Теоретические сведения. Для исследования макроскопических процессов, проходящих в телах (твердых, жидких, газообразных) применяют два качественно различных и взаимодополняющих друг

 

Для исследования макроскопических процессов, проходящих в телах (твердых, жидких, газообразных) применяют два качественно различных и взаимодополняющих друг друга метода: молекулярно-кинетический (стати­стический) и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярной физи­ки, второй - термодинамики.

Молекулярная физика изучает строение и свойства вещества исходя из мо­лекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении. Про­цессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Законы поведения огромного числа моле­кул, являются статистическими закономерностями, основанными на том, что свойства макроскопической системы, в конечном счете, определяются свойст­вами частиц системы и усредненными значениями динамических характери­стик этих частиц (скорости, энергии и т.д.)

Термодинамика - это учение о связи и взаимопревращениях различных ви­дов энергии, теплоты и работы макроскопических систем, находящихся в со­стоянии термодинамического равновесия. В ней на основании опытных данных формулируются основные законы (начала) термодинамики, применимые к конкретным физиче­ским явлениям, связанным с превращением энергии макроскопическим путем.

Область применения термодинамики значительно шире, чем молекулярно-кинетической теории, ибо нет таких областей физики и химии, в которых нельзя было бы пользоваться термодинамическим методом. Однако, с другой сто­роны, термодинамический метод несколько ограничен: термодинамика ничего не говорит о микроскопическом строении вещества, о механизме явлений, а лишь устанавливает связи между макроскопическими свойствами вещества.

Основа термодинамического метода - определение состояния термодинамиче­ской системы.

Термодинамическая система - это совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией, как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Состояние системы задается термодинами­ческими параметрами - совокупностью физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы. Обычно в качестве параметров состоя­ния выбирают температуру, давление и объем. Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее параметров, называется термодинамическим процессом.

Термодинамика основывается на двух опытных законах. Первое начало термодинамики обобщает закон сохранения энергии и гласит, что теплота, переданная телу, идет на совершение телом работы и на изменение его внутренней энергии. Первое начало термодинамики не дает никаких указаний относительно направления, в котором могут происходить процессы в природе. Если, например, происходит теплообмен между двумя телами различной температуры, то закон сохранения энергии (первое начало термодинамики) требует только, чтобы количество теп­ла, отданное одним телом, равнялось количеству тепла, получаемого другим. В каком направлении будет переходить тепло, на этот вопрос первое начало тер­модинамики ответить не может. Первому началу не противоречил бы, напри­мер, процесс, в котором тепло самопроизвольно переходит от тела, менее нагре­того к телу более нагретому.

О направлении процессов, которые могут происходить в природе, позволя­ет судить второе начало термодинамики, которое является результатом обоб­щения опытных фактов.

Существует несколько формулировок второго начала термодинамики. Со­гласно Клаузиусу: «Теплота сама собой не может переходить от менее нагретого тела к более нагретому». Для такого перехода теплоты требуется затрата работы от внешнего источника, что и осуществляется в холодильной машине.

Физический смысл второго начала наиболее ясно раскрывается в формули­ровке Томсона и Планка: «Невозможен такой периодический процесс, единст­венным результатом которого было бы превращение теплоты в работу».

Чтобы понять это, предположим, что имеется резервуар тепла - нагреватель ­при температуре T₁ и рабочее тело, например, пар в цилиндре паровой машины. Нагреватель передает рабочему телу периодически некоторое количество тепла Q₁, за счет которого рабочее тело совершает работу А, целиком превратив в нее полученное тепло. Превращение тепла в работу является единственным результатом работы тепловой машины, что невозможно по второму началу термодинамики.

Возможным является такой процесс, при котором только часть теплоты, полученной рабочим телом от нагревателя, превращается в работу, а часть теп­лоты Q₂ не используется и передается холодильнику (теплоприемнику), кото­рый имеет более низкую температуру Т₂ (рис. 1). Таким образом, в любой теп­ловой машине превращается в работу только часть полученной от нагревателя теплоты: A=Q₁ –Q₂.

Рис.1

 

Рассмотрим более подробно процессы, которые встречаются в природе, чтобы дать другие формулировки втopoгo начала термодинамики.

Процессы, при протекании которых сначала в одном направлении, а потом в обратном, в окружающих телах ocтaются какие-либо изменения, называются необратимыми. Необратимые процессы самопроизвольно протекают только в одном направлении и не тeкyт самопроизвольно в обратном. К числу необрати­мых процессов относятся процессы перехода тепла от нагретого тела к холодному, диффузии, расширения газа в пустоту и множество других. Фактически все явления природы являются необратимыми.

Замкнутая система через достаточно длинный промежуток времени за счет протекания необратимых пpoцессов переходит в состояние, называемое рав­новесным. В таком состоянии все параметры системы имеют определенные значения. Так как газ находится в состоянии термодинамического равновесия, температура и давление одинаковы для всех его частей. В равновесном состоянии замкнутая система может находиться сколь угодно долго и сама по себе не может выйти из этого состояния.

Наряду с необратимыми процессами существуют обратимые, т.е. такие, что в результате прямого и обратного процессов вся система возвращается в первоначальное состояние и в окружающих телах не остается каких-либо изме­нений. К числу обратимых относятся все механические процессы, если в них нет превращения механической энергии в тепловую.

Обратимыми могут быть и некоторые термодинамические процессы при соблюдении определенных условий. Прежде всего, должны отсутствовать про­цессы трения и теплопроводности. Отсутствие теплопроводности означает, что сообщение тепла должно осуществляться только при наличии бесконечно ма­лой разности температур между телом и нагревателем. Другими словами, весь процесс передачи тепла должен состоять из бесконечного множества равновес­ных состояний, бесконечно мало отличающихся друг от друга. Поэтому такой процесс называется квазиравновесным. Очевидно, что он не может протекать с конечной скоростью, а должен протекать бесконечно медленно. Бесконечно малая скорость расширения или сжатия газа необходима также для того, чтобы во всех частях газа было одно и то же давление. На практике такой термодина­мический процесс неосуществим, он является абстракцией. Однако, как всегда в физике, можно приближаться к абстракции, как к пределу.

Утверждение об объективном существовании в природе только необрати­мых процессов является одной из формулировок второго закона термодинами­ки.

В современной термодинамике для формулировки второго закона исполь­зуется понятие энтропии, введенное Клаузиусом. Энтропия - это функция состояния системы, изменение которой характеризует направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой термодинамической системе. Как всякая функция состояния, она определяется только параметрами состояния и не зависит от процесса, с помощью которого система пришла в это состояние.

Следует отметить, что энтропия - величина не наглядная, ее можно вычислить, но нельзя непосредственно измерить, подобно температуре или объему.

Разность энтропий системы в двух произвольных состояниях 1и 2 вычисляют по формуле

,

где dQ - количество тепла, сообщаемое системе при бесконечно малом квази­равновесном изменении ее состояния; Т - абсолютная температура, при кото­рой тепло пoглощается системой. Здесь интеграл вычисляется для любого обратимого процесса, осущecтвляющего переход из состояния 1 в состояние 2, так как энтропия, являясь функцией состояния, не зависит от того, в результате какого обратимого процесса система перешла из одного состояния в другое.

Количество теплоты, полученное системой, деленное на абсолютную температуру, при которой оно было получено называют приведенным количеством теплоты. Величина есть элементарное приведенное количество теплоты, полученное в бесконечно малом процессе, а интеграл можно назвать приведенным количеством теплоты, полученном в конечном процессе 1 2.

 

 

Если процесс необратимый, то

Второе начало термодинамики утверждает, что энтропия замкнутой термо­динамической системы может только возрастать, если в ней протекают необратимые процессы, и оставаться постоянной, если в системе протекают лишь об­ратимые процессы. Математически это записывается так:

Δ S ≥ 0 или S₂– S₁ ≥ 0,

где знак неравенства имеет место для необратимых процессов, а равенство ­для обратимых.

Таким образом, изменение энтропии характеризует направление протека­ния естественных процессов в замкнутой системе: естественные процессы про­ходят в направлении роста энтропии.

Поскольку всякая замкнутая система через некоторое время приходит в состояние термодинамического равновесия в результате самопроизвольного про­текания в ней естественных (необратимых) процессов, при которых энтропия возрастает, то в состоянии равновесия энтропия системы будет максимальной. В данном случае температуры всех тел становятся одинаковыми. Однако полу­чить работу за счет теплоты можно только при наличии разности температур, так как температура холодильника должна быть меньше температуры нагревателя. Следовательно, самопроизвольный процесс выравнивания температур при тепловом контакте ведет к невозможности совершения работы в таком процессе.

Всякая реальная замкнутая система, в общем случае, состоит из нескольких тел. Полное изменение энтропии складывается из изменений энтропии отдель­ных частей системы. Энтропия отдельных тел (частей) системы может как увеличиваться, так и уменьшаться, однако, общее изменение энтропии всегда по­ложительно, т.е. энтропия системы растет, если в ней протекают необратимые процессы.