Первый закон термодинамики, закон Пауля

Первый закон  термодинамики

Первое начало термодинамики  — один из трёх основных законов  термодинамики, представляет собой  закон сохранения энергии для  термодинамических систем.

Первое начало термодинамики  было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого  учёного Ю. Р. Майера, английского  физика Дж. П. Джоуля и немецкого  физика Г. Гельмгольца. Согласно первому  началу термодинамики, термодинамическая  система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии  или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики  часто формулируют как невозможность  существования вечного двигателя  первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

Первый закон  термодинамики гласит, (4 разные формулировки) что :

Энергия не может быть создана  или уничтожена (закон сохранения энергии), она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических процессах. Отсюда следует, что внутренняя энергия изолированной системы  остается неизменной.

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.

Изменение внутренней энергии  системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме  работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.

Изменение внутренней энергии  неизолированной термодинамической  системы равно разности между  количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершенной системой над внешними силами.

Первый закон термодинами  гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Таким  образом, энергия системы (замкнутой) - постоянна. Тем не менее, энергия  может быть передана от одного элемента системы другому. Рассмотрим замкнутую  систему, изолированную от остальных.

Передача энергии между  различными подсистемами в ней может  быть описана как :

E1 = E2       

где

E1 = начальная энергия

E2 = конечная энергия

Внутрення энергия включает :

Кинетическую энергию  движения атомов

Потенциальную энергию хранящуюся в химических связях

Гравитационную энергию  системы

Первый закон является основой для термодинамической  науки и инженерного анализа.

Базируется на возможных  типах обмена (энергии), ниже приведены 3 типа систем:

пред - изолированные системы (isolated systems): отсутствует обмен элементами системы или энергией

закрытые системы (closed systems): отсутствует обмен элементами системы, но присутствует некоторый обмен  энергией

открытые системы (open systems): возможен обмен как элементами системы, так и энергией

Первый закон термодинамики  помогает использовать ключевые концепции  внутренней энергии (internal energy), тепла (heat), и работы системы (system work). которые  широко используются в описании тепловых систем (heat engines).

Внутренняя энергия ( Internal Energy) - Внутренняя энергия определяется как энергия случайных, находящихся  в неупорядченном движении молекул. Энергия молекул находится в  диапазоне от высокой, необходимой  для движения, до заметной лишь с  помощью микроскопа энергии на молекулярном или атомном уровне. Например, у  стакана с водой комнатной  температы, стоящего на столе нет, на первый взгляд, никакой энергии: ни кинетической, ни потенциальной относительно стола. Но, с помощью микроскопа становится заметна "бурлящая" масса быстро двигающихся молекул. Если выплеснуть воду из стакана, эта микроскопическая энергия не обязательно заметно  изменится, когда мы усредним добавленную  кинетическую энергию на все молекулы воды.

Тепло - Тепло может быть определено, как энергия, передаваемая от объекта с более высокой  температурой к объекту с менее  высокой температурой. Сам по себе объект не обладает "теплом"; соответствующий  термин для микроскопической энергии  объекта - внутренняя энергия. Внутренняя энергия может увеличиваться  путем переноса энергии к объекту  от объекта, имеющего температуру выше - этот процесс называется нагревом.

Работа - Когда работа совершается  термодинамической системой (чаще всего  это газ, который совершает работу), то работа совершенная газом при  постоянном давлении определяется как : W = p dV, где W - работа, p - давление, а dV -изменение  объема.

В случаях когда давление не является постоянным, работа может  быть представлена интегральным образом, как площадь поверхности под  кривой в координатах давление, объем, которые представляют происходящий процесс.

Изменение внутренней энергии  системы равно теплу (добавленному системе) минус работа, совершенная  системой

dE = Q - W       

где

dE = изменение внутренней  энергии

Q = добавленное тепло

W =работа системы

1й закон не дает  информации о характере процесса  и не определяет конечного  состояния равновесия. Интуитивно  мы понимаем, что энергия переходит  от объекта с более высокой  температурой к объекту с менее  высокой температурой. Таким образом, 2й закон нам нужен для получения  информации о характере процесса.

Энтальпия -это "термодинамический  потенциал " используемый в химической термодинамике реакций и не циклических  процессов.

однозначная функция состояния  термодинамической системы при  независимых параметрах энтропии и  давления, связана с внутренней энергией соотношением, приведенным ниже.

это свойство вещества, указывающее  количество энергии, которую можно  преобразовать в теплоту.

Энтальпия определяется как:

H = U + PV       

где

H = энтальпия

U = внутренняя энергия

P = давление

V = объем системы

При постоянном давлении изменение  энтальпии равно количеству теплоты, подведенной к системе, поэтому  энтальпию часто называют тепловой функцией или теплосодержанием. В  состоянии термодинамического равновесия энтальпия системы минимальна.

Энтальпия является точно  измеряемым параметром, когда определены способы выражения трех других поддающихся  точному определению параметров формулы выше.

Энтропия.

Термин "энтропия" - величина, характеризующая степень неопределенности системы.

