Съвкупност от макрообекти, които могат да обменят енергия, както един с друг, така и с външната среда



Дата03.09.2017
Размер51.17 Kb.
9. Термодинамични величини. Първи принцип на термодинамиката. Втори принцип на термодинамиката. Ентропия.
Термодинамична система – съвкупност от макрообекти, които могат да обменят енергия, както един с друг, така и с външната среда.

Термодинамичните параметри на една система са физични величини, които характеризират свойствата и, това са налягане - p, обем - V, температура - Т. Съвкупността от тези параметри описва термодинамичното състояние. Една система е в термодинамично равновесие, ако параметрите на системата са постоянни във времето и са еднакви във всичките и части. Тя се стреми към равновесие, т.е. температурата, която е мярка за интензивността на топлинното движение на молекулите да е еднаква. Когато параметрите на системата се променят казваме, че се извършва термодинамичен процес.

Системата може да бъде изолирана, когато не обменя със външната среда нито енергия, нито вещество. Ако системата обменя само енергия, тя се нарича затворена, а ако обменя и енергия и вещество – отворена.

Затворените и отворените системи могат да преминават в стационарно състояние т. е. състояние при което параметрите не се изменят с времето, но в различните части на системата могат да имат различни стойности.

Пример: Телесната температура е различна в различни части на тялото, но нейните стойности са сравнително постоянни във времето.

Равновесен процес е този при който началното, крайното и всички междинни състояния са равновесни.

Обратим процес имаме тогава, ако системата е преминала от състояние 1(р1, V1, Т1) в 2(р2, V2, Т2) и се върне от 2 в 1 като премине през всички междинни състояния в обратен ред, без при това в околната среда да настъпят някакви изменения. Ако това не е изпълнено – необратим процес, каквито са повечето процеси в природата. Пример за обратими са равновесните процеси, които протичат безкрайно бавно.

Под вътрешна енергия U на една система разбираме общата енергия на частиците и, съставена от кинетичната енергия на хаотичното движение, междумолекулярната потенциална енергия на взаимодействие, кинетичната и потенциална енергия на атомите в молекулите. Термодинамичните системи могат да приемат или отдават количество топлина Q на околната среда. Приемаме, ако системата отдава топлина Q<0 и обратно, ако приема Q>0.



Първи принцип на термодинамиката:

Количеството топлина Q предадена на една затворена система отива за изменение на вътрешната и енергия U и за извършване на работа от тази система:



Q = U + A

За малки изменения Q = dU + A , т.е. работата е за сметка на получената топлина и намалената вътрешна енергия.

За система, която периодично се връща в изходно си състояние (такъв процес наричаме цикличен), U = 0 и тогава Q = A или Q = A т. е. работата, която извършва периодично действаща машина в идеалния случай е равна на получената от нея енергия

Ако Q = 0  А = 0 От тук и една друга формулировка на първия принцип, че не може да се извършва повече работа отколкото е внесената енергия в системата, т. е. не съществува вечен двигател от І – ви род.

Система, която периодически от топлина прави работа се нарича топлинна машина, а система, която чрез работа отделя топлина се нарича хладилник.

Втори принцип на термодинамиката – показва посоката на протичане на процесите в природата. Пълната работа А не е равна на цялото количество топлина, а:

A = Q1- Q2 Q1 – полученото от нагревателя количество топлина

Q2 – отдаденото на охладителя количество топлина

Въвежда се КПД (коефициент на полезно действие) на топлинна машина - 

 1

Отдаването на количество топлина е задължително условие да се извърши работа при един затворен цикъл. Може да се докаже, че:

Т1 – температура на нагревателя, Т2 - температура на охладителя

За да бъде  = 1, трябва или Т2 = 0, което е невъзможно, абсолютната нула не е достижима или Т1 = безкрайност, но не съществуват такива материали в природата, които да издържат на свръхвисоки температури.

Следователно   1

Формулировка на втория принцип: според Клаузиус: Топлината не може спонтанно да премине от по-студено към по- топло тяло без да се извърши механична работа. Може да се каже и така - не е възможно да се построи вечен двигател от ІІ род, който превръща изцяло получената топлина в работа.

Ентропия:

От формулите за КПД следва, че и тогава за израза е въведено понятието приведена топлина. За приведената топлинна енергия погълната или отдавана от системата на малък участък от процеса при T=const въвеждаме промяната на величината S , т.е. S , а самата величина S наричаме ентропия, известна още като функция на състоянието на термодинамичната система, тя характеризира количествено ІІ принцип на термодинамиката.

За изолирана система: S  0 – неравенство на Клаузиус, като само S = 0 за обратими процеси, а S  0 за необратими процеси.

Пример: Топлообмен между две тела, образуващи изолирана система и с температури Т1 и Т21 Т2). Ако малко количество топлина преминава от първото във второто тяло, то ентропията на първото се намалява с S1=, а на второто се увеличава с S2=, тъй като е много малка, то може да се счита, че температурите на първото и второто тяло в процеса на топлообмена не се променят. Пълното изменение на S на системата тогава е:



 0 (Т1 Т2)

Нарастването на S в изолирана система не е безкрайно. В разгледания пример, S ще нараства до изравняване на температурите и настъпване на равновесно състояние. Тогава S достига своя максимум.

Ако системата обменя топлина с външната среда, то ентропията й може да се изменя произволно.

Реалните процеси както вече казахме са необратими. Тогава за І принцип може да кажем: В изолирана макроскопична система са възможни само такива процеси, при които ентропията на системата нараства.



Статистически характер на ентропията:

Вторият принцип на термодинамиката разглежда въпросите, свързани с посоката на протичане на процесите в една изолирана система. Преминаването на топлината става от по-топло към по-студено тяло. С други думи ІІ принцип позволява да се определи кое от двете вероятни състояния на една изолирана система е начално и кое крайно при самоволно протичане на процесите в нея.

Ако с W означим вероятността за дадено състояние на една изолирана система, то S = к.ln W - формула на Болцман, където к е константата на Болцман.

ІІ принцип чрез ентропия: За изолирана система ентропията може да е константа или да нараства. Най-вероятното състояние, към което системата самоволно се стреми съответства на максимум на S т. е. една изолирана система може самоволно да преминава от по-малко вероятно към по-вероятно състояние.



ІІ принцип показва , че подредеността на една изолирана система може да остава постоянна или да намалява т. е. системата самоволно преминава само от по-голяма степен на подреденост към по-малка или от подреденост към безпорядък. Ето защо ентропията се разглежда като мярка за хаотичността на една изолирана система.


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2019
отнасят до администрацията

    Начална страница