Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Математика, химия, физика arrow Основы термодинамики. Принцип возрастания энтропии

Первый закон термодинамики

Термодинамическая система, как и любая другая физическая система, обладает некоторым запасом энергии, который обычно называют внутренней энергией системы. Внутренняя энергия системы есть сумма всех видов кинетической и потенциальной энергии всех составных частей молекулы: молекул, атомов, электронов. Таким образом, в состав внутренней энергии входит кинетическая энергия поступательного и вращательного движений атомов и молекул, энергия их колебательного движения, потенциальная энергия взаимодействия атомов и молекул, кинетическая и потенциальная энергия электронов в атомах, внутриядерная энергия. Однако в большинстве физических явлений, в которых участвуют термодинамические системы, не все перечисленные виды энергии испытывают изменения. Например, при сжатии, расширении или нагревании газообразных тел изменяются только интенсивности поступательного и вращательного движений их молекул; внутриатомная энергия в таких процессах не участвует. В химических процессах остается без изменения внутриядерная энергия; ее изменения наблюдаются только в явлениях радиактивности и в ядерных реакциях.

Поэтому очень часто, употребляя понятие внутренней энергии, имеют в виду не полную энергию данной системы, а только ту ее часть, которая участвует и изменяется в рассматриваемых явлениях.

Внутренняя энергия системы является однозначной функцией ее состояния, то есть в каждом определенном состоянии система обладает вполне определенным значением внутренней энергии. Однако при данной внутренней энергии система может находиться в различных состояниях. Внутренняя энергия системы, в частности термодинамической, может быть выражена в зависимости от значений всех физических величин, определяющих это состояние: объема, давления, t0. Расчет внутренней энергии тел, находящихся в твердом или жидком состоянии, затруднен и требует использования ряда упрощающих предположений. Имеется формула только для расчета внутренней энергии разреженного газа в зависимости от его t0. Ее можно получить на основании следующих рассуждений.

Допустим, газ сильно разряжен, так что его молекулы в среднем находятся далеко друг от друга и слабо взаимодействуют между собой. При этих условиях потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь и тогда внутренняя энергия газа определяется только кинетической энергии теплового движения его молекул.

Внутренняя энергия системы уменьшается, если система отдает в окружающую среду энергию, а также если система совершает положительную работу. Внутренняя энергия системы повышается, если она получает энергию извне и если положительную работу совершают внешние силы, действующие на систему.

При переходе термодинамической системы из одного состояния в другое изменение ее внутренней энергии равно разности между количеством получаемой или отдаваемой теплоты и внешней работы, совершаемой при этом системой. Так звучит первый закон термодинамики.

Однако все тепло не может быть потрачено на полезную работу. Часть тепла теряется и теряется необратимо. В качестве элементарного примера можно привести работу электрической лампочки, которая сопровождается двумя эффектами - нагреванием и свечением. Та часть энергии, которая переходит в свечение, производит полезную для нас работу, но часть тепла расходуется на нагревание стекла лампы и окружающего пространства, то есть, переходит в хаотическую форму, растрачивается необратимо, за счет нее невозможно произвести полезную работу. Путем точных экспериментов было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию в строго определенных количествах. Существование такого механического эквивалента - коэффициент полезного действия (КПД) - дл теплоты свидетельствует о ее сохранении.

Из первого закона термодинамики следует вывод: невозможен вечный двигатель первого рода, то есть такой двигатель, который бы совершал работу за счет разовой подачи энергии от внешнего источника, поскольку невозможно полное превращение энергии внешнего источника в полезную работу, так как часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового хаотического движения молекул.

Второй закон термодинамики

При рассмотрении тепловых явлений самым очевидным оказался тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, что тепло, возникшее, например, в результате какой-либо механической работы или в результате трения, нельзя превратить в энергию и на этом использовать для производства работы. Так же, как невозможно произвести работу, например, за счет охлаждения озера или моря при установившейся t0. Известно и то, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот. Отсюда следует, что всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми t0 и P. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Если это термодинамическое состояние приближается к тепловому равновесию, то оно необратимо. В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы, то есть с их помощью невозможно совершать работу.

Второй закон термодинамики утверждает, что невозможно получить работу за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии.

Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счет энергий, находящихся в тепловом равновесии тел, был бы практически вечным двигателем. Второй закон термодинамики исключает возможность создания такого вечного двигателя второго рода.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее