Законы термодинамики и их практическое значение

ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ  И ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ.

 
 
 
 

Термодинамика - дедуктивная наука. Её основные успехи могут быть охарактеризованы тем, что  она позволяет получить множество  различных соотношений межу величинами, определяющими состояние тел, опираясь на весьма общие электрические законы - начала-термодинамики. 

Термодинамика в своей основе — наука о  температуре, теплоте и превращениях теплоты и работы друг в друга.

Свое название эта наука получила от двух греческих  слов: «терме» и «динамис». Первое слово означает «теплота». Вторым словом раньше выражали различные понятия: силу и работу. 

Законы  — начала термодинамики. 

Термодинамика основывается на трёх законах —  началах, которые сформулированы на основе экспериментальных данных и  поэтому могут быть приняты как  постулаты. 

• 1-й  закон — первое  начало термодинамики.

 Представляет  собой формулировку обобщённого  закона сохранения энергии для  термодинамических процессов. В  наиболее простой форме его  можно записать как  Q = A + ∆U, где ∆U есть полный дифференциал внутренней энергии системы, а Q и A есть  количество теплоты, переданное системе, и работа, совершенная системой соответственно. Вместо работы А, совершаемой внешними силами над термодинамической системой, часто удобнее бывает рассматривать работу А’, совершаемую термодинамической системой над внешними телами. Так как эти работы равны по абсолютному значению, но противоположны по знаку: 

То первый закон  термодинамики имеет второе выражение : 

«Вечные двигатели». Современная жизнь человека невозможна без использования самых разнообразных машин. С помощью машин человек обрабатывает землю, добывает нефть, руду, прочие полезные ископаемые, передвигается и т.д. Основным свойством машин является их способность совершать работу.

Многие изобретатели пытались построить машину — вечный двигатель, способную совершать  полезную работу без каких-либо изменений внутри машины. Все эти попытки заканчивались неудачей.  Невозможность создания «вечного двигателя»  - это экспериментальное доказательство первого закона термодинамики, согласно которому мы имеем: 

Любая машина может  совершать работу  над внешними телами только за счет получения извне  количества теплоты Q или уменьшения своей внутренней энергии .

• 2-й закон — второе начало термодинамики:
• Сущность второго закона термодинамики состоит в констатации того факта, что любой естественный самопроизвольный процесс в природе протекает в определенном, ему присущем направлении и не может быть проведен в противоположном направлении без затраты энергии.

Q₁

• Существует много формулировок второго закона термодинамики. Приведем лишь те из них, которые напрямую определяют условия проведения процессов, используемых в теплоэнергетике:

Невозможно  осуществить передачу теплоты от источника  с более низкой температурой к источнику  с более высокой  температурой без  компенсации.

Под компенсацией здесь понимается затрата энергии, полученной в результате любых естественных процессов: затрата работы, затрата  теплоты источника с высокой  температурой и др.

Невозможно  осуществить периодически действующий двигатель  в результате действия, которого производилась  бы положительная  работа за счет взаимодействия его лишь с одним  источником теплоты.

Этой формулировкой  устанавливается, что для работы любого теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты  с различной температурой. Если бы было возможно осуществить двигатель, производящий работу за счет контакта с одним источником теплоты, например с окружающей Землю гидросферой, то он мог бы действовать неограниченно  долго. Такой двигатель называется вечным двигателем второго рода, и  приведенную выше формулировку можно  перефразировать: невозможно осуществить  вечный двигатель второго рода.

В то же время  условие для работы теплового  двигателя можно сформулировать не только в виде запретительных положений. «Везде, где есть разность температур, возможно получение работы.» Так  писал Сади Карно, открывший в 1824 г. Второй закон термодинамики.

      Из  второго закона термодинамики следует  качественная неэквивалентность работы и теплоты. Работа без ограничений  может быть передана другому телу или полностью преобразована  в теплоту.  Теплота же может  быть передана без компенсации только телу с температурой не большей, чем  температура передающего ее тела.  Полученная от горячего теплового источника  теплота не может быть полностью  преобразована в работу, так как  часть ее обязательно должна быть отдана холодному тепловому источнику.