Однако, в термодинамике  это понятие используется для  определения связанной энергии  системы. Энтропия определяет способность  одной системы влиять на другую. Когда объекты пересекают нижнюю границу энергетического уровня необходимого для воздействия на окружающую среду, энтропия возрастает.Энтропия связана со вторым законом термодинамики.

Энтропия (обычно обозначается S), функция состояния термодинамической  системы, изменение которой dS в равновесном  процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или  отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы.

в символьном виде записывается, как

dS=(dQ)/T

где

dS - изменение термодинамической системы

dQ - количество теплоты, сообщенное системе

T - термодинамическая температура систем

Неравновесные процессы в  изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему  к состоянию равновесия, в котором S максимальна (закон неубывания энтропии).

Для вселенной в целом  энтропия возрастает.

Принцип Паули  и состояние электронов в атомах

При́нцип Па́ули (принцип  запрета) — один из фундаментальных  принципов квантовой механики, согласно которому два и более тождественных  фермиона (частиц с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в  одном квантовом состоянии.

Принцип был сформулирован  для электронов Вольфгангом Паули  в 1925 г. в процессе работы над квантомеханической интерпретацией аномального эффекта  Зеемана и в дальнейшем распространён  на все частицы с полуцелым  спином. Полное обобщённое доказательство принципа было сделано им в 1940 г. в рамках релятивистской квантовой механики: волновая функция системы фермионов является антисимметричной относительно их перестановок, поведение систем таких частиц описывается статистикой Ферми — Дирака.

Принцип Паули можно сформулировать следующим образом: в пределах одной  квантовой системы в данном квантовом  состоянии может находиться только одна частица, состояние другой должно отличаться хотя бы одним квантовым  числом.

Пользуясь принципом Паули, можно найти максимальное число  электронов в атоме, имеющих заданные значения трех (n, l, m), двух (n, l) и одного (n) квантовых чисел. Найдем максимальное число электронов Z(n, l, m), находящихся в состояниях, определяемых набором трех квантовых чисел (n, l, m), т.е. отличающихся лишь ориентацией спинов электронов. Так как число m_s может принимать значения   и  , то, очевидно, имеем

Вычислим далее максимальное число электронов Z(n, l), находящихся в состояниях, определяемых двумя квантовыми числами: n и l. Так как при заданном числовом значении l вектор момента импульса   может иметь (2l + 1) различных ориентаций в пространстве, то число таких электронов равно

Значения максимального  числа электронов Z(n, l) для различных значений квантового числа l приведены в таблице 1.

Найдем максимальное число Z(n) электронов, находящихся в состояниях, определяемых заданным значением главного квантового числа n. Так как число l при заданном значении n изменяется от 0 до (n – 1), то, суммируя Z(n, l) по значениям l от 0 до (n – 1), получим

Таблица 1

Значения орбитального квантового числа l	0	1	2	3	4
Символ соответствующего состояния электронов	s	p	d	f	g
Максимальное число электронов	2	6	10	14	18

 

Принято говорить, что электроны  в атоме, занимающие совокупность состояний  с одинаковым значением главного квантового числа n, образуют электронный слой или оболочку. В зависимости от значений числа n различают следующие слои (оболочки): К (n = 1) , L (n = 2), М (n = 3), N (n =4) и т.д. по алфавиту.

В таблице 2 приведены значения максимального числа электронов, находящихся в состояниях, характеризуемых  данными значениями главного n и орбитального l квантовых чисел.

Таблица 2

Слой	Число электронов в состояниях					Максимальное число электронов
	s (l=0)	p(l=1)	d(l=2)	f(l=3)	g(l=4)
K L M N O	2 2 2 2 2	- 6 6 6 6	- - 10 10 10	- - - 14 14	- - - - 18	2 8 18 32 50

 

Большим успехом физики явилось  теоретическое истолкование периодической  системы элементов Менделеева. Оно  основано на следующих положениях:

1. Порядковый номер химического элемента равен общему числу электронов в атоме данного элемента.
2. Состояние электронов в атоме определяется набором четырех квантовых чисел n, l, m и m_s. Распределение электронов в атоме по энергетическим состояниям должно удовлетворять принципу минимума потенциальной энергии: с возрастанием числа электронов каждый следующий электрон должен занять разрешенное энергетическое состояние с минимальной энергией.

Заполнение электронами энергетических состояний в атоме должно происходить в соответствии с принципом Паули.

Принципы воспроизводства  и развития живых систем

В 1858 году Ч. Дарвин и А. Р. Уоллес высказали мысль, что существующие виды не были созданы независимо друг от друга и не являются неизменными, но каждый вид, постепенно изменяясь, со временем может дать начало новому виду. То, что виды не постоянны, а  изменяются или эволюционируют, не было новой точкой зрения. Однако новой  была гипотеза, что естественный отбор  – необходимый процесс, управляющий  этими изменениями и контролирующий их. Концепция Дарвина построена  на признании объективно существующих процессов в качестве факторов и  причин развития живого. Он объяснил объективно существующую целесообразность в строении и функционировании организмов, их взаимную приспособленность друг к  другу. В основе дарвиновской триады лежат изменчивость, наследственность и естественный отбор.