Според една от формулировките на втория закон на термодинамиката. Втори закон на термодинамиката

Спонтанни (спонтанни) процесисе описват със следните характеристики:

1. Всички природни спонтанни процеси протичат еднопосочно, тоест имат еднопосочна посока. Например, пренос на топлина от горещо тяло към студено; газовете са склонни да заемат най-голям обем.

2. Част от енергията се превръща в топлина, т.е. системата преминава от подредено състояние в състояние със случайно топлинно движение на частиците.

3. Спонтанните процеси могат да се използват за производство на полезна работа. Докато се трансформира, системата губи способността си да произвежда работа. В крайното състояние на равновесие той има най-малко количество енергия.

4. Системата не може да бъде върната в първоначалното си състояние, без да направи каквито и да било промени в себе си или в околната среда. Всички спонтанни процеси са термодинамично необратими.

5. При спонтанен процес първоначалното състояние е по-малко вероятно в сравнение с всяко следващо и най-малко вероятно в сравнение с крайното.

Неспонтанни процесивъзникват с разхода на работа; в този случай системата се отдалечава от равновесното състояние (например компресия на газ, електролиза).

Втори закон на термодинамиката- това е постулат. Той има статистически характер и е приложим за системи от голям брой частици.

Вторият закон на термодинамиката има следните формулировки:

1. Топлината не може да премине спонтанно от по-малко нагрято тяло към по-нагрято.

2. Невъзможен е процес, чийто единствен резултат е превръщането на топлината в работа.

3. Вечен двигател от втори вид е невъзможен. Топлината на най-студеното от участващите в процеса тела не може да служи като източник на работа.

Аналитично изразяване на втория закон на термодинамиката и неговото обосноваване с помощта на цикъла на Карно.Същността на израза на втория закон на термодинамиката е връзката между спонтанността на процеса и нарастването на ентропията.Този израз следва от разглеждането на въпроса за теоретичната пълнота на превръщането на топлината в работа в обратимия цикъл на Карно .

Цикълът се състои от четири процеса:

AB- изотермично разширение поради топлина Q 1,подадена към газа при температура Т 1;

слънце- адиабатно разширение;

SD- изотермична компресия при температура Т 2, при този процес газът губи топлина Въпрос 2;

ДА- адиабатно компресиране до първоначалното състояние.

Топлината, абсорбирана (или отделена) по време на изотермичното разширение (или компресия) на един мол идеален газ, е равна на работата

По време на адиабатно разширение (или компресия)

Прилагането на тези уравнения към съответните циклови процеси води до израз за термодинамичната ефективност (ефективност): . (4.3)

Уравнение (4.3) е математическият израз на втория закон на термодинамиката.

защото Т 1‹ Т 2, Че η < 1.

Според теорията на Карно замяната на идеален газ с друго вещество няма да промени ефективността. Цикъл на Карно. Замяната на цикъла на Карно с който и да е друг цикъл ще доведе до по-ниска ефективност. (теорема на Класиус-Карно). По този начин, дори и в случай на идеална топлинна машина преобразуване на топлината в работане може да бъде пълен.

Изразяването на втория закон на термодинамиката ни позволява да въведем понятието ентропия, с помощта на което се разкрива същността на закона в удобен и общ вид.

Нека променим израза (4.3):

На . (4.4)

Съотношението се нарича намалена топлина. Уравнение (4.4) показва, че алгебричната сума на намалените топлина през обратимия цикъл на Карно е равна на нула.

За безкрайно малък обратим цикъл на Карно

където е елементарната намалена топлина.

Всеки цикъл може да бъде заменен от набор от безкрайно малки цикли на Карно: .

В лимита тази сума ще се превърне в .

В теорията на интегралите е доказано, че ако интегралът върху затворен контур е равен на нула, тогава изразът за интегранд е пълният диференциал на някаква функция на параметрите, които определят състоянието на системата.

Където С- Това ентропия, такава функция на състоянието на системата, чийто общ диференциал в обратим процес е равен на отношението на безкрайно малко количество топлина към температура.

Концепцията за „ентропия“ е въведена от Клаузиус (1850 г.) . Този израз е математическият израз на втория закон на термодинамиката за обратими процеси.

Промяната в ентропията при обратим процес е равна на промяната в ентропията при необратим процес, т.е. . Нека сравним топлината на обратими и необратими процеси. Според първия закон на термодинамиката . Вътрешна енергия Uе функция на състоянието на системата, т.н . Следователно по време на обратим процес се извършва максимална работа

В общия случай за обратими и необратими процеси Вторият закон на термодинамиката има следния математически израз:

Тук dS = конст, и се променя само дясната страна на уравнението, т.е. топлинна стойност. Ентропийни единици: [ С] = J/mol·K.

Комбинираното уравнение на първия и втория закон на термодинамиката е:

Изчисляване на промяната в ентропията на идеален газ.

Нека изразим промяната във вътрешната енергия

Разделяйки уравнение (4.6) на T, определяме промяната в ентропията:

(4.7)

От уравнението на идеалния газ: следва, че . След това, след заместване на тази връзка в (4.7):

(4.8)

Нека интегрираме израз (4.8) при и получаваме Уравнението за изчисляване на промяната в ентропията на идеален газ е:

(4.9)

Изотермичен процес: , (4.10)

от тогава . (4.11)

Изохоричен процес: . (4.12)

Изобарен процес: . (4.13)

Адиабатен процес: . (4.14)

Постулатът на Планкима следната формулировка: при абсолютна нула ентропията на правилно образуваните кристали от чисти вещества е нула. Постулатът позволява да се изчисли абсолютната стойност на ентропията, ако са известни топлините на фазовите преходи и ако са известни топлинните мощности на веществото в различни агрегатни състояния.

