Основные понятия термодинамики, с примерами
Термодинамика является теорией тепловых явлений, которая не учитывает молекулярное строение вещества. Термодинамику называют описательной (феноменологической) теорией.
Основные понятия термодинамики
Для описания свойств термодинамических систем применяют переменные, которые называются термодинамическими параметрами (— давление; – объем; – термодинамическая температура; – плотность, – удельная теплоемкость и т.д.).
Термодинамическими параметрами являются физические величины, используя которые описывают явления, связанные с превращениями теплоты и работы. Термодинамические параметры являются макроскопическими величинами, отражающими свойства больших совокупностей молекул.
Так, нельзя говорить, например, о температуре одной молекулы или плотности вещества, состоящего из 10 молекул.
Параметры делятся на внутренние и внешние. Внешними называются параметры, фиксирующие внешние условия для термодинамической системы. Внутренними называют параметры, устанавливающиеся в системе как результат фиксации внешних условий. Один и тот же параметр может выступать в роли внешнего и внутреннего.
Основой термодинамики служат три основных закона, которые называют началами термодинамики.
Тепловые процессы – это процессы передачи и превращения энергии. Основные термодинамические законы отражают поведение энергии.
Модель, которую применяют в термодинамике – это модель идеального газа. С ее помощью исследуют термодинамические процессы.
Количество теплоты
В процессах теплообмена термодинамическая система получает или отдает теплоту (). Теплота – это энергия в специфической форме – форме молекулярного движения. Количество теплоты, которое получает тело массы при увеличении его температуры на величину равную (oC), равно:
где – удельная теплоемкость вещества. Теплоемкость тела (C) определяют как:
где – элементарное количество теплоты.
Считают, что , если теплота сообщается системе.
Внутренняя энергия
Внутренней энергией называют энергию, которая связана со всеми возможными движениями и взаимодействиями частиц, составляющих термодинамическую систему. К внутренней энергии не относят кинетическую энергию, связанную с движением центра масс системы и потенциальную энергию системы во внешних полях. Обозначают внутреннюю энергию в термодинамике буквой . При этом — бесконечно малое изменения внутренней энергии. , если внутренняя энергия системы растет.
Для идеального газа внутреннюю энергию можно вычислить при помощи формулы:
где – число степеней свободы молекулы; – масса; – молярная масса; – универсальная газовая постоянная; T – температура по термодинамической шкале.
Работа в термодинамике
Работу в термодинамике определяют как:
где – начальный объем системы; – конечный объем. Работа считается большей нуля, если работу выполняет термодинамическая система над внешними силами.
Энтропия
Энтропия () – это функция состояния, в обратимом процессе дифференциалом которой является величина :
где – количество теплоты, полученное термодинамической системой в ходе обратимого процесса; – термодинамическая температура системы.
В любом обратимом круговом процессе энтропия не изменяется:
Энтропия системы, которая совершает необратимый цикл, увеличивается:
Выражения (6) и (7) справедливы только для замкнутых систем. Если мы имеем дело с открытой термодинамической системой, то энтропия может вести себя как угодно.
Начала термодинамики
Первое начало – это применение закона сохранения энергии к термодинамическим процессам:
Формула (8) означает, что количество теплоты, подводимое к термодинамической системе, расходуется на совершение этой системой работы и изменение ее внутренней энергии.
Иногда первое начало термодинамики удобно использовать в дифференциальном виде:
где – бесконечно малое количество теплоты, которое получает система; – элементарная работа, выполняемая системой; – ее малое изменение внутренней энергии.
Второе начало определяет направление развития процессов, исследуемых термодинамикой. Согласно данному началу теплота не может полностью превращаться в работу. Формулировок второго начала термодинамики несколько. Приведем одну из них:
В любом процессе, который происходит в замкнутой системе, энтропия не убывает. В математическом виде второй закон термодинамики можно представить как:
где – энтропия; – путь, по которому система переходит из одного состояния в другое.
Третье начало термодинамики накладывает ограничения на процессы. Оно утверждает неосуществимость процессов, которые бы вели к достижению термодинамического нуля температуры.
Коэффициент полезного действия в термодинамике
Коэффициентом полезного действия (КПД) () в термодинамике называют отношение работы (), которое совершает рабочее тело к количеству теплоты (), которое получило это тело:
где — количество теплоты, которое рабочее тело отдает холодильнику.
Для цикла Карно (рабочим телом является идеальный газ), который состоит из двух изотерм и двух адиабат КПД можно вычислить как:
где – температура нагревателя; – температура холодильника.
Примеры решения задач
Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/fizika/osnovnye-ponyatiya-termodinamiki/
Классификация термодинамических систем :
Рассмотрим особенности термодинамических систем. Под ними принято понимать физические макроскопические формы, состоящие из значительного количества частиц, которые не предполагают использования для описания макроскопических показателей каждой отдельной частицы.
Нет ограничений в природе материальных частиц, которые являются составными компонентами таких систем. Они могут быть представлены в виде молекул, атомов, ионов, электронов, фотонов.
Особенности
Проанализируем отличительные характеристики термодинамических систем. В качестве примера можно привести любой предмет, который можно наблюдать без использования телескопов, микроскопов. Чтобы дать полноценное описание такой системе, подбирают макроскопические детали, благодаря которым можно определить объем, давление, температуру, электрическую поляризацию, величину магнитной индукции, химический состав, массу компонентов.
Для любых термодинамических систем существуют условные либо реальные границы, которые отделяют их от окружающей среды. Вместо нее часто используют понятие термостата, характеризующегося такой высокой величиной теплоемкости, что в случае теплообмена с анализируемой системой температурный показатель сохраняет неизменное значение.
Классификация систем
Рассмотрим, что представляет собой классификация термодинамических систем. В зависимости от характера взаимодействия ее с окружающей средой, принято выделять:
- изолированные виды, которые не обмениваются ни веществом, ни энергией с внешней средой;
- адиабатически изолированные, не совершающие обмена с внешней средой веществом, но вступающие в обмен работой или энергией;
- у закрытых термодинамических систем нет обмена веществом, допускается только изменение величины энергии;
- открытые системы характеризуются полной передачей энергии, вещества;
- частично открытые могут иметь полупроницаемые перегородки, поэтому не в полной мере принимать участие в материальном обмене.
В зависимости от описания, параметры термодинамической системы, могут подразделяться на сложные и простые варианты.
Особенности простых систем
Простыми системами называют равновесные состояния, определить физическое состояние которых можно удельным объемом, температурой, давлением. Примеры термодинамических систем подобного типа – изотропные тела, имеющие равные характеристики в разных направлениях и точках.
Так, жидкости, газообразные вещества, твердые тела, которые находятся в состоянии термодинамического равновесия, не подвергаются воздействию электромагнитных и гравитационных сил, поверхностному натяжению, химическим превращениям.
Анализ простых тел признан в термодинамике важным и актуальным с практической и теоретической точки зрения.
Внутренняя энергия термодинамической системы такого вида связана с окружающим миром. При описании используют число частиц, массу вещества каждого отдельного компонента.
Сложные системы
К сложным относят термодинамические системы, которые не попадают под простые виды. Например, ими являются магнетики, диэлектрики, твердые упругие тела, сверхпроводники, поверхности раздела фаз, тепловое излучение, электрохимические системы. В качестве параметров, используемых для их описания, отметим упругость пружины или стержня, поверхность фазового раздела, тепловое излучение.
