1 и 2 законы термодинамики экзамен

1 и 2 законы термодинамики экзамен

История

Первое установленное начало термодинамики, которое в конечном счете стало «Вторым законом», было сформулировано Сади Карно в 1824. К 1860, в результате открытий в работах Рудольфа Клаузиуса и Вильяма Томсона, было уже два установленных «начала» термодинамики, первое начало и второе начало. Спустя годы, эти начала превратились в «законы». В 1873, например, термодинамик Джозайя Уиллард Гиббс в своей работе «Графические методы в термодинамике жидкостей» ясно заявил о существовании двух абсолютных законов термодинамики: Первого закона и Второго закона.

Теперь, открыто в общей сложности пять законов. За последние 80 лет различные авторы иногда предлагали добавить ещё законы, но ни один из них не был широко признан.

Краткий обзор

Нулевой закон

Первый закон

Он может также быть определен как:: количество подведенного тепла к изолированной системе расходуется на совершение работы и изменение внутренней энергии

Второй закон

Третий закон

Короче говоря, постулируется, что энтропия — «температурный иждивенец» и приводит к формулировке идеи абсолютного нуля.

Четвёртый закон (предварительный)

Любая неравновесная система обладает такими свойствами, называемыми кинетическими, которые определяют особенности протекания неравновесных процессов в направлении, указываемым вторым началом термодинамики, и от которых не зависят термодинамические силы, движущие эти неравновесные процессы.

Расширенные интерпретации

Не существует системы объектов объектов-систем с нулевой информацией.

Энергия связи идет на образование новых структур, а значит и информации.

Начала термодинамики

Свои выводы эта наука делает на общих принципах, началах (законах термодинамики). Эти начала получены эмпирически, обобщением экспериментальных данных.

Теоретическую основу термодинамики составляют три закона.

Формулировка первого закона термодинамики

Первое начало термодинамики — это специализированная формулировка закона сохранения энергии: Подводимая к термодинамической системе теплота (Q) идет на совершение данной системой работы (A) и увеличение ее внутренней энергии (\Delta U). В виде формулы первое начало запишем как:

    \[Q=\Delta U+A\left(1\right)\]

Выражение (1) интегральная форма первого начала термодинамики.

В дифференциальном виде первое начало термодинамики представлено как:

    \[\delta Q=dU+\delta A\ \left(2\right),\]

где \delta Q — бесконечно малое количество теплоты, которое подводят к системе, \delta A — элементарная работа, совершаемая системой, dU — бесконечно малое приращение внутренней энергии термодинамической системы.

Первое начало термодинамики показывает, как (насколько) изменяются термодинамические параметры, которые характеризуют систему, но не предсказывает направление развития процесса.

Формулировка второго закона термодинамики

Второе начало термодинамики имеет несколько формулировок. Приведем четыре из них.

Формулировка, которую дал В. Томсон. Не существует кругового процесса, единственным результатом которого является осуществление работы за счет охлаждения резервуара тепла. Здесь тепловым резервуаром считают систему тел, находящуюся в состоянии теплового равновесия и имеющую запас внутренней энергии. При этом считают, что сам резервуар не производит работы, он лишь передает теплоту.

Формулировка М. Планка. Невозможно сделать периодически работающую машину, действие которой заключается только в том, что она поднимает груз за счет получения теплоты от теплового резервуара, который охлаждается. Формулировка Планка отличается от формулировки Томсона только формой.

Формулировка Клаузиуса. Теплота не способна к самопроизвольному переходу от менее нагретого тела к телу с большей температурой. Под теплотой здесь понимают внутреннюю энергию. При этом имеется в виду не только тепловой контакт, а передача тепла любым способом. Надо учитывать, что невозможным считается не просто передача теплоты от тела с меньшей температурой, но такая передача без каких-либо изменений во внешних телах.

Формулировка через энтропию. Если термодинамический процесс происходит в изолированной системе, то энтропия не убывает. В математической форме второе начало термодинамики записывается как:

    \[\int^{(1)}_{(2)}{\frac{\delta Q}{T}}\le 0\ или\ S_1\le S_2\left(3\right),\]

где S_1, S_2 — энтропия для состояний (1) и (2). Рост энтропии обозначает то, что система приближается к состоянию термодинамического равновесия.

Второе начало термодинамики отображает направление процесса.

Формулировка третьего начала термодинамики

Иначе третье начало термодинамики называют теоремой Нернста (по имени ученого, который ее предложил). Эту теорему можно представить в виде двух утверждений:

  1. Если температура системы стремится к абсолютному нулю, то ее энтропия стремится к определённому конечному пределу. Причем этот предел не зависит от того в каком равновесном состоянии находится рассматриваемая система.
  2. При абсолютном нуле температур переходы системы из одного равновесного состояния в другое происходят без изменения энтропии.

Другой формулировкой третьего начала термодинамики (теоремы Нернста) считают следующую:

Если температура термодинамической системы стремится к абсолютному нулю, то энтропия также стремится к нулю.

Поведение вещества около абсолютного нуля показывает справедливость теоремы Нернста. Объяснение третье начало термодинамики находит в квантовой механике.

Третье начало термодинамики имеет ряд важных следствий:

  1. Около абсолютного нуля температур теплоемкости всех веществ стремятся к нулю.
  2. Вблизи абсолютного нуля стремятся к нулю коэффициенты теплового расширения и термический коэффициент давления.
  3. Тело невозможно охладить до абсолютного нуля.