Термодинамика - наука о тепловых явлениях

Государственное автономное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования города Москвы

МОСКОВСИЙ ГОСУДАРТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ИНДУСТРИИ ТУРИЗМА

имена Ю.А. Сенкевича

 

КАФЕДРА ИСТОРИИ  И ФИЛОСОФИИ НАУКИ

 

 

РЕФЕРАТ  ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Концепции  современного естествознания»

 

Тема «Термодинамика»

 

Выполнила: студентка

курса 317 ТУ учебной группы

Факультет заочного обучения

Фамилия: Каменева

Имя: Полина

Отчество: Алексеевна

Проверил: д.в.н. профессор Дудь А.П

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2013

 

 

 

План  работы.

Введение

1.Понятие  термодинамики 

2. Основы термодинамики

2.1. Термодинамические системы

2.2. Термодинамическое равновесие

2.3. Термодинамические параметры

 2.4. Термодинамические процессы

3.Начала термодинамики

3.1. Нулевое начало термодинамики

3.2 Первое начало термодинамики

3.3 Второе начало термодинамики

3.4. Третье начало термодинамики

Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

 

В данный момент термодинамика чаще развивается, охватывает всё большее  число химических, биологических, общественных явлений. Причиной этого является то, что законы термодинамики не придуманы, а являются следствием природных  закономерностей. Она даёт подход к  описанию явлений живой и неживой  природы, помогает формированию целостной  картины мира.  Мы непрерывно сталкиваемся не только лишь с механическим движением, но и с тепловыми явлениями, которые  связаны с изменением температуры  тела или переходом веществ в  различное агрегатное состояние - жидкое, газообразное или твердое. Тепловые процессы имеют огромную роль для существования жизни на Земле, потому как белок способен к жизнедеятельности только в определенном интервале температур. Существование на Земле зависит от температуры окружающей среды. Со временем люди добились относительной независимости от окружающей среды после того, как научились добывать огонь. Это было одним из величайших открытий на заре человечества.

Термодинамика представляет собой  науку о тепловых явлениях, в которых  не учитывается молекулярное строение тел.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Понятие термодинамики.

 

 Термодинамика — это  наука, опирающаяся на обобщения опытных фактов. Она изучает макроскопические системы, состоящие из огромного числа частиц — термодинамические системы. Процессы, происходящие в таких системах, описываются макроскопическими величинами, такими как давление или температура, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

Термодинамика имеет важную роль для самых разных областей физики и химии, химической технологии, аэрокосмической техники, машиностроения, клеточной биологии, биомедицинской инженерии, материаловедения и находит своё употребление даже в таких областях, как экономика.

 

 

2. Основы термодинамики.

Термодинамика изучает системы, состоящие из безмерно большого числа частиц. Определение таких систем методами классической механики не только лишь не представляется возможным, но и в конечном счёте лишено смысла. Особенности термодинамического описания возникают на основании того, что действия больших ансамблей частиц подчиняется статистическим закономерностям и не может быть сведено к анализу детерминированной эволюции динамических систем. Тем не менее исторически термодинамика развивалась без опоры на представления статистической теории, и основные положения термодинамики могут быть сформулированы на основе ограниченного числа постулатов, являющихся обобщениями опытных фактов. Количество этих постулатов варьируется у разных авторов в соответствии с тем, как строится аксиоматика термодинамики, но традиционно говорят, что допускается обратить внимание на четыре начала термодинамики.

 

1. Термодинамические системы

В термодинамике изучаются  физические системы, состоящие из большого числа частиц и находящиеся в  состоянии термодинамического равновесия или близком к нему. Такие системы  называются термодинамическими системами. Так же существует описательная формулировка, в которой термодинамической системой называется макроскопическая система, которая каким-то образом (как например, с помощью реальной или воображаемой оболочки) выделена из окружающей среды и способна взаимодействовать с ней. Ежели оболочка не допускает замену ни веществом, ни энергией между системой и окружающей средой, то такая оболочка называется адиабатической, а соответствующая система - изолированной или замкнутой. Системы, у которых оболочка не препятствует обмену веществом и энергией, называются открытыми.

2.2. Термодинамическое равновесие

Фундаментальным для классической термодинамики  является представление  термодинамического равновесия, которое формулируется как итог экспериментальных фактов. Утверждается, что любая замкнутая термодинамическая система, для которой внешние положения остаются неизменными, с течением времени переходит в равновесное положение, в котором прекращаются все макроскопические процессы. При этом в системе на микроскопическом уровне могут исходить самые различные процессы, например, химические реакции, которые могут проходить и в прямом, и в обратном направлении, всё-таки  в среднем эти процессы компенсируют друг друга, и макроскопические объёмы системы остаются неизменными, касательно равновесного значения.

2.3. Термодинамические параметры

Термодинамика не рассматривает особенности  строения тел на молекулярном уровне. Равновесные состояния термодинамических  систем могут являться описанными с помощью небольшого числа макроскопических параметров, таких как температура, давление, плотность, концентрации компонентов и т. д., которые могут быть измерены макроскопическими приборами. Описанное таким образом положение называется макроскопическим состоянием, и законы термодинамики позволяют определить отношение в ряду с макроскопическими параметрами. В случае если параметр имеет одно и то же значение, не зависящее от размера той или иной выделенной части равновесной системы, то он называется неаддитивным или интенсивным, в противном случае роль значимости параметра пропорционально размеру части системы, то он называется аддитивным или экстенсивным. Давление и температура — неаддитивные параметры, а внутренняя энергия и энтропия — аддитивные параметры.

Макроскопические параметры могут  делиться на внутренние, характеризующие положения системы как таковой, и внешние, описывающие связь системы с окружающей средой и силовыми полями, воздействующими на систему, всё же это разделение достаточно условно. Так, если газ заключен в сосуд с подвижными стенками и его объём определяется положением стенок, то объём является внешним параметром, а давление газа зависит от скоростей теплового движения молекул и является внутренним параметром. Напротив, если задаётся внешнее давление, то его дозволено оценивать внешним параметром, а объём газа — внутренним параметром. Постулируется, что в состоянии термодинамического равновесия любой внутренний параметр может быть выражен путем внешних величин и температуру системы. Такое функциональное соединение называется обобщённым уравнением состояния системы.

2.4. Термодинамические процессы

 

При изменении  внешних параметров или при передаче энергии в систему в ней  могут происходить сложные процессы на макроскопическом и молекулярном уровне, в результате которых концепция переходит в другое состояние. Равновесная термодинамика не занимается описанием этих переходных процессов, а рассматривает положение , устанавливающееся после релаксации неравновесностей. В термодинамике свободно применяются идеализированные процессы, в которых порядок переходит из одного состояния термодинамического равновесия в другое, которые непрерывно следуют друг за другом. Такие процессы называются квазистатическими или квазиравновесными процессами. Особое значение в методах термодинамики играют циклические процессы, в которых порядок возвращается в исходное положение , совершая по ходу процесса работу и обмениваясь энергией с окружающей средой.

 

 

3. Начала термодинамики

Начала термодинамики — совокупность постулатов, лежащих в основе термодинамики. Эти положения были установлены в результате научных исследований и были доказаны экспериментально. В качестве постулатов они принимаются для того, чтобы термодинамику можно было построить аксиоматически. Необходимость начал термодинамики связана с тем, что термодинамика описывает макроскопические параметры систем без конкретных предположений относительно их микроскопического устройства. Вопросами внутреннего устройства занимается статистическая физика. Начала термодинамики независимы, то есть ни одно из них не может быть выведено из других начал.

3.1. Нулевое начало термодинамики

Нулевое начало термодинамики названо так потому, что оно было сформулировано после того, как первое и второе начало вошли в число устоявшихся научных понятий. Оно утверждает, что изолированная термодинамическая система с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия и остаётся в нём долго, если внешние условия сохраняются неизменными. Оно также называется общим началом. Термодинамическое равновесие предполагает наличие в системе механического, теплового и химического равновесия, а также равновесия фаз. Классическая термодинамика постулирует лишь существование состояния термодинамического равновесия, но ничего не говорит о времени его достижения.

В литературе в нулевое начало также  часто включают положения о свойствах  теплового равновесия. Тепловое равновесие может существовать между системами, разделёнными неподвижной теплопроницаемой перегородкой, то есть перегородкой, позволяющей  системам обмениваться внутренней энергией, но не пропускающей вещество. Постулат о транзитивности теплового равновесия^[15] утверждает, что если два тела, разделённые такой перегородкой (диатермической), находятся в тепловом равновесии между собой, то любое третье тело, находящееся в тепловом равновесии с одним из этих тел, будет находиться также и в тепловом равновесии с другим телом.

Иначе говоря, если две замкнутые  системы A и B приведены в тепловой контакт друг с другом, то после достижения термодинамического равновесия полной системой A+B системы A и B будут находиться в состоянии теплового равновесия друг с другом. При этом каждая из систем A и B сама по себе также находится в состоянии термодинамического равновесия. Тогда если системы B и C находятся в тепловом равновесии, то системы A и C  также находятся в тепловом равновесии между собой.¹

 

В иноязычной и переводной литературе часто нулевым началом называют сам постулат о транзитивности теплового  равновесия , а положение о достижении термодинамического равновесия могут называть «минус первым» началом . Важность постулата о транзитивности состоит в том, что он позволяет ввести некоторую функцию состояния системы, обладающую свойствами эмпирической температуры, то есть создавать приборы для измерения температуры. Равенство эмпирических температур, измеренных с помощью такого прибора — термометра, есть условие теплового равновесия систем (или частей одной и той же системы).

3.2 Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики выражает универсальный закон сохранения энергии применительно к задачам термодинамики и исключает возможность создания вечного двигателя первого рода, т.е устройства, способного совершать работу без соответствующих затрат энергии.

Внутреннюю энергию U термодинамической системы можно изменить двумя способами, совершая над ней работу или посредством теплообмена с окружающей средой. Первое начало термодинамики утверждает, что теплота, полученная системой, идёт на увеличение внутренней энергии системы и на совершение этой системой работы, что можно записать как δQ = δA + dU. Здесь dU — полный дифференциал внутренней энергии системы, δQ — элементарное количество теплоты, переданное системе, аδA — бесконечно малая или элементарная работа, совершённая системой. Так как работа и теплота не являются функциями состояния, а зависят от способа перехода системы из одного состояния в другое, применяется запись с символом δ, чтобы подчеркнуть, что δQ и δA — это бесконечно малые величины, которые нельзя считать дифференциалами какой-либо функции.

Знаки при δQ и δA в приведённом выше соотношении выражают соглашение о том, что положительной считают работу, совершаемую системой, и теплоту, получаемую системой, принятое в большинстве современных работ по термодинамике.

Если система совершает только механическую работу вследствие изменения  её объёма, то элементарная работа записывается как δA = P dV, где dV — приращение объёма. В квазистатических процессах эта работа равна работе внешних сил над системой, взятой с обратным знаком: δA_внутр = –δA_внеш, но для неквазистатических процессов это соотношение не выполняется. В общем случае элементарная работа записывается как сумма δA = A₁ da₁ + A₂ da₂ + ..., где A₁, A₂, ... — функции параметров a₁, a₂, ... и температуры T, называемые обобщёнными силами.