Законы термодинамики (курсовая)


СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ    3
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ    7
1.1. Термодинамические системы, параметры и равновесие    7
1.2. Исходные положения термодинамики    10
1.3. Гомогенные и гетерогенные системы    15
1.4. Равновесные и неравновесные процессы    17
1.5. Внутренняя энергия системы, работа и теплота    19
2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И УРАВНЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ    23
2.1. Первое начало термодинамики    23
2.2. Общая характеристика и исходная формулировка второго начала термодинамики.    28
2.3.  Формулировка третьего начала термодинамики    36
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ    42

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Актуальность темы исследования. Термодинамика возникла из потребностей теплотехники. Развитие производительных сил стимулировало ее создание. Широкое применение в начале XIX в. паровой машины поставило перед наукой задачу теоретического изучения работы тепловых машин с целью повышения их коэффициента полезного действия. Это исследование было проведено в 1824 г. французским инженером С. Карно, доказавшим теоремы, определяющие наибольший коэффициент полезного действия тепловых машин [8, C.22]. Эти теоремы позволили впоследствии сформулировать один из основных законов термодинамики — второе начало. В 40-х годах XIX в. в результате исследований Майера и Джоуля был установлен механический эквивалент теплоты и на этой основе открыт закон сохранения и превращения энергии, называемый в термодинамике ее первым началом. Энгельс назвал его «великим основным законом движения» [15, C.9], устанавливающим основные положения материализма. Закон сохранения и превращения энергии имеет как количественную, так и качественную стороны. Количественная сторона закона сохранения и превращения энергии состоит в утверждении, что энергия системы является однозначной функцией ее состояния и при любых процессах в изолированной системе сохраняется, превращаясь лишь в строго определенном количественном соотношении эквивалентности из одного вида в другой; качественная сторона этого закона состоит в никогда не утрачиваемой способности материального движения ко все новым и  новым превращениям.

Хотя закон сохранения и превращения энергии (как и само понятие энергии — меры движения) применим только к физическим формам движения и неприменим к высшим формам движения материи (биологическое и общественное движение), тем не менее он имеет всеобщее значение. Это следует из общности физических форм движения: всякая более высокая форма движения материи содержит в себе физические формы движения, хотя и не сводится к ним. И если при превращении одной физической формы движения в другую одна из них исчезает (частично или полностью), а вторая количественно увеличивается (превращение механического движения в тепловое, электромагнитное и наоборот и т. д.), то при возникновении новой, более высокой формы движения материи порождающие ее различные физические формы движения не исчезают, а существуют как «высшее их единство» [16, C.217]. Разрушение этого единства приводит к исчезновению более высокой формы движения и высвобождению как самостоятельных, порождающих ее различных физических форм движения, которые имеют своей мерой энергию.

Отсюда следует, что непосредственно закон сохранения и превращения энергии приложим только к физическим формам движения материи и устанавливает неуничтожимость и взаимопревращаемость только этих форм материального движения, но вместе с тем он одновременно является естественно-научным выражением общефилософской идеи несотворимости и неуничтожимости материи и движения. «Современное естествознание вынуждено было заимствовать у философии положение о неуничтожимости движения; без этого положения естествознание теперь не может уже существовать» [16, C.20].

В виде оформленной научной системы, исходящей из работ Карно и закона сохранения и превращения энергии, термодинамика появилась в 50-х годах XIX в. в трудах Клаузиуса и Томсона (Кельвина) [8], давших современные формулировки второго начала термодинамики и введших важнейшие понятия энтропии и абсолютной температуры. Основным методом исследования термодинамики XIX в.  был метод круговых процессов. Большое значение для термодинамики имели появившиеся в конце XIX в. работы Гиббса, в которых был, создан новый метод термодинамических исследований (метод термодинамических потенциалов), установлены общие условия термодинамического равновесия,  развита теория фаз  и капиллярности.

В XX в. термодинамика вышла за пределы первоначальных требований теплотехники и стала изучать, как уже было сказано, закономерности тепловой формы движения материи в основном в равновесных системах и при переходе их в равновесное состояние.

Первое начало термодинамики выражает количественную сторону закона сохранения и превращения энергии в применении к термодинамическим системам. Второе начало термодинамики представляет собой закон об энтропии. Так же как и первое начало термодинамики, второе начало имеет около десятка различных формулировок, большая часть которых эквивалентна одна другой и выражает полное содержание самого закона. Разнообразие формулировок этих законов связано с их проявлением в тех или иных конкретных случаях. Та из формулировок, которая выражает закономерность явления, наиболее близкого к нашему опыту, практике, может быть принята за исходную при установлении и анализе каждого из законов. В 1906 г. на основе многочисленных исследований свойств тел при температурах, близких к 0 К, был установлен новый закон природы — третье начало термодинамики. Третье начало термодинамики имеет большое значение при нахождении энтропийных и химических констант, которые оказываются существенными при любой температуре. Основываясь на трех началах, термодинамика исследует свойства реальных систем,  состоящих  из  большого  числа  частиц [5, C.19].

