НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭНТРОПИИ
Общие сведения о термодинамике.
Термодинамика – наука о наиболее общих свойствах макроскопических тел и систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода из одного состояния в другое. Термодинамика исследует причины тепловых явлений.
Классическая термодинамика изучает физические объекты материального мира только в состоянии термодинамического равновесия – состояние, в которое с течением времени приходит система, находящаяся при определенных неизменных внешних условиях и определенной постоянной температуре окружающей среды. Термодинамика рассматривает условия существования необратимых процессов, что привело к возникновению отдельной науки – термодинамики необратимых процессов, сформировавшейся на основе классической термодинамики.
Равенство систем во всех точках системы или частей одной системы является условием равновесия. Например, состояние системы однородных жидкостей или газа полностью описывается заданием любых из трех величин: температуры (Т), объема (V), давления (р). Связь между р, Т, и V называется уравнением состояния.
Первое начало термодинамики.
Согласно законам термодинамики, всякая система обладает внутренней энергией – это полный запас ее кинетической и потенциальной энергии. Это энергия движения молекул и образующих их частиц, энергия взаимодействия атомов и молекул, энергия частиц атома. Внутренняя энергия изолированной системы неизменна.
|
|
|
Если система не изолирована (происходит обмен энергией между системой и окружающей средой), то происходит процесс передачи энергии.
Обобщение экспериментальных данных показывает, что в макроскопических системах существует два способа обмена энергией между системой и окружающей средой: в форме теплоты Q и в форме работы А.
Теплота – совокупность микрофизических способов передачи энергии вследствие хаотического движения частиц. Работа – упорядоченная форма передачи энергии.
В неизолированной термодинамической системе изменение внутренней энергии (U) всегда равно сумме количества теплоты Q переданного системе, и работы А внешних сил: U=Q+А. Это утверждение есть первое начало термодинамики.
Первое начало термодинамики – это закон сохранения энергии, выраженный на языке термодинамики. Из первого начала термодинамики следует невозможность создания вечного двигателя, который бы совершал работу «из ничего», без приложения внешнего источника энергии. Из первого начала следует также, что коэффициент полезного действия (отношение производственной работы к затраченной энергии) любой тепловой машины меньше 100%, так как при выполнении работы часть энергии всегда превращается в тепло.
|
|
|
Второе начало термодинамики. Энтропия.
Второе начало термодинамики сформулировано в середине XIX в.: теплота не может сама собой переходить от холодного тела к нагретому. Из приведенной формулировки вытекает следующее: теплота и работа – не эквивалентные формы передачи энергии. Работа может полностью превращаться в теплоту, но энергия теплоты превращается в работу лишь частично.
Первое начало выражает баланс энергетических процессов (внутренняя энергия системы есть сумма теплоты и работы), а второе начало указывает направление протекания этих процессов. Втрое начало отражает необратимость определенных физических процессов (установление равновесных температур при тепловом контакте горячих и холодных тел, при перемешивание газов).
Второе начало термодинамики вводит в рассмотрение новую функцию состояния – энтропию (превращение). Каждая термодинамическая система обладает функцией состояния (энтропией), обозначаемой S.
Процессы в живой и неживой материи в целом протекают так, что энтропия в замкнутых изолированных системах возрастает, а качество энергии падает. Чем более система упорядочена, тем энтропия меньше. Равномерное распределение молекул есть наиболее вероятное и одновременное наименее упорядоченное состояние.
|
|
|
В ходе необратимых процессов, т.е. при переходе к более вероятным состояниям, энтропия системы возрастает, а при обратимых процессах – сохраняется.
Энтропия – является мерой беспорядка в системе. Энтропия – это термодинамическая функция состояния, которая характеризует часть внутренней энергии системы, способной преобразоваться в механическую работу; мера хаоса, которая в состоянии теплового равновесия достигает своего максимального значения.
Третье начало термодинамики.
Среди функций состояния, кроме температуры Т, внутренней энергии U энтропии S определяется не точно. В науке возникает необходимость определить абсолютное значение энтропии. Имеются подходы (тепловая теория Нернста) для решения этого вопроса. Эта теория утверждает: энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры системы к нулю Кельвина. В силу своей общности тепловая теория Нернста является третьим началом термодинамики.
Неравновесная термодинамика.
Неравновесные системы характеризуются не только термодинамическими параметрами, но и скоростью их изменения во времени и в пространстве, которая и определяет процессы переноса (потоки) и термодинамические силы (градиенты температуры, концентрации).
|
|
|
Появление потоков в системе нарушает статистическое равновесие. В любой физической системе всегда происходят процессы, старающиеся вернуть систему в состояние равновесия.
Процессы в неравновесных системах обладают тремя свойствами:
1. Процессы, приводящие к термодинамическому равновесию (восстановлению) происходят в отсутствии факторов, сохраняющих неравновесное состояние внутри самой системы.
2. Благодаря упорядоченным подсистемам вся система в целом быстрее движется к термодинамическому равновесию.
3. Упорядоченное состояние представляет собой диссипативные структуры, которые требуют для своего становления большого притока энергии.
Неравновесные системы реагируют на малые изменения внешних условий более чутко и более разнообразно, чем термодинамическое равновесное состояние. Они могут легко разрушаться или превращаться в новые упорядоченные структуры.
Возникновение диссипативных структур носит пороговый характер. Новая структура всегда является результатом неустойчивости и возникает из-за флуктуации – степени отклонения некоторой данной величины от ее среднего значения.
Раздел IV
МЕГАМИР И ЕГО СВОЙСТВА
Содержание раздела.
Астрономия, космология. Вселенная – мегамир. Небесные тела (звезды, планеты, спутники, астероиды, галактики). Специальные единицы в космологии: астрономическая единица, световой год, парсек, килопарсек, мегапарсек. Изучение Вселенной: модели происхождения и развития Вселенной. Свойства Вселенной: однородность, изотропность, нестационарность. Понятие Красного смещения. Закон Хаббла. Теория большого Взрыва. Теория инфляции (раздувающейся Вселенной). Концепция горячей Вселенной. Реликтовое излучение. Открытие квазаров, нейтронных звезд, черных дыр.
Галактики: спиральные, эллиптические, шаровые, неправильные. Группы галактик: туманность Андролиды, наша Галактика (МП). Пылевые туманности. Межзвездный газ. Газовые туманности.
Звезды. Звездная величина (интенсивность). Светимость – истинная сила света звезды. Двойные звезды, кратные звезды, переменные звезды, их типы: затменные переменные звезды, цефеиды. Новые звезды (красные карлики). Сверхзвезды. Нейтронные звезды. Пульсары.
Солнце, его строение: ядро, область лучистого переноса энергии, конвектная зона. Внешний слой Солнца – атмосфера: фотосфера, хромосфера, корона.
Солнечная система, гипотезы ее возникновения. Теории происхождения Солнца: небулярная гипотеза Канта-Лапласа, приливная теория. Теории Чемберлена и Ф.Мультона межзвездного газа, кометная. Планеты Солнечной системы: земная группа, газовые. Формы и размеры Земли. Космические ритмы. Земная орбита. Смена времен года. Календарные системы.
Тема 1
Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 670; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!