Реферат: Начала термодинамики

1. I-е начало термодинамики.

2. Понятие энтропии. II-е начало термодинамики для равновесных систем.

3. III-е начало термодинамики.

4. II-е начало термодинамики для неравновесных систем. Энтропия неравновесных процессов.

1. Как известно из курса общей физики, I–е начало термодинамики представляет собой наиболее общую форму закона сохранения и превращения энергии.

Непосредственным следствием I–го начала является вывод об однозначности внутренней энергии как функции термодинамического состояния. Предположим, что внутренняя энергия системы не является однозначной, т.е. при одном и том же полном наборе термодинамических параметров имеются два значения энергии: (Ө,V,a,N) ≠ (Ө,V,a,N). В этом случае имелась бы возможность извлечь и использовать энергию

,

не изменяя термодинамического состояния системы и окружающих ее тел. Однако в этом случае нарушается I–е начало термодинамики.

По этой причине I-е начало иногда формулируют как невозможность создания вечного двигателя 1–го рода, который совершал бы работу, не требуя никаких энергетических затрат.

Однозначность внутренней энергии ε (Ө,V,a,N) позволяет рассматривать ее как некоторый термодинамический потенциал, поскольку ее изменения при переходе из состояния 1 в состояние 2 не зависит от процесса.

Запишем I–е начало термодинамики для частного случая перехода термодинамической системы в некоторое состояние, близкое к исходному. Причем, параметры этих состояний отличаются на бесконечно малые величины. В этом случае I–е начало можно представить в виде большой энергии: бесконечно малые изменения внутренней энергии dε происходит за счет того. Что система поглощает количество тепла δQ, совершает работу δW и за счет изменения числа частиц на dN:

(2.1)

Величина μ получила название химического потенциала и характеризует изменение внутренней энергии за счет добавления в систему одной частицы при отсутствии работы и потоков тепла:

(2.2)

Заметим, что величина химического потенциала не тождественна удельной внутренней энергии ε = ε / N.

Запишем далее I-е начало термодинамики для бесконечно малого изменения состояния системы. Будем предполагать, что внешнее поле а, в котором находится система, отсутствует или не изменяется. Тогда состояние системы описывается в переменных (Ө,V,N), которые наиболее часто используются в прикладных задачах. Учтем, что

. (2.3)

Кроме того,

(2.4)

Соотношения (2.3) и (2.4) позволяют представить (2.1) в виде:

(2.5)

Выражение (2.5) позволяет оценить тепловой(калорический) эффект термодинамического процесса и широко используется на практике. Однако пока его использование невозможно по той причине, что нам известны количественные значения только из давления (определяется из уравнения состояния p = p(Ө,υ) и теплоемкости

,

заданная из калорического уравнения состояния.

В открытых системах (допускающих обмен веществом) первое начало термодинамики имеет несколько более сложный вид:

dε = δФ – δW + μdN (2.6)

Здесь δФ характеризует суммарный поток энергии, обусловленный не только теплопередачей но и переносом вещества.

2. Второе начало термодинамики в формировке Рудольфа Клаузиуса (1865 г) гласит: Для любой равновесной (квазиравновесной) термодинамической системы существует однозначная функция термодинамического состояния , называемая энтропией . Причем, ее полный дифференциал равен:

. (2.7)

С математической точки зрения (2.7) можно интерпретировать таким образом: дифференциальное выражение I начала термодинамики (2.5) всегда имеет интегрирующий множитель, равный обратной температуре.

Энтропия физической системы является аддитивной функцией, т.е. полная энтропия системы равна сумме энтропий каждой ее части:

. (2.8)

Изменение энтропии состоит из двух частей:

. (2.9)

Здесь – поток энтропии, обусловленный взаимодействием с окружающей средой, а – часть энергии, обусловленная изменениями внутри системы.

Величина никогда не имеет отрицательного значения. Она равна нулю только в том случае, если система претерпевает обратимые изменения, но всегда положительна, если в системе протекают и необратимые процессы:

(обратимые процессы), (2.10а)

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--