Как се генерира енергия, как се преобразува от една форма в друга и какво се случва с енергията в затворена система? Законите на термодинамиката ще помогнат да се отговори на всички тези въпроси. Вторият закон на термодинамиката ще бъде разгледан по-подробно днес.

Закони в ежедневието

Законите управляват ежедневието. Законите за движение казват, че трябва да спрете на знаци Стоп. От държавните служители се изисква да предоставят част от заплатите си на щатското и федералното правителство. Дори научните са приложими в ежедневието. Например, законът за гравитацията предсказва доста лош изход за тези, които се опитват да летят. Друг набор от научни закони, които засягат ежедневието, са законите на термодинамиката. И така, могат да се дадат редица примери, за да се види как те влияят на ежедневието.

Първи закон на термодинамиката

Първият закон на термодинамиката гласи, че енергията не може да бъде създадена или унищожена, но може да се преобразува от една форма в друга. Това също понякога се нарича закон за запазване на енергията. И така, как това се свързва с ежедневието? Е, вземете например компютъра, който използвате сега. Храни се с енергия, но откъде идва тази енергия? Първият закон на термодинамиката ни казва, че тази енергия не може да дойде от нищото, така че е дошла от някъде.

Можете да проследите тази енергия. Компютърът се захранва от електричество, но откъде идва това електричество? Точно така, от електроцентрала или водноелектрическа централа. Ако разгледаме второто, то ще бъде свързано с язовир, който задържа реката. Реката има връзка с кинетичната енергия, което означава, че реката тече. Язовирът преобразува тази кинетична енергия в потенциална.

Как работи водноелектрическата централа? Водата се използва за въртене на турбината. Когато турбината се върти, се задвижва генератор, който ще генерира електричество. Това електричество може да бъде пренесено изцяло по жици от електроцентралата до вашия дом, така че когато включите захранващия кабел в електрически контакт, електричеството постъпва във вашия компютър, за да може той да работи.

Какво е станало тук? Вече имаше известно количество енергия, което беше свързано с водата в реката като кинетична енергия. След това се превърна в потенциална енергия. След това язовирът взе тази потенциална енергия и я превърна в електричество, което след това можеше да влезе в дома ви и да захранва вашия компютър.

Втори закон на термодинамиката

Изучавайки този закон, човек може да разбере как работи енергията и защо всичко се движи към възможен хаос и безредие. Вторият закон на термодинамиката се нарича още закон на ентропията. Чудили ли сте се някога как е възникнала Вселената? Според теорията за Големия взрив, преди всичко да се появи, огромно количество енергия се събра. След Големия взрив се появи Вселената. Всичко това е добре, но каква енергия беше това? В началото на времето цялата енергия във Вселената се е съдържала на едно относително малко място. Тази интензивна концентрация представлява огромно количество от това, което се нарича потенциална енергия. С течение на времето той се разпространи в необятната шир на нашата Вселена.

В много по-малък мащаб резервоарът с вода, задържан от язовир, съдържа потенциална енергия, тъй като местоположението му позволява да тече през язовира. Във всеки случай съхранената енергия, след като бъде освободена, се разпространява и го прави без да се полагат усилия. С други думи, освобождаването на потенциална енергия е спонтанен процес, който се случва без необходимост от допълнителни ресурси. Когато енергията се разпространява, част от нея се превръща в полезна енергия и извършва известна работа. Останалото се превръща в неизползваема енергия, наричана просто топлина.

Тъй като Вселената продължава да се разширява, тя съдържа все по-малко полезна енергия. Ако е наличен по-малко полезен, може да се свърши по-малко работа. Тъй като водата тече през язовира, тя също съдържа по-малко полезна енергия. Това намаляване на полезната енергия с течение на времето се нарича ентропия, където ентропията е количеството неизползвана енергия в система, а системата е просто съвкупност от обекти, които съставляват цялото.

Ентропията може също да се нарече количеството случайност или хаос в организация без организация. Тъй като полезната енергия намалява с времето, дезорганизацията и хаосът се увеличават. По този начин, докато натрупаната потенциална енергия се освобождава, не цялата тя се превръща в полезна енергия. Всички системи изпитват това увеличение на ентропията с течение на времето. Това е много важно да се разбере и това явление се нарича втори закон на термодинамиката.

Ентропия: случайност или дефект

Както може би се досещате, вторият закон следва първия, който обикновено се нарича закон за запазване на енергията, и той гласи, че енергията не може да бъде създадена и не може да бъде унищожена. С други думи, количеството енергия във Вселената или която и да е система е постоянно. Вторият закон на термодинамиката обикновено се нарича закон на ентропията и той твърди, че с течение на времето енергията става по-малко полезна и нейното качество намалява с времето. Ентропията е степента на произволност или дефекти, които една система има. Ако една система е много неподредена, тогава тя има висока ентропия. Ако има много грешки в системата, тогава ентропията е ниска.

С прости думи, вторият закон на термодинамиката гласи, че ентропията на една система не може да намалява с времето. Това означава, че в природата нещата преминават от състояние на ред към състояние на безпорядък. И това е необратимо. Системата никога няма да стане по-подредена сама по себе си. С други думи, в природата ентропията на една система винаги нараства. Един от начините да мислите за това е вашият дом. Ако никога не го почиствате и прахосмукате, много скоро ще имате ужасна бъркотия. Ентропията се е увеличила! За да го намалите, трябва да използвате енергия за използване на прахосмукачка и моп за почистване на праха от повърхността. Къщата няма да се почисти сама.

