Законы термодинамики

Общие сведения

Термодинамика базируется на огромном числе опытных положений, определяющих область её применения, и основных законах, являющихся основой тепловых процессов. Главнейшую роль в термодинамике играют первый и второй законы. Однако они не единственные фундаментальные положения, на которых базируется термодинамика.

Существуют исходные положения, или постулаты, являющиеся обобщением опыта познания мира и характеризующие определенные свойства систем, обменивающихся энергией в форме теплоты.

Первым исходным положением является утверждение о том, что изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние термодинамического равновесия и самопроизвольно никогда выйти из него не может. Этим исключаются из рассмотрения системы, для которых наступление равновесия невозможно, а также все явления, при которых возможно самопроизвольное отклонение от равновесного состояния. Опыт и теория показывают, что для макроскопической системы спонтанные отклонения от равновесия тем меньше, чем больше частиц в системе.

Для систем с малым числом частиц термодинамика неприемлема.

Положение о существовании температуры как функции состояния равновесия – это второе исходное положение термодинамики: все равновесные внутренние параметры системы являются функциями внешних параметров и температуры. Иногда это положение называют нулевым, так как оно устанавли-вает существование у равновесной системы температуры, подобно тому как первое

начало определяет существование внутренней энергии, а второе - устанавливает существование энтропии.

Например, имеются три системы А, И, С. Если система А и В каждая в отдельности находится в равновесии с системой С, они (т.е. А и В) находятся в термодинами-

ческом равновесии между собою. Это равновесие достигается при соприкосновении отдельных её частей, за счет параметра выравнивания, который определяется внеш-

ними параметрами и энергией тела или системы. Этот параметр и называется температурой.

2.2 Первый закон термодинамикидля закрытой системы

Первый закон термодинамики – это закон сохранения и превращения энергии применительно к термодинамическим процессам, являющимся фундаментальным законом природы. Он гласит: энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в результатехимических и физических процессов.

Для произвольной термодинамической системы запас энергии определяется

E = U + Е_ПОТ + Е_КИН,

где Е_ПОТ + Е_КИН - энергия единого целого.

Если система неподвижна, тогда Е_КИН = 0, а Е_ПОТ можно пренебречь, т.е. Е_ПОТ ≈ 0. Получаем: E = U

Рассмотрим термодинамическую систему, не взаимодействующую с окружающей средой. Для этой системы

E = cons, ∆E = 0, ∆U = 0, т.е. U₂ = U₁

Для открытой термодинамической системы, обменивающейся с окружающей средой теплотой и работой закон сохранения энергии

, где - сумма всех энергий взаимодействий системы с окружающей средой.

Q

∆E = Q – L

L E₂ = E₁ +Q – L (2.1).

 

U₂ = U₁ + Q – L Q = U₂ – U₁ +L (2.2).

dQ = dU + dL = dU + pdV

dq = du + dl = du + pdv (2.3).

Рассмотрим уравнение первого закона термодинамики

для кругового процесса или цикла.

Для кругового цикла h _t = l; в действительности h _t ≤ l.

В соответствии с полученным выражением можно сделать вывод, что невозможно создать вечный двигатель первого рода, т.е. тепловую машину с h _t > l.

Для вывода второй математической записи уравнения 1-го закона термодинамики воспользуемся определением энтальпии.

 

Рисунок 2.1. Схема кругового процесса в P-V диаграмме.

h = u + pv (2.4).

dh = du + d(pv) = du +pdv + vdp = dq + vdp

dq = dh – vdp

Воспользуемся уравнением 1-го закона термодинамики для вывода двух соотношений для идеального газа при p =const: dq_P = dh = C_P dT;

dh = h₂ –h₁ = C_P(T₂ – T₁ ) (2.5).

при v =const: dq_V = du = C_V (T₂ – T₁)

dU = U₂ – U₁ = C_V (T₂ – T₁) (2.6).

Лекция № 3

Раздел 3