Развитие термодинамики

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………...3

1. Развитие термодинамики.  Формирование представлений о  превращении энергии…………………………………………………………………………….4

1.1 Первый закон термодинамики……………………………………………….6

1.2 Второй закон термодинамики………………………………………………..7

1.3 Третий закон термодинамики………………………………………………10

Заключение………………………………………………………………………12

Приложение 1 . Глоссарий……………………………………………………...14

Приложение 2 . Именной указатель…………………………………………....16

Приложение 3. Тест……………………………………………………………..18

Приложение 4. Кроссворд……………………………………………………....20

Список использованной литературы……………………………………….......22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

        Термодинамика - раздел прикладной физики или теоретической теплотехники, в котором исследуется превращение движения в теплоту и наоборот. В термодинамике рассматриваются не только вопросы распространения теплоты, но и физические и химические изменения, связанные с поглощением теплоты веществом, а также, наоборот, выделение теплоты в ходе физических и химических превращений.

Термодинамика находит широкое  применение в физической химии и  химической физике при анализе физических и химических процессов, в современной  физиологии и биологии, в двигателестроении, теплотехнике, авиационной и ракетно-космической  технике. Первоначально в термодинамике  много внимания уделялось обратимым  процессам и равновесным состояниям, так что более подходящим для  нее казалось название "термостатика", но благодаря С.Аррениусу (1859–1927) и  Г. Эйрингу (1901–1981) получило весьма основательную  разработку ее применение к анализу  скоростей химических реакций (химической кинетике). В настоящее время главной  проблемой в термодинамике является ее применение к необратимым процессам, и уже достигнуты большие успехи в построении теории, по широте охвата сравнимой с термодинамикой обратимых  процессов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Развитие термодинамики.  Формирование представлений о  превращении энергии

 

         До возникновения термодинамики понятие времени по существу отсутствовало в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и имеющих свою историю. Хотя в качестве переменной время входит во все уравнения классической и квантовой механики, тем не менее, оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е. относить его как будущему, так и к прошлому.

Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних  сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена  была исследовать физические процессы при различных преобразованиях  тепловой энергии. Однако она не анализирует  внутреннее строение термодинамических  систем, как это делает статистическая физика, рассматривающая теплоту  как беспорядочное движение огромного  числа молекул.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих  явления передачи, распространения  и превращения тепла. Самым очевидным  является тот факт, что распространение  тепла представляет собой необратимый  процесс. Хорошо известно, например, что  тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в  энергию и потом использовать для производства работы. Не менее  известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот [1, 14].

Термодинамика рассматривает  системы, между которыми возможен обмен  энергией, без учета микроскопического  строения тел, составляющих систему, и  характеристик отдельных частиц. Различают термодинамику равновесных  систем или систем, переходящих к  равновесию (классическая, или равновесная  термодинамика) и неравновесных  систем (неравновесная термодинамика). Классическая термодинамика чаще всего  называется просто термодинамикой и  именно она составляет основу так  называемой Термодинамической Картины Мира (ТКМ), которая сформировалась к середине 19 в. Неравновесная термодинамика получила развитие во второй половине 20-го века и играет особую роль при рассмотрении биологических систем и феномена жизни в целом.

Таким образом, при исследовании тепловых явлений выделились два  научных направления:

1. Термодинамика, изучающая  тепловые процессы без учета  молекулярного строения вещества;

2. Молекулярно-кинетическая  теория (развитие кинетической теории  вещества в противовес теории  теплорода) [1, 19].

В 18 в. были изобретены паровые  насосы, а затем паровые машины. В начале 19 века появились пароходы, началось строительство железных дорог. Широкое применение пара выдвинуло  на первый план исследования тепловых явлений, поиск путей повышения  эффективности паровых машин. Возникла и стала быстро развиваться термодинамика. Процесс ее развития был фактически процессом интеграции знаний. Если в начале века только что родившаяся термодинамика выступала как  механическая теория теплоты, то на склоне века она представляла собой весьма общую теорию, выходящую собственно за рамки тепловых явлений, прикладываемую ко всем физическим и химическим процессам, происходящим в веществе, в различных  системах. Важным достижением на пути этого процесса интеграции знаний было открытие фундаментального закона природы - закона сохранения и превращения  энергии.

Основатель термодинамики  С. Карно в своем труде "Размышления  о движущей силе огня и о машинах, способах развивать эту силу" пишет: "Тепло - это не что иное, как движущая сила, или вернее движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тел. Таким образом, можно высказать  общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве, она никогда не создается, никогда  не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызывает то один род движения, то другой ..." Чтобы  усмотреть здесь закон сохранения и превращения энергии - достаточно вместо "движущей силы" поставить "энергию" (термин "энергия" был введен еще Юнгом в 1807 г., но прижился не сразу; под "энергией" Юнг понимал произведение массы  тела на квадрат его скорости).

Открытие закона сохранения и превращения энергии обычно связывают с именами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца. Второе начало термодинамики как некоторое  эмпирическое правило было впервые  сформулировано в 1850 г. Р. Клаузиусом и  в 1851 У.Томсоном (Клаузиус ввел понятия  внутренней энергии, а также величины, названной "энтропией") [1, 23].

 

1.1 Первый закон  термодинамики

 

         На рис. 1 условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.

Если система обменивается теплом с окружающими телами и  совершает работу (положительную  или отрицательную), то изменяется состояние  системы, то есть изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем).

Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими  параметрами, характеризующими состояние  системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

 

 

Рисунок 1 - Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы

Первый закон термодинамики  является обобщением закона сохранения и превращения энергии для  термодинамической системы. Он формулируется  следующим образом:

Изменение ΔU внутренней энергии  неизолированной термодинамической  системы равно разности между  количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами

 

ΔU = Q – A

 

1.2 Второй закон  термодинамики

 

         На современном научном языке второе начало термодинамики звучит так: В необратимых процессах полная энтропия системы всегда возрастает. Клаузиус и Томсон пришли к фундаментальному выводу, относящемуся к Вселенной в целом. В действительности обратимых процессов не бывает. Любое механическое движение происходит с хотя бы с малой долей превращения механической энергии в тепловую - выделяемую при трении. Рано или поздно все движущиеся тела остановятся, наступит равновесие, отвечающее максимальной энтропии. Томсон заключил, что "миру грозит тепловая смерть". И в то же время "энергия мира остается неизменной". Второй закон термодинамики называют законом возрастания энтропии.

В дальнейшем немецкий физик  Рудольф Клаузиус (1822—1888) использовал  для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии австрийский  физик Людвиг Больцман (1844— 1906) интерпретировал  в терминах изменения порядка  в системе. Когда энтропия системы  возрастает, то соответственно усиливается  беспорядок в системе. В таком  случае второй закон термодинамики  постулирует:

Энтропия замкнутой системы, т. е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией ни веществом, постоянно возрастает.

А это означает, что такие  системы эволюционируют в сторону  увеличения в них беспорядка, хаоса  и дезорганизации, пока не достигнут  точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным [2, 47].

Поскольку об изменении систем в классической термодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии, то последняя и выступает в  качестве своеобразной стрелы времени. В механических процессах ни о  каком реальном времени говорить не приходится. Задав в них начальное  состояние (координаты и импульсы), можно, согласно уравнениям движения, однозначно определить любое другое ее состояние в будущем или  прошлом. Поэтому время в них  выступает просто как параметр, знак которого можно менять на обратный, и таким образом вернуться  к первоначальному состоянию  системы. Ничего подобного не встречается  в термодинамических процессах, которые являются необратимыми по своей  природе.

 

Термодинамика впервые ввела  в физику понятие времени в  весьма своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания  энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной  промежуток прошла система в своей  эволюции.

Тепловые и механические процессы несхожи. Все явления, описываемые  механикой Ньютона, - чисто механические явления - обратимы. Это значит, что  законы механики не меняются при изменении  знака времени, т.е. замены в формулах t на -t. В самом деле, второй закон  Ньютона содержит ускорение (вторую производную от перемещения по времени), где время в квадрате.

Но что такое знак времени? Время течет из прошлого через  настоящее в будущее. Возвращение  назад не происходит. Действительность необратима. Человек рождается, растет, достигает зрелости, старится и умирает. Жизнь необратима. Если выразить математически, то в уравнение движения войдет сила трения, пропорциональная скорости, (скорость в первой степени и инвариантность по отношению к замене t на -t исчезает).

Если два тела с разными  температурами, находятся в контакте, теплота перетекает от более нагретого  тела к менее нагретому. Температуры  выравниваются. Прошлое - разность температур, будущее - равные температуры. Процесс  перехода теплоты от одного тела к  другому необратим. Невозможно самопроизвольно  разделение тела, находящегося при  определенной температуре, на две части - горячую и холодную. Различие между механическими и тепловыми явлениями оказались связанными с самыми глубокими вопросами естествознания [2, 59].

Раскрытие природы и смысла необратимых процессов стало  одной из центральных проблем  физики 19 века. И не только физики. Система, в которой протекают тепловые процессы, способна к необратимому развитию, т.е. к эволюции. Ясное понимание  такой способности пришло в науку  лет через тридцать после труда  Карно, но было этим трудом подготовлено. В те же десятилетия строилась  эволюционная теория в биологии, нашедшая свое выражение в "Происхождении  видов" Чарльза Дарвина, опубликованном в 1859 г. Речь шла об эволюции, т.е. о  необратимом развитии живой природы. Наиболее резкое противоречие в прошлом  веке возникло между прежней физикой  и эволюционной теорией Дарвина. Если, например, в механике все процессы представляются обратимыми, лишенными  своей истории и развития, то теория Дарвина убедительно доказала, что  новые виды растений и животных возникают  в ходе эволюции в результате борьбы за существование. В этой борьбе выживают те организмы, которые оказываются  лучше приспособленными к изменившимся условиям окружающей среды. Следовательно, в живой природе все процессы являются необратимыми. То же самое  можно сказать в принципе и  о социально-экономических, культурно-исторических и гуманитарных системах, хотя эволюция в природе происходит значительно  медленнее, чем в обществе. Связи  между биологией и физикой, вначале  казавшиеся несуществующими, сыграли  громадную роль в развитии науки.

В изолированных системах направление времени совпадает  с направлением возрастания энтропии. К моменту зарождения термодинамики  в естествознании господствовала механика Ньютона с обратимым временем, механика неразвивающегося мира. Времени  в этом естествознании не было. Оно  существовало в гуманитарных науках, прежде всего в истории. Время  впервые появилось во втором начале термодинамики - возникло необратимое  возрастание энтропии в самопроизвольных процессах. Но в остальном термодинамика  была термостатикой - наукой о равновесиях  и равновесных процессах.