Какъв е вторият закон на термодинамиката? Формулировката с прости думи гласи, че когато енергията преминава от една форма в друга, материята или се движи свободно, или ентропията (разстройството) в затворена система се увеличава. Разликите в температурата, налягането и плътността са склонни да се изравнят хоризонтално след известно време. Поради гравитацията, плътността и налягането не се изравняват вертикално. Плътността и налягането на дъното ще бъдат по-големи, отколкото на върха. Ентропията е мярка за разпространението на материя и енергия навсякъде, където има достъп. Най-често срещаната формулировка на втория закон на термодинамиката се свързва главно с Рудолф Клаузиус, който каза:

Невъзможно е да се конструира устройство, което да не произвежда друг ефект освен преноса на топлина от тяло с по-ниска температура към тяло с по-висока температура.

С други думи, всичко се опитва да поддържа същата температура във времето. Има много формулировки на втория закон на термодинамиката, които използват различни термини, но всички те означават едно и също нещо. Друго изявление на Клаузиус:

Топлината сама по себе си не възниква от по-студено тяло към по-горещо.

Вторият закон важи само за големи системи. Отнася се за вероятното поведение на система, в която няма енергия или материя. Колкото по-голяма е системата, толкова по-вероятно е вторият закон.

Друга формулировка на закона:

Общата ентропия винаги нараства в спонтанен процес.

Увеличаването на ентропията ΔS по време на процеса трябва да надвишава или да бъде равно на отношението на количеството топлина Q, предадено на системата, към температурата T, при която се пренася топлината.

Термодинамична система

В общ смисъл, вторият закон на термодинамиката гласи с прости думи, че температурните разлики между системите в контакт една с друга са склонни да се изравнят и че работата може да бъде получена от тези неравновесни разлики. Но в същото време има загуба на топлинна енергия и ентропията се увеличава. Разликите в налягането, плътността и температурата са склонни да се изравнят, ако им се даде възможност; Плътността и налягането, но не и температурата, зависят от гравитацията. Топлинният двигател е механично устройство, което произвежда полезна работа поради разликата в температурата на две тела.

Термодинамичната система е тази, която взаимодейства и обменя енергия с региона около нея. Размяната и прехвърлянето трябва да се извършват най-малко по два начина. Един от начините трябва да бъде пренос на топлина. Ако една термодинамична система е „в равновесие“, тя не може да промени своето състояние или статус, без да взаимодейства със своята среда. Просто казано, ако сте в равновесие, вие сте „щастлива система“, нищо не можете да направите. Ако искате да направите нещо, трябва да взаимодействате със света около вас.

Втори закон на термодинамиката: необратимост на процесите

Невъзможно е да има цикличен (повтарящ се) процес, който напълно превръща топлината в работа. Също така е невъзможно да има процес, който пренася топлина от студени към топли обекти, без да използва работа. Част от енергията при реакция винаги се губи при нагряване. Освен това системата не може да преобразува цялата си енергия в работна енергия. Втората част от закона е по-очевидна.

Студеното тяло не може да загрее топло тяло. Топлината естествено има тенденция да тече от по-топли към по-хладни зони. Ако топлината се движи от по-ниски към по-високи температури, това е в противоречие с това, което е „естествено“, така че системата трябва да свърши известна работа, за да се случи това. в природата - вторият закон на термодинамиката. Това е може би най-известният (поне сред учените) и важен закон в цялата наука. Една от неговите формулировки:

Ентропията на Вселената се стреми към своя максимум.

С други думи, ентропията или остава същата, или става по-голяма; ентропията на Вселената никога не може да намалее. Проблемът е, че това винаги е вярно. Ако вземете бутилка парфюм и го напръскате в стаята, скоро ароматните атоми ще изпълнят цялото пространство и този процес е необратим.

Връзки в термодинамиката

Законите на термодинамиката описват връзките между топлинната енергия или топлината и други форми на енергия и как енергията влияе на материята. Първият закон на термодинамиката гласи, че енергията не може да бъде създадена или унищожена; общото количество енергия във Вселената остава непроменено. Вторият закон на термодинамиката се занимава с качеството на енергията. Той гласи, че докато енергията се прехвърля или преобразува, все повече и повече полезна енергия се губи. Вторият закон също така гласи, че има естествена тенденция всяка изолирана система да стане по-неподредена.

Дори когато редът се увеличава на определено място, когато вземете предвид цялата система, включително околната среда, винаги има увеличение на ентропията. В друг пример, кристали могат да се образуват от солен разтвор, когато водата се изпари. Кристалите са по-подредени от молекулите на солта в разтвор; обаче, изпарената вода е много по-разхвърляна от течната вода. Процесът, взет като цяло, води до нетно увеличение на безпорядъка.

Работа и енергия

Вторият закон обяснява, че е невъзможно топлинната енергия да се преобразува в механична със 100 процента ефективност. Можете да дадете пример с кола. След процеса на нагряване на газа, за да се увеличи налягането му, за да задвижи буталото, в газа винаги остава малко топлина, която не може да се използва за извършване на допълнителна работа. Тази отпадна топлина трябва да се отхвърли чрез прехвърлянето й към радиатора. В случай на автомобилен двигател това става чрез извличане на сместа от отработено гориво и въздух в атмосферата.

Освен това всяко устройство с движещи се части създава триене, което преобразува механичната енергия в топлина, която обикновено е неизползваема и трябва да бъде отстранена от системата чрез прехвърляне към радиатор. Когато горещо тяло и студено тяло влязат в контакт едно с друго, топлинната енергия ще тече от горещото тяло към студеното тяло, докато достигнат топлинно равновесие. Въпреки това, топлината никога няма да се върне обратно; температурната разлика между две тела никога няма да се увеличи спонтанно. Преместването на топлина от студено тяло към горещо тяло изисква работа, която трябва да бъде извършена от външен източник на енергия като термопомпа.

Съдбата на Вселената

Вторият закон предсказва и края на Вселената. Това е крайното ниво на безпорядък, ако има постоянно топлинно равновесие навсякъде, не може да се извърши никаква работа и цялата енергия ще завърши като произволно движение на атоми и молекули. Според съвременните данни Метагалактиката е разширяваща се нестационарна система, не може да се говори за топлинна смърт на Вселената. Топлинната смърт е състояние на топлинно равновесие, при което всички процеси спират.

