Содержание термодинамики и ее метод

Содержание

Введение        3

Содержание термодинамики и ее метод        4

Исходные понятия и определения термодинамики        8

Общая характеристика и формулировки второго начала термодинамики        11

Теплоемкость смесей        13

Состав смесей, жидкостей, паров и газов        15

Простейшие процессы изменения состояния        17

Обратимые и не обратимые круговые процессы (циклы)        21

Заключение        24

Список литературы        25

Введение

Термодина́мика (греч. θέρμη — «тепло», δύναμις — «сила») — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а также теплотехника.

В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называются термодинамическими системами. В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами — давление, температура, объём, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

В теоретической физике наряду с феноменологической термодинамикой, изучающей феноменологию тепловых процессов, выделяют термодинамику статистическую, которая была создана для механического обоснования термодинамики и была одним из первых разделов статистической физики.

Содержание термодинамики и ее метод

Термодинамика в своем историческом развитии формировалась сначала как учение о простейших превращениях энергии, главным образом как учение о превращении тепла в работу. В этой стадии развития получены исходные математические выражения основных законов классической термодинамики первого и второго начал термодинамики. В дальнейшем сфера влияния термодинамики расширяется, прежде всего, в вопросах о физическом состоянии вещества, в развитии учения о термодинамических равновесиях, в исследовании сложных физических и химических явлений и т. п. В настоящее время принимается следующее общее определение: Термодинамика наука, исследующая разнообразные явления природы (физические, химические, биологические, космические и т. п.) в свете двух основных законов, называемых первым и вторым началами термодинамики. Специальные приложения термодинамики носят соответствующие наименования: физической термодинамики (исследования физических свойств твердых, жидких и газообразных тел, теория электрических и магнитных явлений), химической термодинамики (химические и физико -химические процессы), технической термодинамики (применения термодинамики в теплотехнике и хладотехнике) и т. п. Метод исследований, принятый в термодинамике, заключается в строгом математическом развитии некоторых очевидных исходных положений - физических постулатов, являющихся обобщением многовекового опыта познания природы. Первый постулат, являющийся основанием первого начала термодинамики, может быть принят в следующей формулировке: Энергия изолированной системы сохраняет постоянную величину при всех изменениях, происходящих в этой системе. Изолированной системой называется такая система тел, которая не обменивается энергией ( и массой) с внешним миром (с другими системами). Понятие изолированной системы является вспомогательным; последующие уравнения (равенства) термодинамики, построенные на основе принципа сохранения энергии изолированных систем, распространяются на все тела и системы тел, осуществляющие обмен энергией с внешней средой. Второй постулат, являющийся основанием второго начала термостатики (принципа существования энтропии и абсолютной температуры), формулируется как частное выражение принципа причинной связи явлений: Между телами и элементами тел, не находящимися в тепловом равновесии, невозможен одновременный самопроизвольный переход тепла в 12 противоположных направлениях от тел более нагретых к телам менее нагретым и обратно (первая формулировка) или: Невозможно одновременное осуществление полных превращений тепла в работу и работы в тепло (вторая формулировка); обе формулировки постулата второго начала термостатики эквивалентны (вторая формулировка может быть непосредственно получена из первой и обратно первая из второй). В основу второго начала термостатики могут быть положены различные частные выражения принципа причинной связи явлений. Постулат второго начала термостатики в предлагаемых формулировках имеет некоторые существенные преимущества сравнительно с другими возможными формулировками принципа причинной связи явлений: он удовлетворяет условиям наглядности, доступен проверке в условиях непосредственного наблюдения явлений природы и внешне наиболее близок известным постулатам второго начала классической термодинамики: постулату о невозможности самопроизвольного перехода тепла от тел менее нагретых к телам более нагретым (постулат Р. Клаузиуса), постулату о невозможности полного превращения тепла в работу (постулат В. Томсона Кельвина) или постулату о необратимости превращения работы в тепло путем трения (постулат М. Планка). Внешнее сходство сравниваемых постулатов дает возможность с наибольшей наглядностью выявить принципиальное различие этих постулатов: постулат второго начала термостатики как частное выражение принципа причинной связи явлений природы не допускает лишь возможности различного течения процессов в одних и тех же условиях, но совершенно не затрагивает вопроса о преимущественном или единственно возможном направлении течения тех или иных явлений природы, а постулaты второго начала термодинамики сводятся именно к утверждению об определенной односторонней направленности непосредственно наблюдаемых в природе явлений. Постулат второго начала термостатики дополняется вспомогательным определением температуры как независимой переменной состояния тел и систем тел, находящихся в тепловом равновесии. Третий постулат, являющийся основанием второго начала термодинамики (принципа возрастания энтропии), формулируется как утверждение об определенной направленности наблюдаемых в природе необратимых явлений: Тепло самопроизвольно переходит от тел более нагретых к телам менее нагретым. Сопоставление постулатов второго начала термостатики и второго начала термодинамики приводят к выводам, составляющим содержание известных постулатов запрещения (постулатов отрицания возможности некоторых явлений), например, к отрицанию возможности самопроизвольного перехода тепла от тел менее нагретых к телам более нагретым (постулат Р. Клаузиуса), к отрицанию возможности полного преврашения тепла в работу (постулат В. Томсона-М. Планка) и т. п. Опыт независимого обоснования принципов существования и возрастания энтропии 13 показал, что постулаты запрещения не могут быть непосредственно использованы ни в обоснованиях принципа существования энтропии, не имеющего отношения к утверждениям об определенной односторонней направленности, наблюдаемых в природе необратимых явлений, ни в обоснованиях принципа возрастания энтропии, в основу которого положено именно утверждение об определенной односторонней направленности наблюдаемых в природе необратимых явлений, а не отрицание возможности противоположного течения необратимых процессов. Утверждения об определенной направленности наблюдаемых в природе необратимых явлений (постулаты второго начала термодинамики) имеют гораздо менее общий характер, чем постулаты первого начала термодинамики и второго начала термостатики. Наблюдаемое направление течения необратимых процессов следует рассматривать лишь как наиболее вероятное в рассматриваемых условиях, в связи с чем второе начало термодинамики (принцип возрастания энтропии) приобретает все признаки статистического закона. Равенства термодинамики, характеризующие процессы энергетического взаимодействия тел и систем тел, и дифференциальные соотношения термодинамики, используемые в качестве основы учения о физических свойствах вещества, являются выражениями или прямыми следствиями первого начала термодинамики и второго начала термостатики, поэтому расчетные соотношения (равенства) термодинамики ни в какой мере не изменятся, если необратимые явления в природе вообще не будут наблюдаться или если наблюдаемое нами направление течения необратимых процессов изменятся на прямо противоположное. Непосредственные следствия второго начала термодинамики (принципа возрастания энтропии) могут привести лишь к неравенствам. Постулаты термодинамики являются выражениями многовекового общечеловеческого опыта познания природы, причем закон сохранения энергии и принцип причинной связи явлений природы, являющиеся основанием расчетных соотношений (равенств) термодинамики, не допускают каких-либо исключений. Эти особенности обоснования основных принципов термодинамики сообщают высокую степень общности и строгости термодинамическому анализу самых разнообразных явлений природы.

...