Физической системой называют такую совокупность, в которой нет химического взаимодействия между веществами в пределах показателей температуры, давления, выбранных для исследования. А химическими системами называют те варианты, которые подразумевают взаимодействие между ее отдельными компонентами.
Внутренняя энергия термодинамической системы зависит от наличия изоляции ее с окружающим миром. Например, в качестве варианта адиабатической оболочки, можно представить сосуд Дьюара. Гомогенный характер проявляется у системы, в которой все компоненты имеют сходные свойства. Примерами их служат газовые, твердые, жидкие растворы. Типичным примером газовой гомогенной фазы является атмосфера Земли.
Особенности термодинамики
Данный раздел науки занимается изучением основных закономерностей протекания процессов, которые связаны с выделением, поглощением энергии. В химической термодинамике предполагается изучение взаимных превращений составных частей системы, установление закономерностей перехода одного вида энергии в другой при заданных условиях (давлении, температуре, объеме).
Система, являющаяся объектом термодинамического исследования, может быть представлена в виде любого объекта природы, включающего в себя большое число молекул, которые отделены границей раздела с другими реальными объектами. Под состоянием системы подразумевают совокупность ее свойств, которые позволяют определять ее с позиций термодинамики.
Заключение
В любой системе наблюдается переход одного вида энергии в другой, устанавливается термодинамическое равновесие. Раздел физики, которые занимается детальным изучением превращений, изменений, сохранений энергии, имеет особое значение. Например, в химической кинетике можно не просто описать состояние системы, но и рассчитать условия, способствующие ее смещению в нужном направлении.
Закон Гесса, связывающий энтальпию, энтропию рассматриваемого превращения, дает возможность выявлять возможность самопроизвольного протекания реакции, рассчитывать количество теплоты, выделяемого (поглощаемого) термодинамической системой.
Термохимия, базирующаяся на основах термодинамики, имеет практическое значение. Благодаря данному разделу химии, на производстве проводят предварительные расчеты эффективности топлива и целесообразности внедрения определенных технологий в реальное производство. Сведения, получаемые из термодинамики, дают возможность применять явления упругости, термоэлектричества, вязкости, намагничивания для промышленного производства различных материалов.
Источник: https://www.syl.ru/article/294072/klassifikatsiya-termodinamicheskih-sistem
Термодинамика для
В продолжение нашего курса «Физика для чайников» начнем рассматривать основы такого важнейшего раздела как термодинамика.
Активное развитие термодинамики началось в девятнадцатом веке. Именно тогда люди начали строить первые паровые машины, а потом активно внедрять их в производство. Началась промышленная революция, и, естественно, всем хотелось увеличить коэффициент полезного действия машин, чтобы произвести больше продукции, доехать подальше и в конце-концов получить больше денег. Все это очень хорошо стимулировало развитие науки и наоборот. Но давайте ближе к сути вопроса.
Парогенераторная прожекторная установка
Термодинамика – раздел физики, изучающий макроскопические системы, их наиболее общие свойства, способы передачи и превращения энергии в таких системах.
Что такое макроскопические системы? Это системы, состоящие из очень большого числа частиц. Например, баллон с газом или воздушный шар.
Описание таких систем методами классической механики просто невозможно – ведь мы не можем измерить скорость, энергию и другие параметры каждой молекулы газа в отдельности. Тем не менее, поведение всей совокупности частиц подчиняется статистическим закономерностям.
По сути любой видимый нами (невооруженным глазом) предмет может быть определен как термодинамическая система.
Термодинамическая система
Термодинамическая система – реально или мысленно выделяемая макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц, не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц. Соответственно, для описания термодинамической системы используются макроскопические параметры, не относящиеся к каждой частице, но описывающие систему целиком. Это температура, давление, объем, масса системы и проч.
Важно отметить, что термодинамические системы могут быть замкнутыми и незамкнутыми. Замкнутая система – это такая система, которую при помощи реальной или воображаемой оболочки оградили от окружающей среды, при этом количество частиц в системе остается постоянным.
Замкнутая система
Система может находится в разных состояниях. Например, мы взяли баллон с газом и начали его нагревать. Тем самым мы изменили энергию молекул газа, они стали двигаться быстрее, и система перешла в какое-то новое состояние с более высокой температурой. Но что будет, если систему оставить в покое? Тогда система через какое-то время придет в состояние термодинамического равновесия.
Что это значит?
Термодинамическое равновесие – это состояние системы, в котором ее макроскопические параметры (температура, объем и др.) остаются неизменными с течением времени.
Термодинамика стоит на трех своих столпах. Существуют три основных постулата или три закона термодинамики. Они называются соответственно первым, вторым и третьим началами термодинамики. Рассмотрим первое начало или первый закон термодинамики.
Первое начало термодинамики
Первое начало термодинамики гласит:
В любой изолированной системе запас энергии остается постоянным.
К слову, у данного постулата есть еще несколько эквивалентных формулировок. Приведем их ниже:
Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил.
Невозможен вечный двигатель первого рода (двигатель, совершающий работу без затраты энергии).
Запишем также математическое выражение первого начала термодинамики:
Здесь Q — количество теплоты, дельта U — изменение внутренней энергии, A — работа против внешних сил. Для различных термодинамических процессов в силу их особенностей запись первого начала будет выглядеть по-разному.
Почему невозможен вечный двигатель первого рода?
Людей издревле привлекала ее величество Халява. Философский камень, превращающий любой металл в золото, скатерть самобранка, с которой не нужно готовить, джин, исполняющий любые желания. Еще одной такой идеей была идея вечного двигателя.
Если никто не пытался найти скатерть-самобранку, то вечный двигатель пытались изобрести очень много раз. На протяжении веков разные люди спрашивали себя: как построить вечный двигатель? Согласно историческим записям первым такую попытку предпринял в двенадцатом веке некий индийский ученый.
Затем было еще множество попыток, в том числе плотно занимался вопросом и Леонардо да Винчи. Наконец, в девятнадцатом веке светлые головы Германа Гельмгольца и Джеймса Джоуля сформулировали первое начало динамики и подтвердили его опытами, чем развеяли все сомнения.
В помощь также статья, о том, как делать презентацию в ворде и powerpoint.
Вечный двигатель Леонардо да Винчи
Вечный двигатель невозможен, потому что так устроен мир. Об этом говорят нам законы термодинамики. Согласно первому началу термодинамики, количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил.
Например, газ, помещенный в цилиндр с поршнем, получая определенное количество теплоты, увеличивает свою внутреннюю энергию, молекулы движутся быстрее, газ занимает больший объем и толкает поршень (работа против внешних сил).
Иными словами, если работа совершается без внешнего притока энергии, она может совершаться лишь за счет внутренней энергии системы, которая рано иди поздно иссякнет, преобразовавшись в совершенную работу, на чем все закончится и система придет к состоянию термодинамического равновесия. Ведь энергия в мире никуда не уходит и не приходит, ее количество остается постоянным, а меняется лишь форма.
Конечно, Вы обратили внимание на то, что речь идет о так называемом вечном двигателе первого рода (который может совершать работу без энергии). Спешим заверить, существование вечного двигателя второго рода также невозможно и объясняется вторым началом термодинамики, о котором мы поговорим в ближайшем будущем.