Тази позиция е погрешна, тъй като вторият закон на термодинамиката се прилага само за затворени системи. А Вселената, както знаем, е безгранична. Въпреки това, самият термин „топлинна смърт на Вселената“ понякога се използва за обозначаване на сценарий за бъдещото развитие на Вселената, според който тя ще продължи да се разширява за неопределено време в мрака на космоса, докато се превърне в разпръснат студен прах.

Основни положения на втория закон на термодинамиката

Първият закон на термодинамиката, като частен случай на общия закон за запазване и трансформация на енергията, гласи, че топлината може да се преобразува в работа и работата в топлина, без да се установяват условията, при които тези трансформации са възможни.

Той изобщо не разглежда въпроса за посоката на топлинния процес и без да знае тази посока, е невъзможно да се предскажат неговата природа и резултати.

Например, първият закон не решава въпроса дали топлината ще премине от нагрято тяло към студено или обратно. Ежедневните наблюдения и експерименти показват, че топлината може да се пренася само от нагрети тела към по-студени. Предаването на топлина от нагрятото тяло към околната среда ще се случи до пълно температурно равновесие с околната среда. Само чрез изразходването на работа може да се промени посоката на движение на топлината.

Това свойство на топлината рязко я отличава от работата.

Работата, както всички други видове енергия, участващи във всеки процес, лесно и напълно се превръща в топлина. Пълното превръщане на работата в топлина е било известно на човека в древни времена, когато той е произвеждал огън чрез триене на две парчета дърво. Процесите на превръщане на работата в топлина протичат непрекъснато в природата: триене, удар, спиране и др.

Топлината се държи съвсем различно, например в топлинните двигатели. Превръщането на топлината в работа става само ако има температурна разлика между източника на топлина и радиатора. В този случай цялата топлина не може да се превърне в работа.

От горното следва, че има дълбока разлика между превръщането на топлината в работа и обратно. Законът, който дава възможност да се посочи посоката на топлинния поток и установява максималната възможна граница за превръщане на топлината в работа в топлинните двигатели, е нов закон,натрупани от опит. Това е вторият закон на термодинамиката, който има общо значение за всички топлинни процеси. Вторият закон на термодинамиката не се ограничава до технологията; използва се във физиката, химията, биологията, астрономията и др.

През 1824 г. Сади Карно, френски инженер и учен, очертава същността на втория закон в своите дискусии за движещата сила на огъня.

През 50-те години на миналия век Клаузиус дава най-общата и съвременна формулировка на втория закон на термодинамиката под формата на следния постулат: „ Топлината не може да премине от студено тяло към по-топло от само себе си по свободен процес (без компенсация)" Постулатът на Клаузиус трябва да се разглежда като експериментален закон, получен от наблюдения на околната природа. Заключението на Клаузиус е направено по отношение на областта на технологиите, но се оказва, че вторият закон по отношение на физичните и химичните явления също е правилен. Постулатът на Клаузиус, както всички други формулировки на втория закон, изразява един от основните, но не абсолютни закони на природата, тъй като е формулиран по отношение на обекти, които имат крайни размери в заобикалящите ни земни условия.

Едновременно с Клаузиус през 1851 г. Томсън предлага друга формулировка на втория закон на термодинамиката, от която следва, че не цялата топлина, получена от преноса на топлина, може да се превърне в работа, а само част от нея.

Част от топлината трябва да отиде в радиатора.

Следователно, за да се получи работа, е необходимо да има източник на топлина с висока температура, или система за охлаждане, и източник на топлина с ниска температура, или система за охлаждане. В допълнение, постулатът на Томсън показва, че не е възможно да се изгради вечен двигател, който да създава работа, като използва само вътрешната енергия на моретата, океаните и въздуха. Тази позиция може да се формулира като втория закон на термодинамиката: „Изграждането на вечен двигател от втори вид е невъзможно“. Под вечен двигател от втори вид се разбира двигател, който е в състояние напълно да преобразува в работа цялата топлина, получена само от един източник.

В допълнение към посочените има още няколко формулировки на втория закон на термодинамиката, които по същество не въвеждат нищо ново и затова не са дадени.

Ентропия.

Вторият закон на термодинамиката, подобно на първия (закон за запазване на енергията), е установен емпирично. За първи път е формулиран от Клаузий: „топлината спонтанно се прехвърля само от тяло с по-висока температура към тяло с по-ниска температура и не може спонтанно да се прехвърля в обратната посока“.

Друга формулировка: всичко спонтанни процесив природата се увеличават ентропия. (Ентропия- мярка за хаос, разстройство на системата). Нека разгледаме система от две контактуващи тела с различни температури. Топлоще премине от тяло с по-висока температура към тяло с по-ниска, докато температурите на двете тела се изравнят. В този случай определена сума ще бъде прехвърлена от един орган на друг топлина dQ. Но ентропияв този случай за първото тяло ще намалее с по-малка сума, отколкото ще се увеличи за второто тяло, което взема топлина, тъй като по дефиниция dS=dQ/T (температура в знаменателя!). Тоест в резултат на това ентропия на спонтанен процессистеми от две тела ще станат по-големи от сумата ентропиитези тела преди началото на процеса. С други думи, спонтанен процеспреносът на топлина от тяло с висока температура към тяло с по-ниска температура доведе до факта, че ентропиясистемата на тези две тела се увеличи!

Най-важните свойства на ентропията на затворените системи:

а) Ентропията на затворена система, изпълняваща обратим цикъл на Карно, не се променя:

ΔS arr =0, S=конст.

б) Ентропията на затворена система, изпълняваща необратим цикъл на Карно, нараства:

ΔS необработен >0.

в) Ентропията на затворена система не намалява за никакви процеси, протичащи в нея: ΔS≥0.

При елементарна промяна в състоянието на затворена система ентропията не намалява: dS≥0. Знакът за равенство се отнася за обратимите процеси, а знакът за неравенство - за необратимите. Точка в) е една от формулировките на втория закон (закон) на термодинамиката. За произволен процес, протичащ в термодинамична система, е валидна следната връзка:

където Т е температурата на тялото, което съобщава. Термодинамична системна енергия δQ в процеса на безкрайно малка промяна в състоянието на системата. Използвайки първия закон на термодинамиката за δQ, предишното неравенство може да бъде пренаписано във форма, която съчетава първия и втория закон на термодинамиката: TdS ≥ dU+δA.

Свойства на ентропията.

1. И така, ентропията е функция на състоянието. Ако процесът се извършва по адиабатите, тогава ентропията на системата не се променя. Това означава, че адиабатите също са изентропи. Всеки „по-високо“ разположен адиабат (изентропа) съответства на по-голяма стойност на ентропията. Това може лесно да се провери чрез провеждане на изотермичен процес между точки 1 и 2, лежащи на различни адиабати (*вижте фигурата). В този процес T=const, следователно S2-S1=Q/T. За идеален газ Q е равно на работата A, извършена от системата. И тъй като A>0, това означава S2>S1. По този начин, знаейки как изглежда адиабатната система. Лесно можем да отговорим на въпроса за нарастването на ентропията по време на който и да е процес между равновесните състояния 1 и 2, които ни интересуват.Ентропията е адитивна величина: ентропията на една макросистема е равна на сумата от ентропиите на нейните отделни части.

3. Едно от най-важните свойства на ентропията е, че ентропията на затворена (т.е. топлоизолирана) макросистема не намалява - тя или се увеличава, или остава постоянна. Ако системата не е затворена, тогава нейната ентропия може или да нараства, или да намалява.

Принципът на увеличаване на ентропията на затворените системи е друга формулировка на втория закон на термодинамиката. Големината на нарастване на ентропията в затворена макросистема може да служи като мярка за необратимостта на процесите, протичащи в системата. В пределния случай, когато процесите са обратими, ентропията на затворена макросистема не се променя.

Разликата ΔS на ентропията в две състояния на системата има физически смисъл. За да определите промяната в ентропията в случай на необратим преход на система от едно състояние в друго, трябва да измислите някакъв обратим процес, свързващ началното и крайното състояние, и да намерите намалената топлина, получена от системата по време на такова преход.

Ориз. 3.12.4 - Необратим процес на разширяване на газа "в празнота" при липса на топлообмен

Само началното и крайното състояние на газа в този процес са равновесни и те могат да бъдат изобразени на (p, V) диаграмата. Точки (a) и (b), съответстващи на тези състояния, лежат на една и съща изотерма. За да се изчисли промяната в ΔS ентропията, може да се разгледа обратимият изотермичен преход от (а) към (б). Тъй като по време на изотермично разширение газът получава известно количество топлина от околните тела Q > 0, можем да заключим, че при необратимо разширение на газа ентропията се е увеличила: ΔS > 0.

Друг пример за необратим процес е преносът на топлина при крайна температурна разлика. На фиг. Фигура 3.12.5 показва две тела, затворени в адиабатна обвивка. Начални температури на телата Т1 и Т2< T 1 . При теплообмене температуры тел постепенно выравниваются. Более теплое тело отдает некоторое количество теплоты, а более холодное – получает. Приведенное тепло, получаемое холодным телом, превосходит по модулю приведенное тепло, отдаваемое горячим телом. Отсюда следует, что изменение энтропии замкнутой системы в необратимом процессе теплообмена ΔS > 0.

Увеличаването на ентропията е общо свойство на всички спонтанно възникващи необратими процеси в изолирани термодинамични системи. При обратими процеси в изолирани системи ентропията не се променя: ΔS≥0. Тази връзка обикновено се нарича закон за нарастваща ентропия. За всички процеси, протичащи в термодинамични изолирани системи, ентропията или остава непроменена, или се увеличава.

Така ентропията показва посоката на спонтанно протичащите процеси. Увеличаването на ентропията показва, че системата се доближава до състояние на термодинамично равновесие. При равновесие ентропията приема максималната си стойност. Законът за нарастващата ентропия може да се приеме като друга формулировка на втория закон на термодинамиката.

През 1878 г. Л. Болцман дава вероятностна интерпретация на понятието ентропия. Той предложи да се разглежда ентропията като мярка за статистическо разстройство в затворена термодинамична система. Всички спонтанно възникващи процеси в затворена система, доближаващи системата до състояние на равновесие и придружени от увеличаване на ентропията, са насочени към увеличаване на вероятността от състоянието.

Всяко състояние на макроскопична система, съдържаща голям брой частици, може да се реализира по много начини. Термодинамичната вероятност W за състояние на системата е броят начини, по които дадено състояние на макроскопична система може да бъде реализирано, или броят на микросъстоянията, които реализират дадено макросъстояние. По дефиниция термодинамичната вероятност е W >> 1.

Например, ако в съд има 1 мол газ, тогава са възможни огромен брой N начини за поставяне на молекулата в две половини на съда: къде е числото на Авогадро. Всеки от тях е микродържава.

Само едно от микросъстоянията отговаря на случая, когато всички молекули са събрани в едната половина (например дясната) на съда. Вероятността за такова събитие е практически нулева. Най-големият брой микросъстояния съответства на равновесното състояние, при което молекулите са равномерно разпределени в целия обем. Следователно равновесното състояние е най-вероятно. От друга страна, равновесното състояние е състоянието на най-голямо разстройство в термодинамична система и състоянието с максимална ентропия.

