Термодинамика. Ключевые моменты и основные принципы.

Посмотрите вокруг себя на этот удивительный мир энергии в движении, и увидите законы термодинамики в действии: процесс преобразования химической энергии пищи в полезную энергию в теле или преобразование механической энергии в кинетическую энергию в автомобиле или самолёте. Термодинамика — это образ жизни.

Значение термодинамики

В природе участвует энергия.

В естественных науках термодинамика имеет большое значение, так как в запущенных процессах в природе участвует энергия. Это касается и живых существ. Термодинамика помогает понимать физические свойства или изменения в агрегатных состояниях, какие химические реакции могут и не могут иметь место. В физике также подчёркивается, что термодинамика объединяет независимо разработанные области, такие как классическая механика или квантовая механика, благодаря универсальной концепции энергии.

В машиностроении термодинамическая наука важна для тепло- и массообмена, проектирования, расчёта и анализа машин или систем: тепловых двигателей (паровые двигатели, газовые или паровые турбины, дизельные двигатели), оборудования (насосы, компрессоры, кондиционеры, холодильное оборудование, промышленные печи и др.), электростанций.

Термодинамика — это научная концепция о работе энергии. Набор законов термодинамики работает в электронике, холодильниках, автомобилях, самолётах и т.д. Эта наука вплетена в ткань жизни. Например, когда готовите шашлык или курицу на гриле, то это первый закон термодинамики на работе, передающий энергию в форме тепла пище.

Закон Кирхгофа согласуется с первым законом термодинамики, утверждая, что ток так же, как энергия, не может быть создан или разрушен, а только преобразуется. Для второго закона термодинамики имеем эффект Зеебека, который можно наблюдать в электрических цепях, где тепло будет течь к более холодному проводнику в процессе создания потока тока в цепи. Здесь имеем в действии энтропию, которая создаёт рост беспорядка.

Законы термодинамики действуют при преобразованиях энергии, а в технологическом процессе описывают свойства и поведение веществ, участвующих в процессах. Основные теоремы термодинамики имеют большое значение, подобное аксиомам Ньютона в классической механике или уравнениям Максвелла в электродинамике.

Научные подходы в термодинамике

Существуют два подхода в термодинамике, которые отличаются тем, что рассматриваются ли вещества как континуум (целое), которые можно разделить по желанию, или же как совокупность атомов или молекул.

Старый подход рассматривает вещества как континуум, при котором наука называется классической или технической термодинамикой. Она использует такие термины, как тепло, давление, объем и температура. Это часть классической физики и технических наук.

Термодинамика описывает поведение отдельных частиц, используя статистические методы и кинетическую теорию газов. Поэтому является частью статистической физики и объясняет, например, что давление газа в объёме возникает в результате столкновений отдельных молекул газа или, как температура связана с кинетической энергией частиц. Этот подход служит объяснением явлений и теоретической основой для основных положений, но не даёт никаких преимуществ для анализа или расчёта в технических науках.

Термодинамика имеет дело с процессами при воздействии тепла, не вдаваясь в особенности участвующих веществ. Циркулярные процессы, которые распространены в технике, имеют особое значение. Наука описывает состояния вещества и их изменение (таяние, кипение, испарение и т.д.) или химические реакции, которые сильно зависят от соответствующих веществ.

Из-за долгой истории термодинамики и широкого диапазона применений в описании используются: техническая термодинамика (например, при описании двигателя внутреннего сгорания или холодильника), химическая термодинамика (например, при описании химической реакции) и статистическая термодинамика (например, при описании упорядоченных квантовых состояний в твёрдых телах).

Системы и окружение

Система и окружение.

Мы живём в системе, где материя и энергия постоянно обмениваются. Поток обмена бесконечен. Возьмём, к примеру, процесс еды, при котором энергия пищи превращается в форму усваиваемой энергии для организма. Тело получает энергию от пищи для выполнения работы.

Этот процесс обмена, при котором энергия превращается из одного состояния в другое, происходит внутри систем и окружения. Когда утром включаете электрический чайник, то без воды не будете нагревать. Вода, заключённая в металлический контейнер, это система. Остальная часть кухни и квартиры, это окружение.

Когда чайник начинает кипеть, он превращает часть воды в пар, который выходит из носика сверху. Эта преобразованная энергия пересекает границу системы и выходит в окружающую среду за пределами чайника. Это термодинамика в работе. Происходит перенос энергии и вещества от системы к окружающей среде.

Каждая термодинамическая система окружена границей и окружением. Системы определяются наблюдателем. Поэтому это может быть чайник, дом, окрестности. Всё зависит от перспективы наблюдателя. Каждая система в термодинамике находится в пределах определённой границы, а по другую сторону границы находятся окрестности.