Энергия и ее формы
Надеемся, знакомство с термодинамикой прошло для Вас приятно и Вы полюбите ее всем сердцем. Если же этого не произойдет, Вы всегда можете поручить выполнение задач по термодинамике нашим авторам, пока сами занимаетесь более приятными делами.
Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/termodinamika-dlya-chajnikov-pervoe-nachalo-ili-pochemu-nevozmozhno-postroit-vechnyj-dvigatel/
Системы в термодинамике
Определение 1
Термодинамическая система — совокупность и постоянство макроскопических физических тел, которые всегда взаимодействуют между собой и с другими элементами, обмениваясь с ними энергией.
Под системой в термодинамике ими принято понимать макроскопические физические формы, которые состоят из огромного количества частиц, не предполагающие применение макроскопических показателей для описания каждой отдельного элемента. Нет определенных ограничений в природе материальных тел, являющиеся составными компонентами таких концепций. Они могут быть представлены в виде атомов, молекул, электронов, ионов и фотонов
Термодинамические системы бывают трех основных видов:
- изолированные – обмен с веществом или энергией с окружающей средой не выполняется;
- закрытые — тело не взаимосвязано с окружающей средой;
- открытые — есть и энерго- и массообмен с внешним пространством.
Энергию любой термодинамической системы можно разделить на зависящую от положения и движения системы энергию, а также энергию, которая определяется движением и взаимодействием микрочастиц, образующих концепцию. Вторую часть называют в физике внутренней энергией системы.
Ничего непонятно?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Особенности термодинамических систем
Рисунок 1. Типы термодинамических систем. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Замечание 1
В качестве отличительных характеристик систем в термодинамике можно привести любой предмет, наблюдаемый без использования микроскопов и телескопов.
Чтобы предоставить полноценное описание такой концепции, необходимо подобрать макроскопические детали, посредством которых возможно точно определить давление, объем, температуру, величину магнитной индукции, электрическую поляризацию, химический состав, массу движущихся компонентов.
Для любых термодинамических систем есть условные, либо реальные пределы, отделяющие их от окружающей среды. Вместо них часто рассматривают понятие термостата, которое характеризуется таким высоким показателем теплоемкости, что в случае теплообмена с анализируемой концепцией температурный параметр сохраняет неизменное значение.
В зависимости от общего характера взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой, принято выделять:
- изолированные виды, которые не обмениваются ни веществом, ни энергией с внешней средой;
- адиабатически изолированные- системы, не совершающие обмена с внешней средой веществом, но вступающие в обмен энергией;
- закрытые системы- те, у которых нет обмена с веществом, допускается только незначительное изменение величины внутренней энергии;
- открытые системы — те что характеризуются полноценной передачей энергии, вещества;
- частично открытые – обладают полупроницаемыми перегородками, поэтому не в полной мере участвуют в материальном обмене.
В зависимости от формулировки, значения термодинамической концепции, могут подразделяться на простые и сложные варианты.
Внутренняя энергия систем в термодинамике
Рисунок 2. Внутренняя энергия термодинамической системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Замечание 2
К основным термодинамическим показателям, которые непосредственно зависят от массы системы, относят внутреннюю энергию.
Она включает в себя кинетическую энергию, обусловленную движением элементарных частиц вещества, а также потенциальную энергию, появляющуюся во время взаимодействия молекул между собой. Этот параметр всегда является однозначным. То есть значение и реализация внутренней энергии постоянны всякий раз, как концепция оказывается в нужном состоянии, независимо от того, каким методом это положение было достигнуто.
В системах, химический состав которых в процессе энергетических преобразований остается неизменным, при определении внутренней энергии важно учитывать только энергию теплового движения материальных частиц.
Хорошим примером такой системы в термодинамике является идеальный газ. Свободная энергия есть определенная работа, которую могло бы совершить физическое тело в изотермическом обратимом процессе, или свободная энергия представляет собой максимально возможной функционал, который может совершить концепция, обладая существенным запасом внутренней энергии. Внутренняя энергия системы приравнивается сумме связанное и свободной напряженности.
Определение 2
Связанная энергия – это та часть внутренней энергии, которая не способна самостоятельно превратиться в работу, – это обесцененный элемент внутренней энергии.
При одной и той же температуре указанный параметр увеличивается с ростом энтропия. Таким образом, энтропия термодинамической системы есть мера обеспеченности ее начальной энергии. В термодинамике есть еще определение – энергетическая потеря в стабильной изолированной системе
Обратимый процесс является термодинамическим процессом, который может быстро проходить как в обратном, так и в прямом направлении, проходя через одинаковые промежуточные положения, причем концепция в итоге возвращается в исходное состояние без затрат внутренней энергии, и в окружающем пространстве не остается макроскопических изменений.
Обратимые процессы дают максимальную работу. Самый лучший результат работы от системы на практике получить невозможно. Это придает обратимым явлениям теоретическую значимость, которая протекает бесконечно медленно, и можно только на небольшие расстояния приблизиться к нему.
Определение 3
Необратимым в науке называется процесс, который нельзя осуществить в противоположную сторону через все те же промежуточные состояния.
Все реальные явления в любом случае необратимы. Примеры таких эффектов: термодиффузия, диффузия, вязкое течение и теплопроводность. Переход кинетической и внутренней энергии макроскопического движения через постоянное трение в теплоту, то есть в саму систему, является необратимым процессом.
Переменные состояния систем
Рисунок 3. Переменные состояния. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Состояние любой термодинамической системы можно определить по текущему сочетанию ее характеристик или свойств. Все новые переменные, которые в полной мере определяются только в определенный момент времени и не зависят от того, как именно концепция пришла в это положение, называются термодинамическими параметрами состояния или основными функциями пространства.
Система в термодинамике считается стационарной, если переменные значения с течением времени остаются стабильными и не изменяются. Один из вариантов стационарного состояния — это термодинамическое равновесие. Любое, даже самое незначительное изменение в концепции, — уже физический процесс, поэтому в нем может быть от одного до нескольких переменных показателей состояния. Последовательность, в которой состояния системы систематически переходят друг в друга, носит название «путь процесса».
К сожалению, путаница с терминами и детальным описанием все еще существует, ибо одна и та же переменная в термодинамике может быть, как независимой, так и итогом сложения сразу нескольких функций системы. Поэтому такие термины, как «параметр состояния», «функция состояния», «переменная состояния» могут иногда рассматриваться в виде синонимов.
Источник: https://spravochnick.ru/fizika/termodinamika/sistemy_v_termodinamike/
Термодинамическая система • ru.knowledgr.com
Термодинамическая система — содержание макроскопического объема в космосе, наряду с его стенами и средой; это подвергается термодинамическим процессам согласно принципам термодинамики. Физическая система готовится как термодинамическая система, только если она может быть соответственно описана термодинамическими переменными, такими как температура, энтропия, внутренняя энергия и давление.
Термодинамическое государство термодинамической системы — свое внутреннее состояние, как определено ее параметрами состояния. Термодинамический счет также требует, чтобы специальный вид функции вызвал государственную функцию.
Например, если параметры состояния — внутренняя энергия, объем и суммы родинки, необходимые далее заявляют, что функция — энтропия. Эти количества взаимосвязаны одним или более функциональными отношениями, названными уравнениями государства.