Според Болцман ентропията S на системата и термодинамичната вероятност W са свързани по следния начин: S=klnW, където k = 1,38·10 –23 J/K е константата на Болцман. Така ентропията се определя от логаритъма на броя на микросъстоянията, с помощта на които може да се реализира дадено макросъстояние. Следователно ентропията може да се разглежда като мярка за вероятността за състоянието на една термодинамична система. Вероятностната интерпретация на втория закон на термодинамиката позволява спонтанно отклонение на системата от състоянието на термодинамично равновесие. Такива отклонения се наричат ​​флуктуации. В системи, съдържащи голям брой частици, значителни отклонения от равновесното състояние са изключително малко вероятни.

Кръгови термодинамични процеси или цикли

В разгледаните по-рано термодинамични процеси, изучавайте въпросите за получаване на работа или в резултат на доставената топлина, или в резултат на промяна на вътрешната енергия на работния флуид, или едновременно в резултат на двете. С еднократно разширяване на газа в цилиндъра може да се получи само ограничено количество работа. Наистина, по време на всеки процес на газ рений в цилиндъра, все пак ще дойде момент, когато температурата и налягането на работния флуид станат равни на температурата и налягането на околната среда и в този момент производството на работа спира.

Следователно, за да се получи отново работа, е необходимо работният флуид да се върне в първоначалното му състояние по време на процеса на компресия.

От фигура 8 следва, че ако работният флуид се разширява по кривата 1-3-2, тогава той произвежда работата, изобразена на pv-диаграмата pl. 13245. При достигане на точка 2 работната течност трябва да се върне в първоначалното си състояние (до точка 1), за да може отново да произведе работа. Процесът на връщане на тялото в първоначалното му състояние може да се извърши по три начина.

Фигура 8 – Кръгови процеси.

1. Кривата на компресия 2-3-1 съвпада с кривата на разширение 1-3-2. При такъв процес цялата работа, получена по време на разширяване (pl. 13245), е равна на работата на компресия (pl. 23154), а положителната работа е нула. Кривата на компресия 2-6-1 е разположена над линията на разширение 1-3-2; .в този случай по-голямо количество работа се изразходва за компресиране (pl. 51624), отколкото ще бъде получено при разширяване (pl. 51324).

Кривата на компресия-2-7-1 е разположена под линията на разширение 1-3-2. В този кръгов процес работата на разширяването (pl. 51324) ще бъде по-голяма от работата на компресията (pl. 51724). В резултат на това положителна работа, изобразена от мн.ч., ще бъде дадена външно. 13271 в рамките на затворена линия на кръгов процес или цикъл.

Повтаряйки цикъла неограничен брой пъти, можете да получите произволно количество работа, като използвате доставената топлина.

Цикъл, който води до положителна работа, се нарича директен цикъл или цикъл на топлинна машина; в него работата на разширение е по-голяма от работата на компресия. Цикъл, който консумира работа, се нарича обратен, при него работата на компресията е по-голяма от работата на разширението. Хладилните агрегати работят с обратни цикли.

Циклите са обратими и необратими. Нарича се цикъл, състоящ се от равновесни обратими процеси обратими. Работната течност в такъв цикъл не трябва да претърпява химически промени.

Ако поне един от процесите, включени в цикъла, е необратим, тогава целият цикъл ще бъде такъв необратим.

Резултатите от изследванията на идеални цикли могат да бъдат пренесени към действителни, необратими процеси на реални машини чрез въвеждане на експериментални корекционни фактори.

Топлинна ефективност и хладилен коефициент на цикли

Изследването на всеки обратим цикъл доказва, че за прилагането му е необходимо във всяка точка на директния процес да се подава топлина от топлопредавателите към работния флуид при безкрайно малка температурна разлика и да се отвежда топлината от работния флуид към топлинните приемници също и при безкрайно малка температурна разлика. В този случай температурата на два съседни източника на топлина трябва да се различава с безкрайно малко количество, тъй като в противен случай при крайна температурна разлика процесите на топлообмен ще бъдат необратими: Следователно, за да се създаде топлинен двигател, е необходимо да има безкрайно голям брой топлопредаватели, топлоприемници и работна течност.

По пътя 1-3-2 (Фигура 8) работният флуид извършва специфична работа на разширение, числено равна на pl. 513245, поради специфичното количество топлина, получено от топлоизлъчвателите, и отчасти поради вътрешната му енергия. По пътя 2-7-1 се изразходва специфична компресионна работа, числено равна на pl. 427154, част от която под формата на определено количество топлина се отвежда към топлинни приемници, а другата част се изразходва за увеличаване на вътрешната енергия на работния флуид до първоначалното състояние. В резултат на директния цикъл ще бъде дадена положителна специфична работа, равна на разликата между работата на разширение и компресия. Тази работа.

Връзката между специфичните количества топлина и положителната специфична работа се определя от първия закон на термодинамиката.

Тъй като в един цикъл крайното състояние на тялото съвпада с първоначалното състояние, вътрешната енергия на работното тяло не се променя и следователно

Съотношението на специфичното количество топлина, преобразувано в положителна специфична работа в един цикъл, към цялото специфично количество топлина, подадено към работния флуид, се нарича t директна топлинна ефективност

цикъл:

Стойността е индикатор за съвършенството на цикъла на топлинния двигател. Колкото по-висока е стойността, толкова по-голяма част от доставената топлина се превръща в полезна работа. Стойност на топлинна ефективност цикъл винаги е по-малък от едно и може да бъде равен на едно ако или, което не може да бъде направено.

Полученото уравнение (62) показва, че цялата топлина, подадена към работния флуид в цикъла, не може да бъде напълно преобразувана в работа, без да се отведе определено количество топлина към топлинния приемник.

