 |
Возрастать энтропия может по двум причинам:
|
|
|
|
1)вследствие необратимого процесса перехода системы в равновесное (более вероятное) состояние;
2)вследствие сообщения системе определенного количества теплоты.
Вопрос 34.Второе начало термодинамики(формулировки) и его смысл.
Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.
Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:
1)по Кельвину: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу;
2) по Клаузиусу: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.
/* Эквивалентность этих формулировок легко показать. В самом деле, допустим, что постулат Клаузиуса неверен, то есть существует процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тогда возьмем два тела с различной температурой (нагреватель и холодильник) и проведем несколько циклов тепловой машины, забрав тепло 
у нагревателя, отдав холодильнику и совершив при этом работу 
. После этого воспользуемся процессом Клаузиуса и вернем тепло 
от холодильника нагревателю. В результате получается, что мы совершили работу только за счет отъёма теплоты от нагревателя, то есть постулат Томсона тоже неверен.
С другой стороны, предположим, что неверен постулат Томсона. Тогда можно отнять часть тепла у более холодного тела и превратить в механическую работу. Эту работу можно превратить в тепло, например, с помощью трения, нагрев более горячее тело. Значит, из неверности постулата Томсона следует неверность постулата Клаузиуса.
|
|
|
Таким образом, постулаты Клаузиуса и Томсона эквивалентны. */
Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:
Второе начало термодинамики можно сформулировать как закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой необратимый процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает.
/* Здесь существенно, что речь идет о замкнутых системах, так как в незамкнутых системах энтропия может вести себя любым образом (убывать, возрастать, оставаться постоянной). Кроме того, отметим еще раз, что энтропия остается постоянной в замкнутой системе только при обратимых процессах. При необратимых процессах в замкнутой системе энтропия всегда возрастает. */
, где k – постоянная Больцмана, W – термодинамическая вероятность, реализующая состояние системы. Формула Больцмана, которая определяет количественную связь между энтропией S и термодинамической вероятностью W.
 | |||
 |
Учитывая то, что в системе возможно локальное понижение энтропии с опорой на молекулярно-статистические представления, формулировка второго начала термодинамики принимает уточненный вид:
В замкнутой и адиобатически изолированной системе наиболее вероятным возможен процесс, сопровождающийся возрастанием энтропии.
 |
Физический смысл второго начала термодинамики:
1) теплота самопроизвольно может переходить только от горячего тела к холодному и невозможен процесс единственным результатом которого является передача тепла от холодного тела к горячему. возможность такого процесса позволила бы создать вечный двигатель второго рода.
2) в любой системе степень беспорядка не уменьшается, в замкнутых она остается постоянной, в открытых только возрастает.
|
|
|
Вопрос 35.Тепловая машина: принцип действия, энергетическая схема работы КПД
Тепловая машина – это устройство, преобразующие энергию сгоревшего топлива в механическую энергию. Тепловые машины состоят из нагревателя, рабочего тела, и холодильника. Нагреватель и холодильник- большие резервуары(будем полагать, что их температуры остаются неизменными)
Принцип действия: в тепловом двигателе от нагревателя с температурой Т1 за цикл отнимается количество теплоты Q1, а холодильнику с более низкой температурой за цикл передается количество теплоты Q2. При этом совершается работа А. Поскольку тепловой двигатель за цикл возвращается в исходное состояние, то на основании первого закона термодинамики работа за цикл равна 
 |
Принцип работы теплового двигателя:
- количество теплоты, переданное системе расходуется на совершение этой системой механической работы и на увеличение ее внутренней энергии (т.е. система должно отдать тепло в окружающее пространство) - 1-й закон термодинамики.
Для характеристики работоспособности двигателей введено понятие коэффициента
полезного действия - КПД.
КПД теплового двигателя может быть вычислен по формуле:
КПД может выражаться и в процентах, тогда расчетная формула будет иметь вид
Ни один тепловой двигатель не может иметь КПД больше либо равный 100%. КПД реальных двигателей всегда менее 100%.
Следствие работы тепловой машины (принцип запрета Томсона и Планка): невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование теплоты полученной от нагревателя полностью в работу.Энергетический баланс для рабочего тела:
Qподв=Qотв+А+∆Uгаз+Qрассеян
∆Uгаз=0(за цикл работы тепловой машины)
А=Qподв-Qотв-Qрасс<= Qподв –Qотва
Вопрос 36. Цикл Карно.Кпд идеальной машины, работающей по циклу Карно; сопоставление с КПД реальной тепловой машины.
36. Цикл Карно. КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно; сопоставление с КПД реальной тепловой машины.
Идеальная тепловая машина - машина Карно (Сади Карно, Франция, 1815) - работает на идеальном газе. Цикл работы идеальной тепловой машины – наиболее энергетически выгодный, то есть наименее энергозатратный, он состоит из двух изотерм (в изотермических процессах все переданное системе тепло идет на совершение ею работы) и двух адиабат (в адиабатных процессах отсутствуют теплопотери, и работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы):
|
|
|
1 - 2 - при тепловом контакте с нагревателем газ расширяется изотермически (при
температуре Тн).
2 -3 - газ расширяется адиабатно (температура рабочего тела уменьшается от
значения Тнагр до значения Тхолод).
После контакта с холодильником:
3 -4 - изотермическое сжатие (при температуре Тх);
4 -1 - адиабатное сжатие (температура системы увеличивается от значения Тхолод до
значения Тнагр).
Максимальный КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, можно рассчитать по формуле:
Теорема Карно: КПД реальной тепловой машины не может быть больше КПД идеальной машины, работающей в том же интервале температур.
Таким образом, при заданных температурах нагревателя и холодильника КПД идеального теплового двигателя – максимально возможный, но тоже меньше 100%.
Цикл Карно обратим. Машина, работающая по обратному циклу, называется холодильной машиной.
Вопрос 37.Фазы и фазовые переходы. Фазы и фазовые переходы. Диаграмма состояний. Тройная точка. Критическая точка. Условия равновесия фаз. Уравнение Клайперона-Клаузиуса. Метастабильные состояния.
Фаза – макроскопически-однородная часть вещества, имеющая четкие границы. Переход вещества из одной фазы в другую называется фазовым переходом. При таких переходах меняются механические, тепловые, электрические и магнитные свойства вещества.
Как уже указывалось, одно и то же вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний в зависимости от внешних условий температуры и давления.
Зависимость агрегатного состояния вещества от давления и температуры может быть наглядно представлена диаграммой состояния. Для ее построения, откладывая по оси ординат давление р, а по оси абсцисс температуру Т, отмечают точками такие сочетания давления p и температуры Т, при которых находятся в динамическом равновесии жидкость — газ, газ — твердое тело, жидкость — твердое тело. При температуре выше критической вещество не превращается в жидкость или твердое тело ни при каких давлениях.
|
|
|
Ттр – температура в тройной точке соответствует наличию сразу трех фаз
Ткр – критическая точка
//из тетради
На границе приведены кривые равновесия, соответствие наличию сразу нескольких фаз.
При Т > Tкр вещество оказывается в газообразном состоянии. Его нельзя перевести в жидкость обычным сжатием.
Тройна́я то́чка — точка на фазовой диаграмме, где сходятся три линии фазовых переходов. Тройная точка — это одна из характеристик химического вещества. Обычно тройная точка определяется значением температуры и давления, при котором вещество может равновесно находиться в трёх (отсюда и название) агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. В этой точке сходятся линии плавления, кипения и сублимации.
Критическая точка — сочетание значений температуры 
и давления 
(или, что эквивалентно, молярного объёма 
), при которых исчезает различие в свойствах жидкой и газообразной фаз вещества.
Условия равновесия фаз:
1) постоянства Т и р
2) равенство удельных термодинамических потенциалов этих фаз 
Уравнение Клайперона-Клаузиуса позволяет описывать кривые равновесия:
- удельная теплота фазового перехода
-температура при которой происходит переход
V1, V2 – удельные объемы низкотемпературной и высокотемпературной фаз
Метастабильное состояние в термодинамике, состояние неустойчивого равновесия физической макроскопической системы, в котором система может находиться длительное время. Примерами М. с. могут служить перегретая или переохлажденная жидкость и переохлажденный (пересыщенный) пар.
Вопрос 38. Закон Кулона. Электрический заряд и напряженность электрического поля.
Электростатика – раздел электродинамики, изучающий взаимодействие неподвижных (статических) зарядов.
Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий (физическая величина, подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий).
1. Существует в двух видах: положительный и отрицательный.
Одноименные заряды отталкиваются; разноименные – притягиваются.
2. Электрический заряд инвариантен, т.е скалярная величина (его величина не зависит от системы отсчета, т.е. не зависит от того, движется он или покоится).З
3. Электрический заряд дискретен, т.е. заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда.
|
|
|
Заряд электрона: 
; масса электрона: 
; 
, где 
целое число.
4. Для замкнутой системы ∑qi=const
5. Электрический заряд подчиняется закону сохранения заряда.
В изолированной системе, т.е. в системе, тела которой не обмениваются зарядами с внешними по отношению к ним телами, алгебраическая сумма зарядов сохраняется:
(причина сохранения электрического заряда до сих пор неизвестна).
Теория близкодействия гласит о том, что любое взаимодействие передается с конечной скоростью(не превышающей скорости света).
Границы применимости классической теории электромагнетизма:
V<<c
Закон Кулона – закон взаимодействия неподвижных электрических зарядов (основной (фундаментальный)) физический закон и может быть установлен только опытным путем. Ни из каких других законов он не вытекает. Крутильные весы (1875 г). Определение закона по формуле: силы, с которыми взаимодействуют два неподвижных точечных заряда, прямо пропорциональны произведению величин этих зарядов, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и направлены вдоль прямой соединяющей эти заряды.
 |
закон Кулона, где 
и 
точечные положительные электрические заряды; 
; 
для вакуума; 
для диэлектрика; 
электрическая постоянная;
диэлектрическая проницаемость среды; 
.
Границы применимости закона: размеры взаимодействующих зарядов должны быть существенно меньшими расстояния между ними.
Идеи Фарадея
Электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот.
|
|
|