Термодинамика определяет ограничения на возможные уравнения государства, наложенного законами термодинамики через ту дальнейшую функцию государства.
Система разграничена стенами или границами, или фактическими или отвлеченными, через который сохраненный (такие как вопрос и энергия) или несохраненный (такая как энтропия) количества могут пройти в и из системы. Пространство вне термодинамической системы известно как среда, водохранилище или окружающая среда.
Свойства стен определяют, какие передачи могут произойти. Стена, которая позволяет передачу количества, как говорят, водопроницаемая к ней, и термодинамическая система классифицирована проходимостью ее нескольких стен.
Передача между системой и средой может возникнуть при контакте, таком как проводимость высокой температуры, или силами дальнего действия, такими как электрическое поле в среде.
Система со стенами, которые предотвращают все передачи, как говорят, изолирована. Это — идеализированная концепция, потому что на практике некоторая передача всегда возможна, например гравитационными силами. Это — аксиома термодинамики, что изолированная система в конечном счете достигает внутреннего термодинамического равновесия, когда его государство больше не изменяется со временем.
Согласно проходимости ее стен, система, которая не изолирована, может быть в термодинамическом равновесии с ее средой или иначе может быть в государстве, которое является постоянным или точно циклически изменяется вовремя — устойчивое состояние, которое далеко от равновесия. Классическая термодинамика рассматривает только государства термодинамических систем в равновесии, которые являются или постоянными или точно ездят на велосипеде вовремя.
Стены закрытой системы позволяют передачу энергии как высокая температура и как работа, но не вопроса, между ним и его средой. Стены открытой системы позволяют передаче оба из вопроса и энергии.
В 1824 Сади Карно описал термодинамическую систему как рабочее вещество (такое как объем пара) любого теплового двигателя под исследованием. Самое существование таких термодинамических систем можно считать фундаментальным постулатом термодинамики равновесия, хотя это не перечислено как пронумерованный закон. Согласно Bailyn, обычно репетируемое заявление нулевого закона термодинамики — последствие этого фундаментального постулата.
В термодинамике равновесия параметры состояния не включают потоки, потому что в состоянии термодинамического равновесия у всех потоков есть нулевые ценности по определению.
Термодинамические процессы равновесия могут, конечно, включить потоки, но они, должно быть, прекратились к этому времени термодинамический процесс или операция полное обеспечение системы к ее возможному термодинамическому государству.
Неравновесная термодинамика позволяет ее параметрам состояния включать потоки отличные от нуля, которые описывают передачи вопроса или энергии или энтропии между системой и ее средой.
Обзор
Термодинамика описывает макроскопическую физику вопроса и энергии, особенно включая теплопередачу, при помощи понятия термодинамической системы, области вселенной, которая является объектом исследования, определенного термодинамическими параметрами состояния, вместе с видами передачи, которая может произойти между ним и ее средой, как определено физическими свойствами стен системы.
Система в качестве примера — система горячей жидкой водной и твердой столовой соли в запечатанной, изолированной пробирке, проводимой в вакууме (среда). Пробирка постоянно теряет высокую температуру в форме излучения черного тела, но тепловая потеря прогрессирует очень медленно.
Если есть другой процесс, продолжающийся в пробирке, например роспуск соленых кристаллов, вероятно, происходит так быстро, что любой высокой температурой, потерянной пробирке в течение того времени, можно пренебречь.
Термодинамика в целом не измеряет время, но это действительно иногда принимает ограничения на период времени процесса.
История
Первым, чтобы развить понятие термодинамической системы был французский физик Сади Карно, чьи Размышления 1824 года о Движущей Власти Огня изучили то, что он назвал рабочим веществом, например, как правило пар массы воды, в паровых двигателях, в отношении способности системы сделать работу, когда высокая температура применена к нему.
Рабочее вещество могло быть помещено в контакт с любым тепловое водохранилище (котел), холодное водохранилище (поток холодной воды), или поршень (к которому рабочий орган мог сделать работу, спеша он). В 1850 немецкий физик Рудольф Клосиус обобщил эту картину, чтобы включать понятие среды и начал именовать систему как «рабочий орган».
В его рукописи 1850 года По Движущей Власти Огня написал Клосиус:
Статья тепловой двигатель Карно показывает оригинальную диаграмму поршня-и-цилиндра, используемую Карно в обсуждении его идеального двигателя; ниже, мы видим двигатель Карно, как, как правило, моделируется в текущем использовании:
В показанной диаграмме «рабочий орган» (система), термин, введенный Clausius в 1850, может быть любой жидкостью или телом пара, через которое высокая температура Q может быть введена или передана через, чтобы произвести работу. В 1824 Сади Карно, в его известных бумажных Размышлениях о Движущей Власти Огня, постулировал, что жидкое тело могло быть любым веществом, способным к расширению, такому как пар воды, пар алкоголя, пар ртути, постоянного газа или воздуха, и т.д.
Хотя в эти первые годы двигатели прибыли во многие конфигурации, как правило Q поставлялся котлом, в чем вода выкипела печь; Q, как правило, был потоком холодной плавной воды в форме конденсатора, расположенного на отдельной части двигателя. Работа продукции W была движением поршня, поскольку это повернуло руку заводной рукоятки, которая, как правило, поворачивала шкив, чтобы поднять воду из затопленных соляных шахт.
Карно определил работу, поскольку «вес поднялся через высоту».
Стены
Система приложена стенами, которые связали ее, и соедините ее с ее средой. Часто стена ограничивает прохождение через него некоторой формой вопроса или энергии, делая связь косвенной.
Иногда стена — не больше, чем воображаемая двумерная закрытая поверхность, через которую связь со средой прямая.
Топологически, это часто считают почти или кусочным гладко homeomorphic с с двумя сферами (обычная сфера как поверхность, которая формирует границу шара в трех измерениях), потому что систему часто считают просто связанной.
Стена может быть починена (например, постоянный реактор объема) или подвижная (например, поршень). Например, в двигателе оплаты, фиксированная стена означает, что поршень заперт в его положении; тогда, постоянный процесс объема может произойти.
В том же самом двигателе поршень можно открыть и позволить приблизиться и. Идеально, стена может быть объявлена адиабатной, diathermal, непроницаемый, водопроницаемый, или полуводопроницаемый.
Фактические физические материалы, которые предоставляют стенам такие идеализированные свойства, не всегда легко доступны.
Что-либо, что проходит через границу и вызывает изменение в содержании системы, должно составляться в соответствующем уравнении баланса. Объем может быть областью, окружающей единственный атом, резонирующий, энергия, такая как Макс Планк определила в 1900; это может быть тело пара, или воздух в паровом двигателе, таком как Сади Карно определил в 1824. Это мог также быть всего один нуклид (т.е. система кварка), как выдвинул гипотезу в квантовой термодинамике.
Среда
Система — часть изучаемой вселенной, в то время как среда — остаток от вселенной, которая находится вне границ системы. Это также известно как окружающая среда и водохранилище. В зависимости от типа системы это может взаимодействовать с системой, обменивая массу, энергия (включая высокую температуру и работу), импульс, электрический заряд или другие сохраненные свойства. Окружающая среда проигнорирована в анализе системы, кроме отношений к этим взаимодействиям.
Открытая система
В открытой системе вопрос может втечь и из некоторых сегментов системных границ. Могут быть другие сегменты системных границ, которые передают высокую температуру или работу, но не вопрос. Соответствующий счет сохранен передач энергии через тех и любые другие несколько граничных сегментов.
Процесс потока
Область пространства, приложенного открытыми системными границами, обычно называют объемом контроля. Это может или может не соответствовать физическим стенам. Удобно определить форму объема контроля так, чтобы весь поток вопроса, в или, произошел перпендикуляр со своей поверхностью.
Можно рассмотреть процесс, в котором вопрос, текущий в и из системы, химически гомогенный. Тогда вливающийся вопрос выполняет работу, как будто это вело поршень жидкости в систему. Кроме того, система выполняет работу, как будто это вытесняло поршень жидкости.
Через системные стены, которые не передают вопрос, высокая температура и работа передачи могут быть определены, включая работу шахты.
Классическая термодинамика рассматривает процессы для системы, которая является первоначально и наконец в ее собственном внутреннем состоянии термодинамического равновесия без потока. Это выполнимо также в условиях некоторых ограничений, если система — масса жидкости, текущей по однородному уровню.
Тогда во многих целях процесс, названный процессом потока, можно рассмотреть в соответствии с классической термодинамикой, как будто классическое правило никакого потока было эффективным.
Для существующего вводного счета предполагается, что кинетическая энергия потока и потенциальная энергия возвышения в области силы тяжести, не изменяются, и что стены, кроме входного отверстия вопроса и выхода, тверды и неподвижны.
При этих условиях первый закон термодинамики для потока обрабатывает государства: увеличение внутренней энергии системы равно на сумму энергии, добавленной к системе втекающим вопросом и нагреваясь минус сумма, потерянная вытекающим вопросом и в форме работы, сделанной системой. При этих условиях издан первый закон для процесса потока:
:
где и соответственно обозначают средний внутренний энергетический вход и отъезд системы с плавным вопросом.
Источник: http://ru.knowledgr.com/00272254/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F%D0%A1%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0
Термодинамические параметры — что это? Параметры состояния термодинамической системы
Долгое время среди физиков и представителей других наук был способ описания того, что они наблюдают в процессе своих экспериментов. Отсутствие единого мнения и наличие большого количества терминов, взятых «с потолка», приводило к путанице и недопониманиям среди коллег. Со временем каждый раздел физики приобрел свои устоявшиеся определения и единицы измерения. Так появились термодинамические параметры, объясняющие большинство макроскопических изменений в системе.
Определение
Параметры состояния, или термодинамические параметры, – это ряд физических величин, которые все вместе и каждая в отдельности могут дать характеристику наблюдаемой системе. К ним относятся такие понятия, как:
- температура и давление;
- концентрация, магнитная индукция;
- энтропия;
- энтальпия;
- энергии Гиббса и Гельмгольца и многие другие.
Выделяют интенсивные и экстенсивные параметры. Экстенсивными называются те, которые находятся в прямой зависимости от массы термодинамической системы, а интенсивными – которые определяются другими критериями. Не все параметры одинаково независимы, поэтому для того, чтобы вычислить равновесное состояние системы, необходимо определять сразу несколько параметров.
Кроме того, среди физиков существуют некоторые терминологические разногласия. Одна и та же физическая характеристика у разных авторов может называться то процессом, то координатой, то величиной, то параметром, а то и просто свойством. Все зависит от того, в каком контенте ученый ее использует. Но в некоторых случаях существуют стандартизированные рекомендации, которых должны придерживаться составители документов, учебников или приказов.
Существует несколько классификаций термодинамических параметров. Так, исходя из первого пункта, уже известно, что все величины можно разделить на:
- экстенсивные (аддитивные) – такие вещества подчиняются закону сложения, то есть их значение зависит от количества ингредиентов;
- интенсивные – они не зависят от того, сколько вещества было взято для реакции, так как при взаимодействии выравниваются.
Исходя из того, в каких условиях находятся вещества, составляющие систему, величины можно разделить на те, которые описывают фазовые реакции и химические реакции. Кроме того, нужно учитывать свойства веществ, вступающих в реакцию. Они могут быть:
- термомеханические;
- теплофизические;
- термохимические.
Помимо этого, любая термодинамическая система выполняет определенную функцию, поэтому параметры могут характеризовать работу или теплоту, получаемую в результате реакции, а также позволяют рассчитать энергию, необходимую для переноса массы частиц.
Переменные состояния
Состояние любой системы, в том числе термодинамической, можно определить по сочетанию ее свойств или характеристик. Все переменные, которые полностью определяются только в конкретный момент времени и не зависят от того, как именно система пришла в это состояние, называются термодинамическими параметрами (переменными) состояния или функциями состояния.
Система считается стационарной, если переменные функции с течением времени не изменяются. Один из вариантов стационарного состояния — это термодинамическое равновесие. Любое, даже самое малое изменение в системе, — уже процесс, а в нем может быть от одного до нескольких переменных термодинамических параметров состояния. Последовательность, в которой состояния системы непрерывно переходят друг в друга, называют «путь процесса».
К сожалению, путаница с терминами все еще имеет место, так как одна и та же переменная может быть как независимой, так и результатом сложения нескольких функций системы. Поэтому такие термины, как «функция состояния», «параметр состояния», «переменная состояния» могут рассматриваться в виде синонимов.
Температура
Один из независимых параметров состояния термодинамической системы – это температура. Она представляет собой величину, которая характеризует количество кинетической энергии, приходящееся на единицу частиц в термодинамической системе, находящейся в состоянии равновесия.
Если подходить к определению понятия с точки зрения термодинамики, то температура является величиной обратно пропорциональной изменению энтропии после добавления в систему теплоты (энергии). Когда система равновесна, то значение температуры одинаково для всех ее «участников». В случае если имеется разница температур, то энергия отдается более нагретым телом и поглощается более холодным.
Существуют термодинамические системы, в которых при добавлении энергии беспорядочность (энтропия) не возрастает, а наоборот – уменьшается. Кроме того, если подобная система будет взаимодействовать с телом, температура которого больше, чем ее собственная, то она отдаст свою кинетическую энергию этом телу, а не наоборот (исходя из законов термодинамики).
Давление
Давлением называется величина, характеризующая силу, воздействующую на тело, перпендикулярно его поверхности. Для того чтобы вычислить этот параметр, необходимо все количество силы разделить на площадь объекта. Единицами измерения этой силы будут паскали.
В случае с термодинамическими параметрами газ занимает весь доступный ему объем, и, кроме того, молекулы, его составляющие, непрерывно хаотично двигаются и сталкиваются друг с другом и с сосудом, в котором находятся.
Именно эти удары и обуславливают давление вещества на стенки сосуда либо на тело, которое помещено в газ. Сила распространяется во всех направлениях одинаково именно из-за непредсказуемого движения молекул.
Чтобы увеличить давление, необходимо повысить температуру системы, и наоборот.
Энтальпия
Энтальпия представляет собой энергию, которая может быть преобразована в теплоту (или работу) при постоянном давлении. Это потенциал системы, которая находится в состоянии равновесия, в случае если исследователю известен уровень энтропии, число молекул и давление.
В случае, если указывается термодинамический параметр идеального газа, вместо энтальпии используют формулировку «энергия расширенной системы».
Для того чтобы легче было объяснить себе эту величину, можно представить сосуд, наполненный газом, который равномерно сжимается при помощи поршня (например, двигатель внутреннего сгорания).
В этом случае энтальпия будет равна не только внутренней энергии вещества, но и работе, которую необходимо произвести, чтобы привести систему в необходимое состояние. Изменение данного параметра зависит только от начального и конечного состояния системы, а путь, которым оно будет получено, роли не играет.
Энергия Гиббса
Термодинамические параметры и процессы, в большинстве своем, связаны с энергетическим потенциалом веществ, составляющих систему. Так, энергия Гиббса является эквивалентом полной химической энергии системы. Она показывает, какие изменения будут происходить в процессе химических реакций и будут ли вещества взаимодействовать вообще.
Изменение количества энергии и температуры системы в процессе протекания реакции затрагивает такие понятия, как энтальпия и энтропия. Разница между этими двумя параметрами как раз и будет называться энергией Гиббса или изобарно-изотермическим потенциалом.
Минимальное значение данной энергии наблюдается в том случае, если система находится в равновесии, а ее давление, температура и количества вещества остаются неизменными.
Энергия Гельмгольца
Энергия Гельмгольца (по другим источникам – просто свободная энергия) представляет собой потенциальное количество энергии, которое будет потеряно системой при взаимодействии с телами, не входящими в нее.
Понятие свободной энергии Гельмгольца часто используется для того, чтобы определить, какую максимальную работу способна выполнить система, то есть сколько высвободится теплоты при переходе веществ из одного состояния в другое.
Если система находится в состоянии термодинамического равновесия (то есть она не совершает никакой работы), то уровень свободной энергии находится на минимуме. А значит, изменение других параметров, таких как температура, давление, количество частиц, также не происходит.
Источник: https://FB.ru/article/330235/termodinamicheskie-parametryi---chto-eto-parametryi-sostoyaniya-termodinamicheskoy-sistemyi
Основные понятия термодинамики
Данная статья предназначена для подготовки к изучению термодинамики, здесь даны общие сведения, которые не требуют запоминания, но обязательны для понимания
Термодинамика
В термодинамике всего три основных закона, на которых строится данная наука. Термодинамика это фундаментальный предмет, который изучает процессы преобразования энергии. В законах термодинамики нет исключений, как, например, в химии.
Для того, что бы работать с термодинамикой, необходимо изучить базовые понятия, которые используются для исследования всего, что нас окружает.
Термодинамика используется для изучения некоторого объекта, первое что необходимо сделать — это определиться, что мы будем изучать.
Термодинамическая система
Итак, первое понятие, термодинамическая система — это объект изучения, часть пространства, ограниченная физически или воображаемой границей, которая будет подвергнута изучению. Если мы берёмся изучать обмен энергией в человеке, то весь человек — это термодинамическая система. Если мы изучаем обмен теплом с солнцем, то солнце — это термодинамическая система. Если мы изучаем обмен тепла между печкой и домом, то и печка и дом — это термодинамическая система.
Границы системы
Важно обозначить, где заканчивается система, граница термодинамической системы — это физический или воображаемый объект, например, если мы изучаем кофе в термокружке как термодинамическую систему, то кофе — это система, а внутренние стенки кружки и нижняя часть крышки — это границы системы. Также мы можем изучать участок трубы, по которой течёт жидкость: внутренняя поверхность трубы и определённые нами (воображаемые) границы участка будут являться границей термодинамической системы.
Окружающая среда
Всё, что находится за пределами границы системы — это окружающая среда. Подразумевается, что окружающая среда не изменяется в течение времени, т.е. все её параметры постоянны независимо от того, что происходит в системе (например, система может отдавать или принимать тепло от окружающей среды, что никак не влияет на среду).
Закрытая система
В закрытой системе невозможно ни изменение массы вещества, ни обмен веществом с окружающей средой. Например, вакуумная упаковка — пока упаковка цела, масса продукта внутри постоянна (если, конечно, там не протекают сложные химические процессы, которые не имеют интерес в данной ситуации).
Адиабатическая система
Может быть открытой или закрытой, но в любом случае отсутствует обмен энергией в виде тепла.
Свойства термодинамической системы
Термодинамическая система описывается набором величин, которые не зависят от предыдущих состояний системы. Каждое состояние может быть описано термодинамическими величинами. Любая характеристика системы является интенсивной или аддитивной.
Интенсивная характеристика (с латинского intensive — принадлежащий объекту) не зависит от размера системы, т.е. её величина одинакова для всей системы (или части системы) независимо от размеров, например температура или концентрация.
Аддитивная характеристика (с латинского — возможность присоединяться) зависит от размера выбранного объекта и для всей системы будет являться суммой значений для всех её элементов, например, масса.
Удельный объем и плотность ν, ρ
ν = V/m удельный объём
ρm = m/V плотность
Давление P
P = F/A нормаль силы на единицу площади
Давление различают абсолютное и манометрическое. Манометрическое — это давление избыточное по отношению к атмосферному (для вакуума манометрическое давление отрицательно). Абсолютное давление — это давление относительно полного вакуума.
Источник: https://k-tree.ru/articles/fisica/termodinamika/bazovie_poniatiia
Основы теплотехники
Как упоминалось в предыдущей статье, термодинамическим процессом называют изменение состояния системы, в результате которого хотя бы один из ее параметров (температура, объем или давление) изменяет свое значение.
Впрочем, если учесть, что все параметры термодинамической системы неразрывно взаимосвязаны, то изменение любого из них неизбежно влечет изменение хотя бы одного (в идеале) или нескольких (в реальности) параметров.
В общем случае можно сказать, что термодинамический процесс связан с нарушением равновесия системы, и если система находится в равновесном состоянии, то никаких термодинамических процессов в ней протекать не может.
Равновесное состояние системы — понятие абстрактное, поскольку невозможно изолировать что-либо материальное от окружающего мира, поэтому в любой реальной системе неизбежно протекают разнообразные термодинамические процессы.
При этом в некоторых системах могут иметь место настолько медленные, почти незаметные изменения, что связанные с ними процессы можно условно считать состоящими из последовательности равновесных состояний системы. Такие процессы называют равновесными или квазистатическими.
Еще один возможный сценарий последовательных изменений в системе, после которых она возвращается к исходному состоянию, называют круговым процессом или циклом. Понятия равновесного и кругового процесса лежат в основе многих теоретических выводов и прикладных приемов термодинамики.
Изучение термодинамического процесса заключается в определении работы, совершенной в данном процессе, изменения внутренней энергии, количества теплоты, а также в установлении связи между отдельными величинами, характеризующими состояние газа.
Из всех возможных термодинамических процессов наибольший интерес представляют изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный и политропный процессы.
***
Изохорный процесс
Изохорным называют термодинамический процесс, протекающий при постоянном объеме. Такой процесс может совершаться при нагревании газа, помещенного в закрытый сосуд. Газ в результате подвода теплоты нагревается, и его давление возрастает.
Изменение параметров газа в изохорном процессе описывает закон Шарля: p1/T1 = p2/T2, или в общем случае:
p/T = const.
Давление газа на стенки сосуда прямо пропорционально абсолютной температуре газа.
Так как в изохорном процессе изменение объема dV равно нулю, то можно сделать вывод, что вся подведенная к газу теплота расходуется на изменение внутренней энергии газа (никакая работа не совершается).
***
Изобарный процесс
Изобарным называют термодинамический процесс, протекающий при постоянном давлении. Такой процесс можно осуществить, поместив газ в плотный цилиндр с подвижным поршнем, на который действует постоянная внешняя сила при отводе и подводе теплоты.
При изменении температуры газа поршень перемещается в ту или иную сторону; при этом объем газа изменяется в соответствии с законом Гей-Люссака:
V/T = const.
Это означает, что в изобарном процессе объем занимаемый газом, прямо пропорционален температуре.
Можно сделать вывод, что изменение температуры в этом процессе неизбежно приведет к изменению внутренней энергии газа, а изменение объема связано с выполнением работы, т. е.
при изобарном процессе часть тепловой энергии тратится на изменение внутренней энергии газа, а другая часть – на выполнение газом работы по преодолению действия внешних сил.
При этом соотношение между затратами теплоты на увеличение внутренней энергии и на выполнение работы зависит от теплоемкости газа.
***
Изотермический процесс
Изотермическим называют термодинамический процесс, протекающий при неизменной температуре. Практически осуществить изотермический процесс с газом очень трудно.
Ведь необходимо соблюсти условие, чтобы в процессе сжатия или расширения газ успевал обмениваться температурой с окружающей средой, поддерживая собственную температуру постоянной.
Изотермический процесс описывается законом Бойля-Мариотта: pV = const, т.
е. при постоянной температуре величина давления газа обратно пропорциональна его объему.
Очевидно, что при изотермическом процессе внутренняя энергия газа не изменяется, поскольку его температура постоянна.
Чтобы выполнялось условие постоянства температуры газа, от него необходимо отводить теплоту, эквивалентную работе, затраченной на сжатие:
dq = dA = pdv.
Используя уравнение состояния газа, проделав ряд преобразований и подстановок, можно сделать вывод, что работа газа при изотермическом процессе определяется выражением:
A = RT ln(p1/p2).
***
Адиабатным называют термодинамический процесс, протекающий без теплообмена рабочего тела с окружающей средой. Подобно изотермическому, осуществить на практике адиабатный процесс очень сложно. Такой процесс может протекать с рабочим телом, помещенным в сосуд, например, цилиндр с поршнем, окруженный высококачественным теплоизолирующим материалом.
Но какой бы качественный теплоизолятор мы не применяли в данном случае, некоторым, пусть даже ничтожно малым, количеством теплоты рабочее тело и окружающая среда неизбежно будут обмениваться.
Поэтому на практике можно создать лишь приближенную модель адиабатного процесса.
Тем не менее, многие термодинамические процессы, осуществляемые в теплотехнике, протекают настолько быстро, что рабочее тело и среда не успевают обмениваться теплотой, поэтому с некоторой степенью погрешности такие процессы можно рассматривать как адиабатные.
Для вывода уравнения, связывающего давление и объем 1 кг газа в адиабатном процессе, запишем уравнение первого закона термодинамики:
dq = du + pdv.
Поскольку для адиабатного процесса теплопередача dq равна нулю, а изменение внутренней энергии есть функция теплопроводности от температуры: du = cvdT, то можно записать:
cvdT + pdv = 0 (3).
Продифференцировав уравнение Клапейрона pv = RT, получим:
pdv + vdp = RdT.
Выразим отсюда dT и подставим в уравнение (3). После перегруппировки и преобразований получим:
pdvcv/(R + 1) + cvvdp/R = 0.
С учетом уравнения Майера R = cp – cv последнее выражение можно переписать в виде:
pdv(cv + cp — cv)/(cp – cv) + cvvdp/(cp – cv) = 0,
или
cppdv + cvvdp = 0 (4).
Разделив полученное выражение на cv и обозначив отношение cp/cv буквой k, после интегрирования уравнения (4) получим (при k = const):
ln + ln p = const или ln p = const или p = const.
Полученное уравнение является уравнением адиабатного процесса, в котором k – показатель адиабаты.
Если предположить, что объемная теплоемкость cv является величиной постоянной, т. е. cv = const, то работу адиабатного процесса можно представить в виде формулы (приводится без вывода):
l = cv(T1 – T2) или l = (p1v1 – p2v2)/(k-1).
***
Политропный процесс
В отличие от рассмотренных выше термодинамических процессов, когда какой-либо из параметров газа оставался неизменным, политропный процесс характеризуется возможностью изменения любого из основных параметров газа.
Все рассмотренные выше термодинамические процессы являются частными случаями политропных процессов.
Общее уравнение политропного процесса имеет вид pvn = const, где n – показатель политропы — постоянная для данного процесса величина, которая может принимать значения от — ∞ до + ∞.
Очевидно, что придавая показателю политропы определенные значения, можно получить тот или иной термодинамический процесс – изохорный, изобарный, изотермический или адиабатный.
Так, если принять n = 0, получим p = const – изобарный процесс, если принять n = 1, получим изотермический процесс, описываемый зависимостью pv = const; при n = k процесс является адиабатным, а при n равном — ∞ или + ∞. мы получим изохорный процесс.
Так как уравнение политропы по своему содержанию аналогично уравнению адиабатного процесса, то формулы, устанавливающие связь между параметрами политропного процесса будут аналогичны таковым для адиабатного процесса с той лишь разницей, что показатель адиабаты k нужно заменить на показатель политропы n.
Тогда:
p2/p1 = (v1/v2)n; Tnp(n-1) = const; Tnv(n-1) = const.
Работа газа при политропном процессе может быть определена по формуле:
l = (p1v1 – p2v2)/(k-1).
Теплоемкость при политропном процессе (приводится без вывода):
cn = cv(n – k)/(n – 1).
***
Понятие энтальпии и энтропии
Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)
Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):
Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):
Олимпиады и тесты
Источник: http://k-a-t.ru/teplotexnika/6_processy/index.shtml
Что такое термодинамика
Подробности Категория: Термодинамика 11.12.2014 14:05 7350
Термодинамика — наука, которая изучает тепловые явления, происходящие в телах, не связывая их с молекулярным строением вещества.
В термодинамике считается, что все тепловые процессы в телах характеризуются только лишь макроскопическими параметрами — давлением, объёмом и температурой. А так как их невозможно применить к отдельно взятым молекулам или атомам, то, в отличие от молекулярно-кинетической теории, в термодинамике молекулярное строение вещества в тепловых процессах не учитывается.
Все понятия термодинамики сформулированы как обобщение фактов, наблюдаемых в ходе экспериментов. Из-за этого её называют феноменологической (описательной) теорией тепла.
Термодинамические системы
Термодинамика описывает тепловые процессы, происходящие в макроскопических системах. Такие системы состоят из огромного количества частиц — молекул и атомов, и называются термодинамическими.
Термодинамической системой можно считать любой объект, который можно увидеть невооружённым глазом или с помощью микроскопов, телескопов и других оптических приборов. Главное, чтобы размеры системы в пространстве и время её существования позволяли провести измерения её параметров — температуры, давления, массы, химического состава элементов и др., с помощью приборов, не реагирующих на воздействие отдельных молекул (манометров, термометров и др.).
Для химиков термодинамическкой системой является смесь химических веществ, взаимодействующих между собой в процессе химической реакции. Астрофизики назовут такой системой небесное тело. Смесь горючего с воздухом в автомобильном двигателе, земной шар, наше тело, пишущая ручка, тетрадь, станок и др. — это также термодинамические системы.