Система и окружение разделены границей. Например, если система представляет собой один моль газа в контейнере, то граница — это внутренняя стенка контейнера. Все, что находится за пределами границы, считается окружающей средой, в которую входит контейнер.

Существует три типа систем в термодинамике:

  • Открытая система. Энергия и материя обмениваются между системой и окружением.
  • Закрытая система. Только энергией можно обменяться между системой и окружением. В замкнутой системе материя не может пройти через границу
  • Изолированная система. Ни вещество, ни энергия не могут проходить через границу. Изолированная система встречается редко.

Кто открыл законы термодинамики?

Сади Карно.

Законы термодинамики не были открыты одним человеком. Развитие восходит к 1600-м годам, когда впервые была сформулирована основная идея тепла и температуры. В 1824 году французский физик Сади Карно был первым, кто определил основные принципы термодинамики в своих дискуссиях об эффективности идеальной машины. Сади первоначально использовал калорийную систему для описания тепла, которое теряется при движении двигателя. Это тепло впоследствии было заменено энтропией во втором законе термодинамики.

В 1850 году немецкий физик Р.Клаузиус разработал утверждение, в котором говорилось, что «тепло обычно не может спонтанно течь из материала с более низкой температурой в материал с более высокой температурой». Примерно в то же время У.Томсон (лорд Кельвин) разработал утверждение, в котором говорилось, что «невозможно полностью преобразовать тепло в циклическом процессе (без потери энергии)».

Оба этих утверждения стали основой первого и второго законов термодинамики. Третий закон термодинамики был позже разработан немецким химиком В.Нернстом и часто упоминается как теорема Нернста.

Первый установленный термодинамический принцип, который стал вторым законом термодинамики, был сформулирован Сади Карно в 1824 году. К 1873 году, например, термодинамик Д.У.Гиббс в мемуарах «Графические методы в термодинамике жидкостей» чётко сформулировал первые два основных закона термодинамики. Некоторые учебники 20-го века нумеруют законы по-разному.

Гельмгольц занимался энергетическими вопросами химических реакций и утверждал, что тепло выделяется в химических превращениях. Однако, были также преобразования, которые произвели холод. В эссе «Термодинамика химических процессов» Гельмгольц разделил энергию на преобразование веществ в свободную и связанную энергию. Гельмгольц объединил внутреннюю энергию и свободную энергию с энтропией и температурой.

Согласно Гельмгольцу, материальные превращения возможны только при уменьшении свободной энергии. Также американский физико-химик Д.У.Гиббс в 1878 году высказал соображения, подобные тем, что были у Гельмгольца. Взаимосвязь между разницей энтальпии минус произведение разности энтропии и температуры называется разницей в свободной энтальпии. Это отношение называется уравнением Гиббса-Гельмгольца в честь двух учёных. С помощью уравнения Гиббса-Гельмгольца химик делает заявления о материальном превращении молекул и рассчитывает необходимые температуры и концентрации химических реакций.

В дополнение к классической термодинамике была разработана теория кинетического газа. Газы состоят из частиц, атомов или молекул, которые свободно перемещаются в пустом пространстве между относительно редкими столкновениями. Когда температура повышается, частицы движутся быстрее и оказывают большее давление на стенки сосуда из-за более частых и сильных ударов.

В некоторых областях, удалённых от химии, второй закон рассматривался только для эффективности тепловых двигателей, тогда как то, что называлось третьим законом, касалось увеличения энтропии. Непосредственное определение нулевых точек для расчётов энтропии не считалось законом. Постепенно это разделение было объединено во второй закон, и современный третий закон получил широкое распространение.

Цикл Карно для парового двигателя

Идеальный паровой двигатель Карно.

Идеальный паровой двигатель Карно

На рисунке приведён эскиз Карно на его гипотетической машине. Цилиндр, показанный в центре, может быть подключён к источнику тепла внизу слева или источнику холода внизу справа, что в каждом случае приводит к расширению или сжатию содержимого цилиндра. Движение поршня можно использовать как механическую меру работы, выполняемой тепловым потоком.

Французский физик Карно в 1824 году изучил количество тепла парового двигателя. Он обнаружил, что пар горячей воды нагревает резервуар с холодной водой при выполнении механической работы. Карно подозревал, что в этом процессе не было потеряно тепла. Карно описал процессы в паровом двигателе как цикл, который позже был представлен в математической форме Э.Клапейроном как идеальный цикл Карно.

Карно не подозревал, что количество тепла в паровом двигателе останется нетронутым, но Майер предположил, что формы энергии могут быть преобразованы друг в друга. Немецкий физик Р.Клаузиус связал идеи Майера и Карно в 1854 году. Он показал, что при работе парового двигателя тепло всегда течёт из более тёплого резервуара в более холодный резервуар, и основной тезис Карно верен.

Однако, как предполагал Карно, тепловая энергия не остаётся постоянной, а частично преобразуется в механическую работу. Клаузиус обнаружил, что тепловая энергия машины (парового двигателя) может быть частично преобразована в механическую работу, а другая часть энергии выделяется в окружающую среду. Эффективность машины показывает коэффициент преобразования механической энергии в тепло.

Процесс Карно — это идеальный цикл. Поскольку тепло никогда не может быть полностью преобразовано в техническую работу (эксергия), эффективность процесса Карно указывает на максимальный объем работы, который получается из тепла.

Понимание Клаузиуса формирует второй принцип термодинамики: «Не существует периодически работающей машины, которая не делает ничего, кроме преобразования тепла в механическую работу». Количество тепла, которое нельзя использовать для механической работы, передаётся в окружающую среду. Клаузиус объединил это непригодное количество тепла с соответствующей температурой, чтобы создать новую функцию — энтропию.

Все процессы преобразования естественной энергии содержат необратимую долю энтропии, при которой неиспользованное тепло выделяется в окружающую среду. Энтропия означает «внутрь, т.е. энергия, которая больше не является конвертируемой или пригодной для использования». Позднее Больцман понимал энтропию как меру неупорядоченных движений системы. Только в замкнутой системе и с обратимым изменением состояния разница энтропии между начальным и конечным состоянием остаётся нулевой.

4 главных принципа термодинамики. Ключевые моменты

Четыре основных закона термодинамики описывают важные физические идеи, связанные с энергией. Особенности положений науки о тепле объясняются здесь без использования сложных теоретических конструкций и без математических деталей.

Есть 4 закона термодинамики. Они являются важными законами во всей физике. Законы следующие:

  • Нулевой закон термодинамики: если две термодинамические системы находятся в тепловом равновесии с третьей, то они находятся в тепловом равновесии друг с другом. Переменной состояния, которое соответствует этим системам, является температура.
  • Первый закон термодинамики: энергия замкнутой системы постоянна. Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Она может только изменить формы. В любом процессе общая энергия вселенной остаётся неизменной. Для термодинамического цикла чистая теплота, подаваемая в систему, равна чистой работе, проделанной системой.
  • Второй закон термодинамики: тепловая энергия не может быть преобразована в другие виды энергии в какой-либо степени. Энтропия изолированной системы, не находящейся в равновесии, будет иметь тенденцию к увеличению со временем, приближаясь к максимальному значению в равновесии.
  • Третий закон термодинамики (теорема Нернста): абсолютный ноль температуры недостижим. Когда температура приближается к абсолютному нулю, энтропия системы приближается к минимуму. Абсолютный ноль — самая низкая температура, которая теоретически возможна. Энтропия — термодинамическое свойство, которое является мерой тепловой энергии системы на единицу температуры, недоступной для выполнения полезной работы.

Первый закон гласит, что полная энергия постоянна в замкнутой системе. Его называют законом сохранения энергии. Второй закон выражает направление, в котором преобразование энергии возможно. Например, можно использовать механическую, электрическую или химическую энергию и конвертировать в тепловую энергию. Тепловая энергия может быть преобразована в эти энергии только частично и только с большими техническими усилиями.

Важные условия термодинамики

Необратимый круговой термодинамический процесс.

Необратимый круговой термодинамический процесс

В термодинамике энергия понимается как сумма двух частей, а именно эксергии и анергии, где каждая часть может быть 0. Эксергия может быть преобразована в другие виды энергии (техническая работа), то есть работа, или может быть преобразована в анергию. Техническая работа всегда чистая эксергия и поэтому не содержит энтропии. Анергия больше не может быть преобразована в другие виды энергии.

Среда или состояние окружающей среды служит в качестве эталона для способности выполнять работу системы. Системы, которые не находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, все ещё имеют эксергию, в то время как энергия в окружающей среде является чистой анергией.

Обширные переменные состояния, такие как внутренняя энергия U, энтропия S, объем V и число частиц N, изменяются при разделении системы. Напротив, переменные интенсивного состояния, такие как температура T, давление p, концентрация n и химический потенциал μ остаются неизменными.

Система переходит из одного состояния в другое в процессе. Переменные процесса, например, подаваемое тепло, расход или рассеиваемая мощность. Если переменная состояния остаётся неизменной во время изменения состояния (процесса), то она идентифицируется с префиксом «изо».

Обычными являются изохорический (поддерживает объём, как в равновесном процессе), изобарный (поддерживает давление, как в процессе постоянного давления), изотермический (поддерживает температуру), изоэнтальпический (поддерживает энтальпию) или изоэнтропический (поддерживает энтропию, поэтому обратимый). Изоэнтропическое изменение состояния происходит адиабатически и плавно. Изоэнтроп не следует путать с изотропным!

Закрытые или изолированные системы не обмениваются веществами или энергией с окружающей средой, закрытые системы все ещё могут обмениваться энергией, а открытые системы допускают как материальные, так и энергетические потоки.

Системные границы или балансовые отчёты являются виртуальными границами для анализа системы (анализ материальных потоков). Изменение переменной состояния в пределах границы системы можно увидеть в уравнении баланса.

Циклические процессы протекают циклически и всегда возвращают свои материалы в исходное состояние. Циклы против часовой стрелки используют работу (чиллеры, тепловые насосы), циклы по часовой стрелке обеспечивают работу (тепловые двигатели).

В термодинамических формулах определенные буквы всегда используются для определенных размеров. Заглавные буквы в формулах обозначают абсолютный размер, например, V как объем [м³]. Буквами в нижнем регистре обозначены конкретные размеры, например v как объёмный расход (объем в расчёте на массу, [м³ / кг]), массовый расход [кг / с] или количество вещества [м³ / моль].

Термодинамическое или абсолютная температура T измеряется в градусах Кельвина. 0 Кельвина (-273,15° C) нельзя достичь термодинамическими средствами (3-й закон). Внутренняя энергия U хранится в виде тепловой энергии в системе, энтальпия H дополнительно хранится в объёмной энергии, умноженной на давление.

Теплоёмкость относится к способности вещества поглощать тепловую энергию. Чем больше теплоёмкость, тем меньше изменение температуры при поглощении или выделении тепла.

Энтропия и фазовое пространство

Энтропия.

Энтропия — важное понятие в области термодинамики. Это основная идея второго и третьего законов, которая проявляется повсюду. Энтропия является мерой беспорядка и случайности в системе. Вот 2 примера:

  • Допустим, есть контейнер с молекулами газа. Если все молекулы находятся в одном углу, то это будет состояние с низкой энтропией (высокоорганизованное). Когда частица выходит и заполняет остальную часть контейнера, тогда энтропия (беспорядок) увеличивается.
  • Если есть шар, летящий по воздуху, то имеет организованную энергию (кинетическую энергию движения). Однако при движении по воздуху некоторая часть кинетической энергии распределяется между частицами воздуха, поэтому общая энтропия системы увеличилась (однако общая энергия сохраняется благодаря первому закону).

Энтропия S является мерой расстройства и в то же время мерой вероятности состояния. Энтропия не уменьшается в замкнутой системе. Системы стремятся к максимально возможной энтропии (2-й закон) по собственной инициативе.

Все точки в области фазового пространства имеют одинаковую энтропию, и значение энтропии связано с логарифмом объёма. Энтропия также может быть определена как изменение, когда энергия передаётся при постоянной температуре. При тотальном хаосе энтропия берёт верх.

Вывод

Чтобы кратко и точно описать системы и свойства, в термодинамике неоднократно используются определённые термины: энтропия и тепловая энергия, которые включены в каждую систему. В изолированной системе температура является мерой тепловой энергии, которую она содержит. Термодинамика связывает тепловые переменные процесса и работу на границе системы с переменными состояния, которые описывают состояние системы.

На основе четырёх фундаментальных принципов и специфических для вещества эмпирических уравнений состояния термодинамика позволяет делать заявления о том, какие изменения в системе возможны (например, какие химические реакции или фазовые переходы происходят) и какие значения переменных интенсивного состояния требуются для этого.

Наука о тепле используется для расчёта выбросов тепловой энергии, давления, температуры или объёма и поэтому имеет большое значение для понимания и планирования процессов в химических предприятиях, в тепловых двигателях, холодильных установках и в технологии отопления и кондиционирования.

Термодинамика — это не только изучение тепла и работы, а изучение жизни. Чтобы избежать путаницы, учёные обсуждают термодинамические значения в отношении системы и её окружения. Всё, что не является частью системы, составляет окружение. Граница должна быть чётко определена, чтобы точно сказать, находится ли данная часть в системе или в окружающей среде. На высоком уровне Вселенная считается системой. На вопрос об окружении Вселенной ещё предстоит ответить.

Принцип работы парового двигателя.

Принцип работы парового двигателя (красный = очень горячий, желтый = менее горячий, синий = конечная температура среды)

Использованные материалы

  1. Термодинамика. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0
  2. Термодинамика. https://en.wikipedia.org/wiki/Thermodynamics
  3. Законы термодинамики. https://en.wikipedia.org/wiki/Laws_of_thermodynamics
  4. Законы термодинамики. https://science.wikia.org/ru/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%8B_%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B8
  5. И.Н.Бекман. Классическая термодинамика. http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.files/Inf03.pdf
  6. В.И.Барсуков, О.С.Дмитриев. Молекулярная физика и начала термодинамики. https://tstu.ru/book/elib/pdf/2015/bars1-t.pdf

Автор: Королёв Сергей

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *