WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

«Лекция №4 Статическая физика и термодинамика План 1) Статистическая физика и термодинамика 4) Изопроцессы 2) Молекулярная физика a) Изохорный процесс a) Идеальный газ b) ...»

-- [ Страница 4 ] --

Так как для адиабатического процесса Q = 0, то S = 0 и, следовательно, S=const, т. е. адиабатический обратимый процесс протекает при постоянной энтропии. Поэтому его часто называют изоэнтропийным процессом.

Из формулы следует, что при изотермическом процессе (T1= T2) при изохорном процессе (V1 = V2) Энтропия обладает свойством аддитивности: энтропия системы равна сумме энтропий тел, входящих в систему. Свойством аддитивности обладают также внутренняя энергия, масса, объем (температура и давление таким свойством не обладают).

Более глубокий смысл энтропии вскрывается в статистической физике: энтропия связывается с термодинамической вероятностью состояния системы.

Макросостояние – состояние тела, заданное с помощью макроскопических величин, характеризующих все тело в целом.

Микросостояние – состояние тела, при котором заданы состояния отдельных молекул тела (с помощью микропараметров) Термодинамическая вероятность W состояния системы — это число способов, которыми может быть реализовано данное состояние макроскопической системы, или число микросостояний, осуществляющих данное макросостояние.

По определению, W1, т. е. термодинамическая вероятность не есть вероятность в математическом смысле (последняя 1).

19 из ВСГУТУ. Кафедра физики.

Согласно Больцману (1872), энтропия системы и термодинамическая вероятность связаны между собой следующим образом:

где k — постоянная Больцмана.

Таким образом, энтропия определяется логарифмом числа микросостояний, с помощью которых может быть реализовано данное макросостояние. Следовательно, энтропия может рассматриваться как мера вероятности состояния термодинамической системы. Формула Больцмана позволяет дать энтропии следующее статистическое толкование:

Энтропия является мерой неупорядоченности системы.

В самом деле, чем больше число микросостояний, реализующих данное макросостояние, тем больше энтропия. В состоянии равновесия — наиболее вероятного состояния системы — число микросостояний максимально, при этом максимальна и энтропия.

Так как реальные процессы необратимы, то можно утверждать, что все процессы в замкнутой системе ведут к увеличению ее энтропии — принцип возрастания энтропии.

При статистическом толковании энтропии это означает, что процессы в замкнутой системе идут в направлении увеличения числа микросостояний, иными словами, от менее вероятных состояний к более вероятным, до тех пор пока вероятность состояния не станет максимальной.

Таким образом, энтропия и термодинамическая вероятность состояний замкнутой системы могут либо возрастать (в случае необратимых процессов), либо оставаться постоянными (в случае обратимых процессов).

Упорядоченное состояние – состояние, осуществляемое малым количеством способов. Беспорядоченное состояние – состояние, осуществляемое большим количеством способов.

Таким образом, энтропия является количественной мерой степени беспорядка в системе. Отметим, однако, что эти утверждения имеют место для систем, состоящих из очень большого числа частиц, но могут нарушаться в системах с малым числом частиц. Для «малых» систем могут наблюдаться флуктуации, т. е. энтропия и термодинамическая вероятность состояний замкнутой системы на определенном отрезке времени могут убывать, а не возрастать, или оставаться постоянными.

Второе начало термодинамики Первое начало термодинамики, выражая закон сохранения и превращения энергии, не позволяет установить направление протекания термодинамических процессов.

Кроме того, можно представить множество процессов, не противоречащих первому началу, в которых энергия сохраняется, а в природе они не осуществляются.

Появление второго начала термодинамики связано с необходимостью дать ответ на вопрос, какие процессы в природе возможны, а какие нет. Второе начало термодинамики определяет направление протекания термодинамических процессов.

Используя понятие энтропии и неравенство Клаузиуса, 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.

Можно дать более краткую формулировку второго начала термодинамики: в процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает.

20 из ВСГУТУ. Кафедра физики.

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.

Формула Больцмана позволяет объяснить постулируемое вторым началом термодинамики возрастание энтропии в замкнутой системе при необратимых процессах:

возрастание энтропии означает переход системы из менее вероятных в более вероятные состояния.

Таким образом, формула Больцмана позволяет дать статистическое толкование второго начала термодинамики. Оно, являясь статистическим законом, описывает закономерности хаотического движения большого числа частиц, составляющих замкнутую систему.

Укажем еще две формулировки 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.

Формулировки Кельвина и Клаузиуса эквивалентны.

Кроме того, показано, что если в замкнутой системе провести воображаемый процесс, противоречащий второму началу термодинамики в формулировке Клаузиуса, то он сопровождается уменьшением энтропии. Это же доказывает эквивалентность формулировки Клаузиуса (а, следовательно, и Кельвина) и статистической формулировки, согласно которой энтропия замкнутой системы не может убывать.

Первые два начала термодинамики дают недостаточно сведений о поведении термодинамических систем при нуле Кельвина.

Они дополняются третьим началом термодинамики, или теоремой Нернста — Планка: энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к нулю Кельвина:

Так как энтропия определяется с точностью до аддитивной постоянной, то эту постоянную удобно взять равной нулю. Отметим, однако, что это произвольное допущение, поскольку энтропия по своей сущности всегда определяется с точностью до аддитивной постоянной. Из теоремы Нернста — Планка следует, что теплоемкости Ср и СV при 0 К равны нулю.

Цикл Карно Вечный двигатель второго рода — периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет охлаждения одного источника теплоты.

Из формулировки второго начала термодинамики по Кельвину следует, что вечный двигатель второго рода невозможен.

Для иллюстрации этого положения рассмотрим работу теплового двигателя (исторически второе начало термодинамики и возникло из анализа работы тепловых двигателей).

Принцип действия теплового двигателя приведен на рис.

От термостата с более высокой температурой Т1, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q1, а термостату с более низкой температурой Т2, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q2, при этом совершается работа А = Q1 – Q2.

21 из ВСГУТУ. Кафедра физики.

Термостат – термодинамическая система, которая может обмениваться теплотой с телами без изменения температуры.

Чтобы термический коэффициент полезного действия теплового двигателя был равен 1, необходимо выполнение условия Q2 = 0, т. е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты, а это невозможно.

Taк, французский физик и инженер Н. Л. С. Карно (1796 — 1832) показал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами, иначе это противоречило бы второму началу термодинамики.

Двигатель второго рода, будь он возможен, был бы практически вечным. Охлаждение, например, воды океанов на 1° дало бы огромную энергию. Масса воды в Мировом океане составляет примерно т, при охлаждении которой на 1° выделилось бы примерно 1024 Дж теплоты, что эквивалентно полному сжиганию 1014 т угля. Железнодорожный состав, нагруженный этим количеством угля, растянулся бы на расстояние 1010 км, что приблизительно совпадает с размерами Солнечной системы!

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине, принцип действия которой представлен.

Системой за цикл от термостата с более низкой температурой Т2 отнимается количество теплоты Q и отдается термостату с более высокой температурой Т1 количество теплоты Q1.

Для кругового процесса, согласно (56.1), Q=A, но, по условию, Q = Q2 – Q1 0, поэтому А0 и Q2 – Q1 = –А, или Q1 = Q2 + A, т. е. количество теплоты Q1, отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре T1 больше количества теплоты Q2, полученного от источника теплоты при более низкой температуре T2, на величину работы, совершенной над системой.

Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому. Это утверждение есть не что иное, как второе начало термодинамики в формулировке Клаузиуса.

Однако второе начало термодинамики не следует представлять так, что оно совсем запрещает переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Ведь именно такой переход осуществляется в холодильной машине. Но при этом надо помнить, что внешние силы совершают работу над системой, т. е. этот переход не является единственным результатом процесса.

Основываясь на втором начале термодинамики, Карно вывел теорему, носящую теперь его имя.

Теорема Карно – из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей (T1) и холодильников (T2), наибольшим к. п. д. обладают обратимые машины;

при этом к. п. д. обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей (T1) и холодильников (T2), равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела (тела, совершающего круговой процесс и обменивающегося энергией с другими телами), а определяются только температурами нагревателя и холодильника.

22 из ВСГУТУ. Кафедра физики.

Карно теоретически проанализировал обратимый наиболее экономичный цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Его называют циклом Карно.

Рассмотрим прямой цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела используется идеальный газ, заключенный в сосуд с подвижным поршнем.

Цикл Карно изображен на рисунке, где изотермические расширение и сжатие заданы соответственно кривыми 1—2 и 3—4, а адиабатические расширение и сжатие — кривыми 2—3 и 4—1.

При изотермическом процессе =, поэтому, количество теплоты Q1, полученное газом от нагревателя, равно работе расширения А12, совершаемой газом при переходе из состояния 1 в состояние При адиабатическом расширении 2—3 теплообмен с окружающей средой отсутствует и работа расширения А23 совершается за счет изменения внутренней энергии:

Количество теплоты Q2, отданное газом холодильнику при изотермическом сжатии, равно работе сжатия А34:

Работа адиабатического сжатия Работа, совершаемая в результате кругового процесса, как можно показать, заштрихованной определяется площадью, Термический к. п. д. цикла Карно, Применив уравнение для адиабат 2—3 и 4—1, получим 23 из ВСГУТУ. Кафедра физики.

Откуда В итоге получаем т. е. для цикла Карно к. п. д. действительно определяется только температурами нагревателя и холодильника.

Для его повышения необходимо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |
 


Похожие работы:

«Материалы III Воронежского областного конкурса юных химиков и физиков Дерзай быть мудрым! Посвящается 300-летию со дня рождения М. В. Ломоносова Воронеж декабрь - 2011 1 Материалы III Воронежского областного конкурса юных химиков и физиков Дерзай быть мудрым! / Воронеж. гос. ун-т инженер. технол. Воронеж, 2011. – 156 с. Сборник содержит материалы конкурсных работ учащихся средних образовательных учебных заведений (школы, гимназии, лицеи) Воронежской области. Конкурс проводился на базе...»

«Восточная дюжина 2010 Восточные ворота Москвы. Территория восходящего солнца. Хранилище российской истории. Лёгкие столицы. У Восточного округа немало поэтических определений, которые дают ему москвичи. Не стали исключением и мы, жители и те, кто работает на территории Восточного административного округа, решив взглянуть на него глазами любознательных путешественников, исследователей — истинных искателей настоящих жемчужин, щедро рассыпанных временем по дорогам эпох. Книга, которую вы сейчас...»

«КОЛЕБАНИЯ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ И ДОЛГОСРОЧНЫЕ ПРОГНОЗЫ ПОГОДЫ Под редакцией д-ра геогр. наук Ю. Б. Х Р А Б Р О В А № ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛЕНИНГРАД 1967 ^ • О Т W I 2 • ЛЯЪ 1 УДК 551.509.329 В монографии приведены результаты оригинальных исследований по циркуляции атмосферы в различных физико-географических районах, а также обобщены имеющиеся по этому вопросу данные советских и зарубежных исследователей. Особое внимание уделено взаимодействию циркуляции тропических и...»

«Христианское Учение О Мире ВВЕДЕНИЕ • ЧАСТЬ I. ОСНОВНАЯ ИДЕЯ ХРИСТИАНСКОЙ МЕТАФИЗИКИ • o ГЛАВА I. ИДЕЯ ТВОРЕНИЯ o ГЛАВА II. ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА БЫТИЯ o ГЛАВА III. УЧЕНИЕ О ПОВРЕЖДЕННОСТИ ПРИРОДЫ ЧАСТЬ II. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ХРИСТИАНСКОЙ МЕТАФИЗИКИ • o ГЛАВА I. СОСТАВ БЫТИЯ o ГЛАВА II. СОСТАВ БЫТИЯ (продолжение) o ГЛАВА III. ЖИЗНЬ МИРА (проблема эволюции) o ГЛАВА IV. ЧЕЛОВЕК В МИРЕ ЧАСТЬ III. БОГ И МИР • o ГЛАВА I. БОГ В МИРЕ o ГЛАВА II. ДЕЙСТВИЯ БОГА В МИРЕ o ГЛАВА III. О КОНЦЕ ИСТОРИИ...»

«Литературный ПОРТАЛ http://www.LitPortal.Ru Анонс Джин и Боб Байярд работают вместе уже почти полвека. Будучи психологами, они занимаются совместной клинической практикой в Калифорнии. Вырастили пятерых детей. Когда их младшему ребенку исполнилось восемнадцать лет, у них был тридцатидвухлетний непрерывный стаж воспитания детей. К этому времени на своем личном опыте они пережили большинство тех проблем, которые обсуждаются в этой книге. Джин, психотерапевт, специализируется в том, чтобы помогать...»

«КНИГА ДЛЯ ДРУГА ЭКИПАЖ ЗАПИСКИ ШТУРМАНА-ПОДВОДНИКА СМЫСЛЫ БЫТИЯ ОПЫТ ИЗЛОЖЕНИЯ МИРОВОЗЗРЕНИЯ Санкт-Петербург 2012 год 2 Экипаж. Записки штурмана-подводника. С одной стороны, это книга моряка о море – о судьбе, о семье, об экипаже, – дух подплава и строгая правда о нём. С другой стороны, это именно записки по теории и практике кораблевождения. Среди материалов записок – гироскоп, маятник, отвесная линия, физический смысл которых приводит к открытию сущности гравитации. Вместе с тем, книга...»

«ОБРАЗЦЫ ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МНОГОУРОВНЕВЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ ВПО ПРИ КОМПЕТЕНТНОСТНОМ ПОДХОДЕ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОЧВОВЕДЕНИЕ (БАКАЛАВРИАТ) Москва – 2007 1 Образцы оценочных средств для реализации многоуровневых образовательных программ ВПО при компетентностном подходе по направлению Почвоведение (бакалавриат). Составлено Е.В.Шеиным и А.М.Русановым. М., 2007. _ с. Данное издание содержит пилотные образцы оценочных средств, разработанных для контроля качества компетенций,...»

«С.Т.Минзанова, В.Ф.Миронов, А.И.Коновалов, А.Б.Выштакалюк, О.В.Цепаева, А.З.Миндубаев, Л.Г.Миронова, В.В.Зобов ПЕКТИНЫ ИЗ НЕТРАДИЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ: ТЕХНОЛОГИЯ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ Казань 2011 УДК 547.458.88 + 577.114 ББК 28.57в7 М 613 Ответственный редактор Чл. корр. РАН, доктор химических наук, профессор В.Ф.Миронов Рецензенты Доктор химических наук, профессор В.С.Резник Доктор химических наук, профессор В.Е.Катаев Минзанова С.Т. Пектины из нетрадиционных...»

«Большая школьная лаборатория Книга записей результатов наблюдений для 5-7 классов 1 Roland Full Опыт Личное дело пенопластового шарика 1 Масса, объём, длина окружности и площадь Findikus a Определение массы и объёма Наблюдение: Пенопластовый шарик: Масса: Объём (грубо): Объём (точно): Расчёт объёма (V = 4/3 r3 = 4/3 r r r 3,14): V = Подсказка: Если твои кухонные весы недостаточно чувствительны, чтобы показать массу пенопластового шарика, мы приводим её здесь: m = 0,9 г. Pfkus b Определение...»

«ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ЦЕНТРА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ МОСКВА • МАШИНОСТРОЕНИЕ • 2009 Научное издание ЧИЧЁВ Сергей Иванович КАЛИНИН Вячеслав Федорович ГЛИНКИН Евгений Иванович ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ЦЕНТРА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ Редактор Т.М. Г л и н к и н а Инженер по компьютерному макетированию М.А. Ф и л а т о в а Сдано в набор 01.10.2009. Подписано в печать 30.11.2009 Формат 60 84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman Печать офсетная. Усл....»






 
© 2013 www.knigi.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.