Законы Законы термодинамикитермодинамики

МОУ Гимназии №26МОУ Гимназии №26

Выполнил: Селивнов М., Турсунова И.,

Кожухова В.

учащиеся 10-В класса

Руководитель: Пылкова Любовь Васильевна,

учитель физики

2007\ 2008 учебный год

НУЛЕВОЕ НАЧАЛО НУЛЕВОЕ НАЧАЛО

ТЕРМОДИНАМИКИТЕРМОДИНАМИКИ

Нулевое начало термодинамики Нулевое начало термодинамики сформулированное всего около 50 лет назад , по сформулированное всего около 50 лет назад , по существу представляет собой полученное существу представляет собой полученное «задним числом» логическое оправдание для «задним числом» логическое оправдание для введения понятия температуры физических тел . введения понятия температуры физических тел . Температура - одно из самых глубоких понятий Температура - одно из самых глубоких понятий термодинамики . Температура играет столь же термодинамики . Температура играет столь же важную роль в термодинамике , как , например важную роль в термодинамике , как , например процессы. Впервые центральное место в физике процессы. Впервые центральное место в физике занял совершенно абстрактное понятие ; оно занял совершенно абстрактное понятие ; оно пришло на смену введенному еще во времена пришло на смену введенному еще во времена Ньютона ( 17 век) понятию силы - на первый Ньютона ( 17 век) понятию силы - на первый взгляд более конкретному и «осязаемому» и к взгляд более конкретному и «осязаемому» и к тому же успешно « математезированному» тому же успешно « математезированному» Ньютоном. Ньютоном.

Первое закон Первое закон термодинамикитермодинамики

Первый закон термодинамика – это закон Первый закон термодинамика – это закон сохранения энергии, распространенный на сохранения энергии, распространенный на тепловые явления. Он показывает, от каких тепловые явления. Он показывает, от каких причин зависит изменение внутренней причин зависит изменение внутренней энергии. Этот великий закон прост: энергии. Этот великий закон прост: U = AU = A++QQ

Часто вместо работы А внешних тел над Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматривают работу Асистемой рассматривают работу А`̀ системы системы над внешними телами. Учитываю, что Анад внешними телами. Учитываю, что А`̀= -А, = -А, первый закон термодинамики в в форме первый закон термодинамики в в форме U = U = AA++QQ можно переписать так: можно переписать так: Q=Q=U+A`U+A`

Суть первого закона в утверждении: изменение Суть первого закона в утверждении: изменение так определенной энергии не зависит от так определенной энергии не зависит от процесса и определяется только начальным и процесса и определяется только начальным и конечным состояниями системы. Это означает, конечным состояниями системы. Это означает, что внутренняя энергия – однозначная что внутренняя энергия – однозначная функция состояние системы и в замкнутой функция состояние системы и в замкнутой системе сохраняется.системе сохраняется.

Невозможность создания Невозможность создания вечного двигателявечного двигателя

Задолго до открытия закона сохранения энергии Задолго до открытия закона сохранения энергии Французская Академия наук приняла в 1775г. Решение Французская Академия наук приняла в 1775г. Решение не рассматривать проектов вечных двигателей первого не рассматривать проектов вечных двигателей первого рода.рода.

Под вечным двигателем первого рода понимают Под вечным двигателем первого рода понимают устройство, которое могло бы совершать устройство, которое могло бы совершать неограниченное количество работы без затраты неограниченное количество работы без затраты топлива или каких-либо других материалов.топлива или каких-либо других материалов.

Вечные двигатели обычно конструируют на основе Вечные двигатели обычно конструируют на основе использования следующих приёмов или их использования следующих приёмов или их комбинаций:комбинаций:

1) Подъем воды с помощью архимедова винта1) Подъем воды с помощью архимедова винта;;2) Подъем воды с помощью капилляров2) Подъем воды с помощью капилляров;;3) Использование колеса с неуравновешивающимися 3) Использование колеса с неуравновешивающимися

грузамигрузами;;4) Природные магниты4) Природные магниты;;5) Электромагнетизм5) Электромагнетизм;;6) Пар или сжатый воздух.6) Пар или сжатый воздух.

Применение Применение II закона к закона к изопроцессамизопроцессам

1)1) T=const – T=const – изотермическийизотермический

T=0 T=0 Q=A’Q=A’ U=0U=02)2) P=const – P=const – изобарныйизобарный Q= Q= U+AU+A3) V=const - 3) V=const - изохорныйизохорный V=0V=0 A=0A=0 U=QU=Q

4)4)Q=const–Q=const–адиабатный адиабатный U=AU=A =-A`=-A`

Процессы в природе имеют Процессы в природе имеют определенную определенную направленность, никак не направленность, никак не отраженную в первом отраженную в первом законе термодинамики. Все законе термодинамики. Все процессы в природе процессы в природе протекают только в одном протекают только в одном определенном направлении. определенном направлении. В обратном направлении В обратном направлении самопроизвольно они самопроизвольно они протекать не могут. Все протекать не могут. Все процессы в природе процессы в природе необратимы, и самые необратимы, и самые трагические из них – трагические из них – старение истарение и смерть смерть организмов.организмов.

Второй закон Второй закон термодинамикитермодинамики

Второй закон термодинамики указывает направление Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Он был выражает необратимость процессов в природе. Он был установлен путем непосредственного обобщения опытных установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.фактов.

Немецкий ученный Р. Клаузиус сформулировал этот закон Немецкий ученный Р. Клаузиус сформулировал этот закон так: невозможно перевести тепло от более холодной так: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.изменений в обеих системах или окружающих телах.

Другая формулировка принадлежит английскому ученому Другая формулировка принадлежит английскому ученому У. КельвинуУ. Кельвину:: невозможно осуществить такой невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.взятой от одного источника.