   На  основе второго закона термодинамики  вводится понятие обратимого процесса. Обратимым  называется процесс, после проведения которого система сохраняет возможность вернуться в первоначальное состояние, так что ни в системе, ни во взаимодействовавших с ней телах не произойдут какие-либо конечные изменения. Не удовлетворяющий этому условию процесс называется необратимым. Причиной необратимости может быть наличие в ходе процесса теплообмена при конечной разности температур рабочего тела и окружающих тел, так как при проведении обратного процесса подвод теплоты от этих тел к рабочему телу невозможен без компенсации.  Точно так же источниками необратимости являются трение, диффузия или расширение рабочего тела в абсолютный вакуум. Очевидно,  что обратимые процессы  есть абстракция и все реальные процессы в той или иной степени необратимы. Однако при обратимых процессах достигаются наилучшие характеристики циклов, и они являются объектом термодинамического анализа, а влияние необратимости учитывается введением эмпирических коэффициентов.

• Второй закон термодинамики исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Имеется несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок этого закона:

 1) Постулат Клаузиуса. «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему». Это явление называют рассеиванием или дисперсией энергии.

2 ) Постулат Кельвина. Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе.

Из постулата  Кельвина непосредственно следует  невозможность существования вечного  двигателя второго рода. Поэтому  неудача всех попыток построить  такой двигатель является экспериментальным  доказательством второго закона термодинамики. 

• 3-й  закон — третье  начало термодинамики .

В начале ХХ в. (1906-1912 гг.) в результате исследований свойств тел при низких температурах  Нернстом было установлено третье начало термодинамики, которое после долгих лет обсуждения в настоящее время так же прочно обосновано, как и первые два начала. Непосредственной областью применимости третьего начала являются  процессы при низких температурах. Однако оно играет существенную роль и в более широком температурном интервале, так как позволяет определять аддитивные постоянные в выражениях для энтропии, которые нельзя вычислить каким либо другим путем.

Открытие третьего начла термодинамики связано  с нахождением химического средства-величины, характеризующей способность различных  веществ химически реагировать  друг с другом. Эта величина определяется работой W химических сил при реакции.

Первое и второе начала термодинамики позволяют  вычислить химическое сродство W только с точностью до некоторой неопределенной функции I(T). Чтобы определить эту функцию, нужны в дополнение к обоим началам термодинамики новые опытные данные о свойствах тел. Поэтому Нернстом были предприняты широкие экспериментальные исследования поведения веществ при низкой температуре. В результате этих исследований  и было сформулировано третье начало термодинамики: по мере приближения температуры к 0 К энтропия всякой равновесной системы при изотермических процессах  перестает зависеть от каких-либо термодинамических параметров состояния и в пределе (Т=0 К) принимает одну и ту же величину, которую можно принять равной нулю.

Общность этого  утверждения состоит в том, что, во-первых, оно относится к любой  равновесной системе и, во-вторых, что при Т→ 0 К энтропия не зависит от значения любого параметра системы. Таким образом, по третьему началу.           или

                          

где x — любой термодинамический параметр. 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 

Термодинамическая энтропия.

Термодинамическая энтропия S, часто просто именуемая энтропия, в химии и термодинамике является функцией состояния термодинамической системы; её существование постулируется вторым началом термодинамики.

Понятие энтропии было впервые введено в 1865 году Рудольфом  Клаузиусом. Он определил изменение энтропии термодинамической системы при обратимом процессе как отношение изменения общего количества тепла ΔQ к величине абсолютной температуры T:

Рудольф Клаузиус дал величине S имя «энтропия», происходящее от греческого слова τρoπή, «изменение» (изменение, превращение, преобразование). Данное равенство относится к изменению энтропии, не определяя полностью саму энтропию. Эта формула применима только для изотермического процесса происходящего при постоянной температуре. 
 
 

Цикл  Карно.

Французский инженер Сади Карно, выясняя, при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов. Выбор именно этих процессов обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, а значит, исключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно  самый эффективный (из всех возможных) цикл, имеющий максимальный КПД. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

КПД тепловой машины Карно

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя  при изотермическом расширении, равно

Аналогично, при  изотермическом сжатии рабочее тело отдало холодильнику

 

Отсюда коэффициент  полезного действия тепловой машины Карно равен

 

Из последнего выражения видно, что КПД тепловой машины Карно зависит только от температур нагревателя и холодильника. Кроме  того, из него следует, что КПД может  составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна  абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного  нуля (этот вопрос решается только третьим  началом термодинамики, учитывать  которое здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или  нельзя замкнуть, или он вырождается  в совокупность двух совпадающих  адиабат и изотерм.

Можно показать, что КПД любой тепловой машины, работающей по циклу, отличному от цикла  Карно, будет меньше КПД тепловой машины Карно, работающей при тех  же температурах нагревателя и холодильника.