Каждая термодинамическая система отделена от окружающей среды границами. Они могут быть реальными — стеклянные стенки пробирки с химическим веществом, корпус цилиндра в двигателе и т.п. А могут быть и условными, когда, например, изучают образование облака в атмосфере.
Если такая система не обменивается с внешней средой ни энергией, ни веществом, то её называют изолированной или замкнутой.
Если же система обменивается с внешней средой энергией, но не обменивается веществом, то она называется закрытой.
Открытая система обменивается с внешней средой и энергией, и веществом.
Термодинамическое равновесие
Это понятие также введено в термодинамику, как обобщение результатов экспериментов.
Термодинамическим равновесием называют такое состояние системы, при котором все её макроскопические величины — температура, давление, объём и энтропия — не изменяются во времени, если система является изолированной. В такое состояние может самопроизвольно перейти любая замкнутая термодинамическая система, если остаются постоянными все внешние параметры.
Самый простой пример системы в состоянии термодинамического равновесия — термос с горячим чаем. Температура в нём одинакова в любой точке жидкости. Хотя термос можно назвать изолированной системой лишь приблизительно.
Любая замкнутая термодинамическая система самопроизвольно стремится перейти в термодинамическое равновесие, если не меняются внешние параметры.
Термодинамический процесс
Если меняется хотя бы один из макроскопических параметров, то говорят, что в системе происходит термодинамический процесс. Такой процесс может возникнуть, если изменяются внешние параметры или система начинает получать или передавать энергию. В результате она переходит в другое состояние.
Вспомним пример с чаем в термосе. Если мы опустим в чай кусочек льда и закроем термос, то сразу же появится разница в температурах в разных частях жидкости. Жидкость в термосе будет стремиться к выравниванию температур.
Из областей с более высокой температурой тепло будет передаваться туда, где температура ниже. То есть, будет происходить термодинамический процесс. В конце концов, температура чая в термосе снова станет одинаковой. Но она уже будет отличаться от первоначальной температуры.
Состояние системы изменилось, так как изменилась её температура.
Термодинамический процесс происходит, когда ночью остывает песок, нагретый на пляже в жаркий день. К утру его температура понижается. Но как только взойдёт солнце, процесс нагревания начнётся снова.
Изменение внутренней энергии механической работой
Бенджамин Румфорд
Внутреннюю энергию тела можно изменить, совершив над ней механическую работу. Если работа совершается над телом, то механическая энергия превращается во внутреннюю энергию. А если работу совершает тело, то его внутренняя энергия превращается в механическую.
Почти до конца XIX века считалось, что существует невесомое вещество — теплород, которое передаёт тепло от тела к телу. Чем больше теплорода втекает в тело, тем теплее оно будет, и наоборот.
Однако в 1798 г. англо-американский учёный граф Бенджамин Румфорд стал сомневаться в теории теплорода. Причиной тому были нагревания стволов пушек при сверлении. Он предположил, что причиной нагревания является механическая работа, которая совершается во время трения сверла о ствол.
И Румфорд провёл эксперимент. Чтобы увеличить силу трение, взяли тупое сверло, а сам ствол поместили в бочку с водой. К концу третьего часа сверления вода в бочке закипела. Это означало, что ствол получил тепло при совершении механической работы над ним.
Теплопередача
Теплопередачей называют физический процесс передачи тепловой энергии (теплоты) от одного тела к другому либо при непосредственном контакте, либо через разделяющую перегородку. Как правило, теплота передаётся от более тёплого тела к более холодному. Это процесс заканчивается, когда система приходит в состояние термодинамического равновесия.
Энергия, которую получает или отдаёт тело при теплопередаче, называется количеством теплоты.
По способу передачи теплоты теплообмен можно разделить на 3 вида: теплопроводность, конвенция, тепловое излучение.
Теплопроводность
Если между телами или частями тел существует температурная разница, то между ними будет происходить процесс теплопередачи. Теплопроводностью называют процесс переноса внутренней энергии от более нагретого тела (или его части) к менее нагретому телу (или его части).
К примеру, нагрев на огне один конец стального прута, через некоторое время мы почувствуем, что и другой его конец также становится тёплым.
Стеклянную палочку, один конец которой раскалён, мы легко держим за другой конец, не обжигаясь. Но если мы попробуем проделать такой же эксперимент с железным прутом, у нас ничего не получится.
Разные вещества по-разному проводят тепло. Каждое из них имеет свой коэффициент теплопроводности, или удельной проводимости, численно равный количеству теплоты, которая проходит через образец толщиной 1 м, площадью 1 м2 за 1 секунду. За единицу температуры принимают 1 К.
Лучше всего проводят тепло металлы. Это их свойство мы используем в быту, готовя пищу в металлических кастрюлях или на сковородках. А вот их ручки не должны нагреваться. Поэтому их делают из материалов с плохой теплопроводностью.
Теплопроводность жидкостей меньше. А газы обладают слабой теплопроводностью.
Мех животных также плохо проводит тепло. Благодаря этому они не перегреваются в жаркую погоду и не замерзают в холодную.
Конвенция
При конвенции теплота передаётся струями и потоками газа или жидкости. В твёрдых телах конвенции нет.
Как возникает конвенция в жидкости? Когда мы ставим на огонь чайник с водой, нижний слой жидкости нагревается, его плотность уменьшается, он движется вверх. Его место занимает более холодный слой воды. Через какое-то время он тоже нагреется и тоже поменяется местами с более холодным слоем. И т.д.
Подобный процесс происходит и в газах. Не случайно батареи отопления размещают в нижней части комнаты. Ведь нагретый воздух всегда поднимается в верхнюю часть комнаты. А нижний, холодный, наоборот, опускается. Затем он нагревается также и вновь поднимается, а верхний слой за это время остывает и опускается.
Конвенция бывает естественная и принудительная.
Естественная конвенция постоянно происходит в атмосфере. В результате этого происходят постоянные перемещения тёплых воздушных масс вверх, а холодных — вниз. В результате возникает ветер, облака и другие природные явления.
Когда естественной конвенции недостаточно, применяю принудительную конвенцию. Например, потоки тёплого воздуха перемещают в комнате с помощью лопастей вентилятора.
Тепловое излучение
Солнце нагревает Землю. При этом не происходит ни теплопередачи, ни конвенции. Так почему же тела получают тепло?
Дело в том, что Солнце является источником теплового излучения.
Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии тела. Все окружающие нас тела излучают тепловую энергию. Это может быть видимое световое излучение настольной лампы, или источники невидимых ультрафиолетовых, инфракрасных или гамма-лучей.
Но тела не только излучают тепло. Они его также и поглощают. Одни в большей степени, другие в меньшей. Причём тёмные тела и нагреваются, и охлаждаются быстрее, чем светлые. В жаркую погоду мы стараемся надеть светлую одежду, потому что она поглощает меньше тепла, чем одежда тёмных тонов. Автомобиль тёмного цвета нагревается на солнце гораздо быстрее, чем стоящий с ним рядом автомобиль, имеющий светлую окраску.
Это свойство веществ по-разному поглощать и излучать тепло используется при создании систем ночного видения, систем самонаведения ракет на цель и др.
Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/termodinamika/370-chto-takoe-termodinamika