Согласно 2 началу все процессы природы идут в оду Согласно 2 началу все процессы природы идут в оду сторону, к увеличению беспорядка, уменьшению энергии, сторону, к увеличению беспорядка, уменьшению энергии, а при а при ““полном беспорядкеполном беспорядке”” – напишет Клаузиус – наступит – напишет Клаузиус – наступит всеобщая смерть – всякое движение прекратится. Это всеобщая смерть – всякое движение прекратится. Это грустный прогноз вызвал бурю возражений.грустный прогноз вызвал бурю возражений.

И Людвиг Больцман выдвинул спасительную И Людвиг Больцман выдвинул спасительную теорию, что Вселенную необходимо теорию, что Вселенную необходимо рассматривать в целом, поскольку рассматривать в целом, поскольку процессы, происходящие в различных процессы, происходящие в различных удаленных ее частях текут независимо друг удаленных ее частях текут независимо друг от друга, а иногда и в разных направлениях. от друга, а иногда и в разных направлениях. В одной части может происходить угасание, В одной части может происходить угасание, а в другой – всплеск, выделение энергии. а в другой – всплеск, выделение энергии. Строгий анализ показывает, что Строгий анализ показывает, что IIII закон закон выполняется для замкнутых и равновесных выполняется для замкнутых и равновесных систем. Вселенную нельзя рассматривать систем. Вселенную нельзя рассматривать как равновесную систему, бурные процессы как равновесную систему, бурные процессы на близких и далеких звездах на близких и далеких звездах свидетельствуют о том, что до равновесного свидетельствуют о том, что до равновесного состояние им еще очень далеко, и третье состояние им еще очень далеко, и третье начало постулирует, что никогда, ни при начало постулирует, что никогда, ни при каких условиях не может быть достигнут каких условиях не может быть достигнут абсолютный нуль температур, хотя близкое абсолютный нуль температур, хотя близкое приближение к нему допустимо.приближение к нему допустимо.

Второй закон термодинамики постулирует Второй закон термодинамики постулирует существование функции состояния , называемой существование функции состояния , называемой «энтропией» ( что означает от греческого «энтропией» ( что означает от греческого «эволюция» ) и обладающей следующими «эволюция» ) и обладающей следующими свойствами :свойствами :

11) Энтропия системы является экстенсивным свойством ) Энтропия системы является экстенсивным свойством . Если система состоит из нескольких частей , то . Если система состоит из нескольких частей , то полная энтропия системы равна сумме энтропии полная энтропия системы равна сумме энтропии каждой части .каждой части .

2)2) Изменение энтропии Изменение энтропии SS состоит из двух частей . состоит из двух частей . Обозначим через Обозначим через SS поток энтропии, обусловленный поток энтропии, обусловленный взаимодействием с окружающей средой , а через взаимодействием с окружающей средой , а через SS - - часть энтропии , обусловленную изменениями часть энтропии , обусловленную изменениями внутри системы , имеемвнутри системы , имеем SS = = S1 S1 ++ S2S2

Приращение энтропии Приращение энтропии SS обусловленное изменением обусловленное изменением внутри системы, никогда не имеет отрицательное внутри системы, никогда не имеет отрицательное значение . Величина значение . Величина SS = 0 = 0 , только тогда , когда , только тогда , когда система претерпевает обратимые изменения , но она система претерпевает обратимые изменения , но она всегда положительна , если в системе идут такие же всегда положительна , если в системе идут такие же необратимые процессы.необратимые процессы.

Таким образомТаким образом:: SS = 0 = 0 ( обратимые процессы ); ( обратимые процессы ); SS > 0 > 0( необратимые процессы );( необратимые процессы ); Для изолированной системы поток энтропии равен Для изолированной системы поток энтропии равен

нулю и выражения обратимого процесса и нулю и выражения обратимого процесса и необратимого процесса сводятся к следующему виду необратимого процесса сводятся к следующему виду : : SS1 = 1 = SS > 0 ( изолированная система ). > 0 ( изолированная система ).

Третий закон термодинамикиТретий закон термодинамики Открытие третьего начала Открытие третьего начала

термодинамики связано с нахождением термодинамики связано с нахождением химического средства - величины , химического средства - величины , характеризующих способность различных характеризующих способность различных веществ химически реагировать друг с веществ химически реагировать друг с другом. Эта величина определяется другом. Эта величина определяется работой работой AA химических сил при реакции . химических сил при реакции . Первое и второе начало термодинамики Первое и второе начало термодинамики позволяют вычислить химическое позволяют вычислить химическое средство средство WW только с точностью до только с точностью до некоторой неопределенной функции . некоторой неопределенной функции . Чтобы определить эту функцию нужны в Чтобы определить эту функцию нужны в дополнении к обоим началам дополнении к обоим началам термодинамики новые опытные данные о термодинамики новые опытные данные о свойствах тел .свойствах тел .

Поэтому Нернстоном были Поэтому Нернстоном были предприняты широкие предприняты широкие экспериментальные исследования экспериментальные исследования поведение веществ при низкой поведение веществ при низкой температуре. В результате этих температуре. В результате этих исследований и было сформулировано исследований и было сформулировано третье начало термодинамики : по третье начало термодинамики : по мере приближения температуры к 0 мере приближения температуры к 0 К энтропия всякой равновесной К энтропия всякой равновесной системы при изотермических системы при изотермических процессах перестает зависить от процессах перестает зависить от каких-либо термодинамических каких-либо термодинамических параметров состояния и в пределе (Т= параметров состояния и в пределе (Т= 0 К) принимает одну и туже для всех 0 К) принимает одну и туже для всех систем универсальную постоянную систем универсальную постоянную величину , которую можно принять величину , которую можно принять равной нулю.равной нулю.