Неоценимый вклад в развитие термодинамики внесли отечественные ученые. В конце XIX в. профессор Киевского университета Н.Н. Шиллер дал новую формулировку второго начала термодинамики, которая в 1909 г. была развита немецким математиком Каратеодори. В 1928 г. Т.А. Афанасьева-Эренфест, критически анализируя работы Шиллера и Каратеодори, впервые показала, что второе начало термодинамики состоит из двух независимых положений, являющихся обобщением данных опыта и относящихся, с одной стороны, к состояниям равновесия, а с другой — к неравновесным процессам. Важна роль русских ученых и в изучении критических явлений. Само понятие критической температуры появилось впервые у Д.И. Менделеева. Менделеев установил, что при приближении к некоторой температуре поверхностное натяжение стремится к нулю и пропадает различие между жидкостью и паром. Он назвал эту температуру температурой абсолютного кипения. В дальнейшем изучением критических явлений занимались А.Г. Столетов, М.П. Авенариус и др. Ученые В.А. Михельсон и Б.Б. Голицын внесли значительный вклад в термодинамику излучения. Голицын первым ввел понятие температуры излучения, которое вошло в науку и сохранилось до наших дней. Применением термодинамики к физической химии занимались Д.П. Коновалов, Н.С. Курнаков  и др. Большой вклад в термодинамические и статистические исследования внесли работы Н.Н. Боголюбова по проблемам динамической теории в статистической физике, работы Л.Д. Ландау по теории сверхтекучести, работы М.А. Леонтовича о термодинамических функциях неравновесных состояний, работы В.К. Семенченко по теории растворов и критических явлений и др.

Объектом исследования является термодинамика как отрасль научного знания.

Предметом исследования являются законы термодинамики.

Целью исследования является изучение законов термодинамики.

Соответственно задачами работы стали:

- изучить основные понятия и исходные положения термодинамики;

- изучить законы термодинамики.

 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

1.1. Термодинамические системы, параметры и равновесие

 

Всякий материальный объект, всякое тело, состоящее из большого числа частиц, называется макроскопической системой. Размеры макроскопических систем всегда значительно больше размеров атомов и молекул. Все макроскопические признаки, характеризующие такую систему и ее отношение к окружающим телам, называются макроскопическими параметрами. К их числу относятся такие, например, величины, как плотность, объем, упругость, концентрация, поляризованность, намагниченность и т. д. Макроскопические параметры разделяют на внешние и внутренние [3, C.14].

Величины,  определяемые  положением  не  входящих  в  нашу систему внешних тел, называются внешними параметрами аi  (i = 1, 2, …), например объем системы (так как определяется расположением внешних тел), напряженность силового поля (так как зависит от положения источников поля — зарядов и токов, не входящих в нашу систему) и т. д. Следовательно, внешние параметры являются функциями координат внешних тел. Величины, определяемые совокупным движением и распределением в пространстве входящих в систему частиц, называются внутренними параметрами bj (j = 1, 2, ...), например плотность, давление, энергия, поляризованность, намагниченность и др. (так как их значения зависят от движения и положения частиц системы и входящих в них зарядов) [3, C.15].

Так как само пространственное расположение входящих в систему частиц — атомов и молекул — зависит от расположения внешних тел, то, следовательно, внутренние параметры определяются положением и движением этих частиц и значением внешних параметров. Совокупность независимых макроскопических параметров определяет состояние системы, т. е. форму ее бытия. Величины, не зависящие от предыстории системы и полностью определяемые ее состоянием в данный момент (т.е. совокупностью независимых параметров), называются функциями состояния. Состояние называется стационарным, если параметры системы с течением времени не изменяются. Если, кроме того, в системе не только все параметры постоянны во времени, но и нет никаких стационарных потоков за счет действия каких-либо внешних источников, то такое состояние системы называется равновесным (состояние термодинамического равновесия).

Термодинамическими системами обычно называют не всякие, а только те макроскопические системы, которые находятся в термодинамическом равновесии. Аналогично, термодинамическими параметрами называются те параметры, которые характеризуют систему в ее термодинамическом равновесии. Внутренние параметры системы разделяют на интенсивные и экстенсивные. Параметры, не зависящие от массы или числа частиц в системе, называются интенсивными (давление, температура и др.); параметры, пропорциональные массе или числу частиц в системе, называются аддитивными или экстенсивными (энергия, энтропия и др.). Экстенсивные параметры характеризуют систему как целое, в то время как интенсивные могут принимать определенные значения   в   каждой   точке   системы [2, C.57].

Система, энергия которой нелинейно зависит от числа частиц, не является термодинамической, и ее изучение методами существующей термодинамики, вообще говоря, весьма приближенно или даже совсем неправомерно. Что представляют собой равновесные (термодинамические) внутренние параметры с молекулярной точки зрения. Для выяснения этого рассмотрим простейший пример. Пусть в начальный момент времени газ находится в неравновесном состоянии, так что его плотность в разных точках разная. С течением времени газ начинает приходить в равновесное состояние и его плотность р = m0n (m0 — масса молекулы, n — концентрация молекул), изменяясь, приобретает некоторое макроскопически постоянное, равновесное значение р0 (рис. 1).

 

Заказать курсовую