia – поворот, превращение) (обычно обозначается S) – функция состояния термодинамической системы. Изменение энтропии ΔS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты ΔQ , сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы, т.е.:
ΔS = ΔQ/ Т
Неравновесные процессы в замкнутой (изолированной) системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором S максимальна.
Неравновесное состояние – состояние термодинамической системы, характеризующееся неоднородностью распределения температуры, давления, плотности, концентраций компонентов или каких-либо других макроскопических параметров в отсутствии внешних полей или вращения системы как целого. Неоднородность системы приводит к необратимым процессам, в результате которых изолированная система достигает равновесия.
Неравновесные процессы – физические процессы, в которых система проходит через неравновесные состояния. Неравновесные процессы необратимы.
II закон термодинамики: в замкнутой, т.е. изолированной в тепловом и механическом отношении, системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы) либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума.