Термодинамика. Ключевые моменты и основные принципы

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

Значение термодинамики

Естественная наука термодинамика имеет большое значение, так как в запущенных процессах в природе участвует энергия. Это касается и живых существ. Термодинамика помогает понимать свойства физические или изменения в агрегатных состояниях, химические реакции. В физике также подчёркивается, что термодинамика объединяет классическую или квантовую механику, благодаря энергетической концепции.

В машиностроении термодинамическая наука важна для тепло- и массообмена и расчёта систем и машин: паровых двигателей, газовых или паровых турбин, дизельных двигателей, насосов, компрессоров, кондиционеров, холодильного оборудования, промышленных печей, электростанций и др.

Термодинамика — это научная концепция о работе энергии. Набор законов 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 в действии, передающий энергию в форме тепла пище.

Закон Кирхгофа согласуется с 1 законом, утверждая, что ток так же, как энергия, не может быть создан или разрушен, а только преобразуется. Для 2 закона имеем эффект Зеебека, который наблюдается в электрических цепях, где тепло будет течь к более холодному проводнику при создании потока тока в цепи. Здесь имеем в действии энтропию, которая создаёт рост беспорядка.

Законы термодинамики действуют при преобразовании энергии, а в технологическом процессе описывают поведение и свойства веществ. Теоремы о тепле имеют значение, подобное аксиомам Ньютона в классической механике или уравнениям в электродинамике.

Научные подходы в термодинамике

Существуют два подхода в термодинамике, которые отличаются тем, что рассматриваются ли вещества как целое, которые разделяются по желанию, или же как совокупность молекул или атомов.

Старый подход рассматривал вещества как целое, при котором наука называется технической или классической термодинамикой. Классическая наука о тепле применяет такие термины, как тепло, объём, давление и температура. Это область классической физики и технических наук.

Термодинамика описывает поведение отдельных частиц, используя методы статистики и теорию газов кинетическую. Поэтому является областью физики статистической и объясняет, например, что давление газа в объёме возникает в результате столкновений молекул газа или, как температурка связывается с кинетической энергией частичек.

Термодинамика имеет дело с процессом при воздействии тепла, не вдаваясь в особенности веществ. Циркулярные процессы, которые распространены в технике, значимы. Наука описывает состояния вещества и изменения (таяние, испарение, кипение и т.д.) или химреакции, которые сильно зависят от веществ.

В описании диапазона применений в термодинамике используются: описание двигателя внутреннего сгорания или холодильника, химической реакции, квантовых упорядоченных состояний в твёрдых телах.

Системы 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, то 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 действии. 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 системка представляет собой один моль газа в контейнере, то граница — это внутренняя стенка контейнера. То, что находится за пределами границы, считается окружающей средой, в которую входит контейнер.

Типы систем в термодинамике

• Открытая система. Энергия и материя обмениваются между системой и окружением.
• Закрытая система. Только энергией обменивается системка с окружением. В замкнутой системке материя не проходит через границу.
• Изолированная система. Ни вещество, ни энергия не проходят через границу. Изолированная системка встречается редко.

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

Кто открыл законы термодинамики?

Законы термодинамики открыты не одним человеком. Развитие восходит к 1600-м годам, когда впервые сформулирована идея тепла и температурки. В 1824 году французский физик Карно первым определил принципы термодинамики в 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 2 законе термодинамики.

В 1850 году физик Р. Клаузиус разработал утверждение, в котором говорилось, что тепло не течёт спонтанно из материала с низкой температурой в материал с высокой температурой. 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 1 и 2 законов термодинамики. 3 закон термодинамики позже разработан немецким химиком В. Нернстом и часто упоминается как теорема Нернста.

Первый установленный термодинамический принцип, который стал 2 законом термодинамики, сформулирован Карно в 1824 году. К 1873 году, например, термодинамик Д.У. Гиббс в мемуарах «Графические методы в термодинамике жидкостей» чётко сформулировал первые два закона термодинамики. Некоторые учебники 20-го века нумеруют законы по-разному.

Гельмгольц занимался энергетикой химреакций и сделал вывод, что выделяется теплота в химических взаимодействиях. Были также преобразования, которые произвели холод. В эссе «Термодинамика химических процессов» учёный подразделил энергичность на связанную и свободную энергию. Гельмгольц связал свободную и внутреннюю энергию с температурой и энтропией.

Согласно выводам Гельмгольца, материальные преобразования проиходят только при уменьшении свободной энергии. Также американский физико-химик Д.У. Гиббс в 1878 году высказал соображения, подобные тем, что были у Гельмгольца. С помощью уравнения Гиббса-Гельмгольца, названного в честь 2 учёных, химик заявил о материальном преобразовании молекул и рассчитал концентрации химреакций и температуры.

Цикл Карно для парового двигателя

Процесс Карно — это идеальный цикл. Поскольку теплота полностью не преобразуется в работу (эксергию), то эффект процесса Карно — это максимальный объём работы, который получается из тепла.

Клаузиус выводит 2 принцип термодинамики: «Не существует периодически работающей машины, которая не делает ничего, кроме преобразования тепла в механическую работу». Тепло, которое не используется для мехработы, передаётся в окружающий объём. Клаузиус связал это непригодное тепло с температурой и создал новое понятие: энтропия.

Преобразования энергетической силы имеют необратимую долю энтропии, при которой неиспользованная теплота выделяется в окружение. Энтропия — внутренняя энергия, которая не является больше конвертируемой или пригодной для использования. Позднее Больцман понимал энтропию как меру неупорядоченных движений системы. Но в замкнутой системке и с обратимым процессом разность энтропии начала и конца состояния остаётся нулевой.

Идеальный паровой двигатель Карно

На рисунке приведён эскиз Карно на теоретической машине. Цилиндр, показанный в центре, подключён к нагревателю или холодильнику, что в каждом случае приводит к сжатию или расширению содержимого в гильзе. Движение поршня происходит при механической работе, выполняемой потоком тепла.

Карно изучал в 1824 году расходы тепла в паровом двигателе и обнаружил, что пар горячей водички нагревал резервуар с холодной водичкой при выполнении мехработы. Физик подозревал, что в этом процессе тепло не теряется. Процессы, происходящие в паровом двигателе, Карно обозначил в виде цикла. Позже этот цикл представлен в математическом виде Э. Клапейроном как идеальный цикл Карно.

Карно не знал, что теплота в паровом двигателе остаётся нетронутой, но Майер вывел предположения, что виды энергии преобразуются. Физик из Германии Р. Клаузиус объединил идеи Карно и Майера в 1854 году. Клаузиус доказал, что при работе двигателя на пару тепло течёт из тёплого резервуара в холодный объём, и вывод Карно остаётся верным.

По предполажениям Карно теплоэнергия не остаётся постоянной, а часть теплоты расходуется на механическую работу. Клаузиус вывел утверждение, что теплоэнергия парового двигателя преобразуется в мехработу только частично, а другая часть выделяется в окружение. Эффективность двигателя показывает коэффициент превращения мехэнергии в теплоту.

4 главных принципа термодинамики. Ключевые моменты

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

4 принципа термодинамики:

• Нулевой закон: 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: энергия замкнутой системы постоянна. Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, а может только изменить формы. В любом процессе энергия Вселенной остаётся неизменной. Для термодинамического цикла чистая теплота, подаваемая в систему, равна чистой работе, проделанной системой.
• Второй закон: 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 (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.

1 принцип гласит, что общая энергия постоянна в замкнутой конфигурации. Этот принцип называют законом сохранения энергии. 2 принцип показывает направление, в котором возможно преобразование энергии. Например, используется механическая, электрическая или химическая энергия и конвертируется в теплоэнергию. Теплоэнергия преобразуется в эти энергии частично и с техническими затратами.

Важные условия термодинамики

Необратимый круговой термодинамический процесс

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

Среда или состояние окружающей среды служит в качестве эталона для способности выполнять работу системы. Конфигурации, которые не находятся в термодинамическом равновесии с окружением, ещё имеют эксергию, а энергетическая сила в окружающей области является чистой анергией.

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

Переменные термодинамического состояния

Обширные переменные состояния, такие как внутренняя энергия U, энтропия S, объём 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 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 изотропом!

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

В термодинамических формулах буквы всегда используются для определённых 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].

Термодинамическая 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 теплоэнергии в конфигурации, энтальпия H дополнительно хранится в объёмной энергии, умноженной на давление.

Энтропия и фазовое пространство

Энтропия — важное понятие термодинамической науки. Это идея 2 и 3 принципов, которая воплощена в жизни. Энтропия является мерой случайности и беспорядка в конфигурации. Приведу примеры:

• Имеем контейнер с газовыми молекулами. Если молекулы собрались в одном уголке, то это высокоорганизованное общество с низкой энтропией. Когда частицы выходят из угла и заполняют весь контейнер, то это беспорядок и энтропия увеличивается.
• Если шар летит в воздухе, то имеет кинетическую энергию движения (высокоорганизованная энергетическая сила). При дальнейшем движении шара по воздуху часть кинетической энергии находится в воздушных частицах, поэтому общая энтропия конфигурации увеличилась, а общая энергетическая сила сохраняется благодаря 1 закону.

Энтропия S является мерой расстройства и вероятности состояния. Энтропия не уменьшается в замкнутой системе. Конфигурации стремятся к максимально возможной энтропии (2 закон) по собственной инициативе.

Точки в районе фазового пространства с одинаковой энтропией, значение которой связано с логарифмом объёма. Энтропия — это изменение, когда энергетическая сила передаётся при постоянной температурке. При тотальном хаосе энтропия берёт верх. Теплоёмкость относится к способности вещества поглощать тепловую энергию. Чем больше теплоёмкость, тем меньше изменение температуры при поглощении или выделении тепла.

Вывод

Чтобы кратко описать свойства и системы, в термодинамике неоднократно используются такие термины: теплоэнергия и энтропия, которые имеются в каждой конфигурации. В изолированной системке температурный уровень — это мера теплоэнергии. Термодинамика связывает тепловые изменения и работу на границе конфигурации с состоянием комбинации (системки).

На основе четырёх фундаментальных начал (принципов) и специфических для вещества эмпирических данных и уравнений термодинамическая наука позволяет сделать выводы о возможных изменениях в конфигурации. Например, какие фазовые переходы или химреакции происходят, и что для этого требуется.

Наука о тепле используется для расчёта выбросов теплоты, давления, температурного уровня или объёма. Термодинамическая наука даст понимание и планирование процессов на химпредприятиях, в двигателях, установках для отопления, холода и кондиционирования воздуха.

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

В дополнение к классической термодинамике разработана теория кинетического газа. Газ состоит из частиц, молекул или атомов, которые перемещаются свободно в пустоте, редко сталкиваясь. Когда температурка повышается, частички начинают двигаться шустро и оказывают давление большее, ударяя чаще и сильнее по стенкам сосуда.

В некоторых областях, удалённых от химии, 2 закон рассматривался только для эффективности тепловых двигателей, тогда как то, что называлось 3 законом, касалось увеличения энтропии. Непосредственное определение нулевых точек для расчётов энтропии не считалось законом. Постепенно это разделение объединено во 2 закон, а современный 3 закон получил распространение.

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

Использованные материалы

1. Термодинамика. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Термодинамика
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/ Законы_термодинамики
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
7. Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика. https://mipt.ru/dppe/upload/040/Sivuhin_D.V._Kurs_obwej_fiziki._Tom_2-arpg75zl9bj.pdf

Автор: Королёв Сергей