Така основната идея на Карно се оказа правилна, а именно: в затворен кръгов процес топлината може да се превърне в механична работа само ако има температурна разлика между топлопредавателите и топлоприемниците. Колкото по-голяма е тази разлика, толкова по-висока е ефективността. цикъл на топлинна машина.

Нека сега разгледаме обратния цикъл, който протича в посока обратна на часовниковата стрелка и е изобразен на pv-диаграмата pl. 13261. Разширяването на работния флуид в този цикъл се извършва при по-ниска температура от компресията, а работата на разширението (pl. 132451) е по-малка от работата на компресията (pl. 162451). Такъв цикъл може да се осъществи само с разход на външна работа.

В обратния цикъл топлината се подава от топлинните приемници към работния флуид и се изразходва специфична работа, която се превръща в равно количество топлина, което заедно се прехвърля към топлоизлъчвателите:

Без изразходването на самия труд такъв преход е невъзможен.

Степента на съвършенство на обратния цикъл се определя от т.нар коефициент на производителност на цикъла.

Коефициентът на ефективност показва колко топлина се отделя от радиатора, когато се изразходва една единица работа. Стойността му обикновено е по-голяма от единица.

Цикли на Карно.

Директен обратим цикъл на Карно

Обратим цикъл, осъществяван между два източника на топлина с постоянна температура, трябва да се състои от два обратими изотермични и два обратими адиабатични процеса.

Този цикъл е разгледан за първи път от Сади Карно в неговата работа „Размисли върху движещата сила на огъня и върху машини, способни да развият тази сила“, публикувана през 1824 г. За да разберем по-добре процедурата за прилагане на този цикъл, нека си представим топлинен двигател, цилиндърът на който може да се регулира според нуждите както като абсолютно топлопроводим, така и като абсолютно не-топлопроводим. Нека първоначалните параметри на работния флуид са в първото положение на буталото и температурата е равна на температурата на топлопредавателя. Ако в този момент цилиндърът е абсолютно топлопроводим и ако влезе в контакт с топлопредавател с безкрайно голям енергиен капацитет, предаващ топлина на работния флуид съгласно изотерма 1-2, тогава газът ще се разшири до точка 2 и ще направи работа. Параметри на точка 2: От точка 2 цилиндърът трябва да е абсолютно нетермопроводим. Работният флуид с температура T 1, разширявайки се по адиабата 2-3 до температурата на радиатора T 2, ще върши работа. Параметри на точка 3: . От точка 3 правим цилиндъра абсолютно топлопроводим. Чрез компресиране на работния флуид по изотерма 3-4, ние едновременно отвеждаме топлина към приемника на топлина. В края на изотермичното компресиране параметрите на работния флуид ще бъдат . От точка 4 в цилиндър, който не е топлопроводим, процесът на адиабатно компресиране 4-1 връща работния флуид в първоначалното му състояние.

По този начин, по време на целия цикъл, топлината се предава на работния флуид от топлопредавателя и топлината се пренася към топлинния приемник.

Топлинна ефективност цикъл

Доставената топлина съгласно изотерма 1-2 се определя, както следва:

Ние намираме абсолютната стойност на отнетата топлина, като използваме изотерма 3-4, както следва:

Замествайки намерените стойности и в уравнението за топлинна ефективност, получаваме

За адиабатичния процес съответно на разширение и компресия имаме

И

Следователно уравнението за топлинна ефективност Цикълът на Карно след редукция приема формата

Топлинна ефективност обратим цикъл на Карно зависи само от абсолютните температури на топлопредавателя и радиатора. Колкото по-висока е температурата на радиатора и колкото по-ниска е температурата на радиатора, толкова по-голяма ще бъде тя. Топлинна ефективност Цикълът на Карно винаги е по-малък от единица, тъй като за да се получи ефективност, равна на единица, е необходимо T 2 = 0 или T 1 = ∞, което не е възможно. Топлинна ефективност на цикъла на Карно не зависи от естеството на работния флуид и при T 2 -T 1 е равен на нула, т.е. ако телата са в топлинно равновесие, тогава е невъзможно да се превърне топлината в работа.

Топлинна ефективност най-голямо значение има цикълът на Карно
в сравнение с ефективността всеки цикъл, извършен в едно и
същия температурен диапазон. Следователно сравнението
термична ефективност всеки цикъл и цикълът на Карно ви позволява да направите
заключение за степента на съвършенство на използването на топлина в машина, работеща в даден цикъл.

В реалните двигатели цикълът на Карно не се осъществява поради практични причини
трудности. Но теоретичното и практическото значение на цикъла на Карно е много голямо. Той служи като еталон за оценка на съвършенството на всеки цикъл на топлинен двигател. .

Обратимият цикъл на Карно, осъществяван в температурния диапазон T 1 и T 2, е изобразен на Ts диаграмата с правоъгълник 1234 (Фигура 9).

Фигура 9 – Обратим цикъл на Карно.

Обратен обратим цикъл на Карно

Цикълът на Карно може да протича не само в права, но и в обратна посока. Фигура 10 показва обратен цикъл на Карно. Цикълът се състои от обратими процеси и като цяло е обратим.

Фигура 10 – Обратен цикъл на Карно.

Работният флуид от началната точка 1 се разширява по адиабата 1-4 без топлообмен с външната среда, докато температурата T 1 се повишава до T 2. Това е последвано от по-нататъшно разширяване на газа по изотерма 4-3 с подаване на топлина, която се отнема от източника с ниска температура T2. Това е последвано от адиабатна компресия 3-2 с повишаване на температурата от T 2 до T 1. По време на последния процес възниква 2-1 изотермична компресия, по време на която топлината се отвежда към високотемпературния радиатор.

Като се има предвид обратният цикъл като цяло, може да се отбележи, че изразходваната външна работа на компресия е по-голяма от работата на разширение с количеството pl. 14321 вътре в затворена линия. Тази работа се превръща в топлина и се прехвърля заедно с топлината към източника с температура T 1. По този начин, след като е похарчена специфична работа по обратния цикъл, е възможно да се прехвърли от приемника на топлина към радиатора

единици топлина. В този случай топлината, получена от топлоприемника, е равна на

Машина, която работи в обратен цикъл, се нарича хладилна машина. От разглеждането на обратния цикъл на Карно можем да заключим, че преносът на топлина от източник с ниска температура към източник с висока температура, както следва от постулата на Клаузиус, задължително изисква разход на енергия (не може да бъде осъществен като безплатен процес без компенсация).

Характеристика на ефективността на хладилните машини е коефициентът на полезно действие

за обратния цикъл на Карно

Коефициентът на охлаждане на обратния цикъл на Карно зависи от абсолютните температури и източниците на топлина и има най-високата стойност в сравнение с коефициентите на охлаждане на други цикли, протичащи в същите температурни диапазони

След като разгледахме преките и обратните цикли на Карно, можем да обясним по-подробно формулировката на втория закон на термодинамиката, дадена от Клаузиус.

Клаузиус показа, че всички естествени процеси, протичащи в природата, са спонтанни процеси (те понякога се наричат ​​положителни (или некомпенсирани процеси) и не могат „сами по себе си“ без компенсация за протичане в обратна посока.

Спонтанните процеси включват: предаване на топлина от по-нагрято тяло към по-слабо нагрято; превръщане на работата в топлина; взаимна дифузия на течности или газове; разширяване на газ в космоса и др.

Неспонтанните процеси включват процеси, които са противоположни на горните спонтанни процеси: пренос на топлина от по-малко нагрято тяло към по-нагрято; превръщане на топлината в работа; разделяне на съставни части на разпръснати едно в друго вещества и др. Възможни са неспонтанни процеси, но те никога не се случват „сами по себе си“ без компенсация.

Какви процеси трябва да съпътстват неспонтанните процеси, за да станат възможни? Задълбочено и цялостно изследване на заобикалящите ни физически явления показа, че неспонтанните процеси са възможни само когато са придружени от спонтанни процеси. Следователно спонтанен процес може да възникне „сам по себе си“, а не спонтанен - ​​само заедно със спонтанен. Следователно, например, при всеки директен кръгов процес, неспонтанният процес на превръщане на топлината в работа се компенсира от едновременния спонтанен процес на прехвърляне на част от подадената топлина от топлопредавателя към топлоприемника. .

При осъществяване на обратен цикъл е възможен и неспонтанен процес на пренос на топлина от по-малко нагрято тяло към по-нагрято, но тук той се компенсира от спонтанния процес на преобразуване на работата, изразходвана отвън, в топлина.

Следователно всеки неспонтанен процес може да възникне само когато е придружен от компенсиращ спонтанен процес.

Теорема на Карно

При извеждане на топлинна ефективност За обратимия цикъл на Карно са използвани отношения, които са валидни само за идеален газ. Следователно, за да можем да разширим всичко, казано за цикъла на Карно, до всякакви реални газове и пари, е необходимо да докажем, че топлинната ефективност Цикълът на Карно не зависи от свойствата на веществото, с което се извършва цикълът. Това е съдържанието на теоремата на Карно.

Топлина. Изразходван труд

Същият резултат се получава, ако приемем, че . Следователно остава един възможен вариант, когато , а това означава, че и , т.е. наистина топлинна ефективност. обратим цикъл на Карно не зависи от свойствата на работния флуид и е само функция на температурите на топлопредавателя и топлоприемника.

Лекция № 6. Предмет и задачи на теорията на топлообмена

Според втория закон на термодинамиката спонтанният процес на пренос на топлина в пространството възниква под въздействието на температурна разлика и е насочен към намаляване на температурата. Моделите на топлообмена и количествените характеристики на този процес са предмет и задача на теоретични изследвания топлообмен (пренос на топлина).

Учението за преноса на топлинае изследване на процесите на разпространение на топлина. Тяхната отличителна черта е тяхната универсалност, тъй като те са от голямо значение в почти всички отрасли на техниката.

Топлинната енергия се пренася, както всяка друга енергия, в посока от най-високия потенциал към най-ниския. защото Потенциалът на топлинната енергия е температурата, тогава процесът на разпространение на топлина е тясно свързан с разпределението на температурата, т.е. с така нареченото температурно поле. Температурно полее набор от температурни стойности в пространството и времето. Като цяло температурата Tвъв всяка точка на пространството е функция на координатите x, y, zи време τ и следователно уравнението на температурното поле ще бъде

t = f(x, y, z, τ). (65)

Поле, в което температурата се променя с времето, се нарича нестационарно или нестационарни.Ако температурата не се променя с течение на времето, тогава полето се нарича стационарно състояние или стационарен, и неговото уравнение ще бъде

t = f(x,y,z).(66)

Най-простият случай на температурно поле е стационарно едномерно поле, чието уравнение има формата

t = f(x). (67)

Нарича се топлообмен, възникващ при условия на нестационарно температурно поле пренос на топлина при нестабилни условияи при стационарни полеви условия пренос на топлина в стационарно състояние.

Процесът на пренос на топлина е сложен процес, състоящ се от три елементарни вида пренос на топлина - топлопроводимост, конвекция и топлинно излъчване (излъчване) (Фигура 12).

А -топлопроводимост; б – конвекция; а – радиация

Фигура 12 – Видове пренос на топлина

Втори закон на термодинамиката- един от основните закони на физиката, законът за неразпадане на ентропията в изолирана система. Той поставя ограничения върху количеството полезна работа, която топлинният двигател може да извърши. На фундаментално ниво вторият закон на термодинамиката определя посоката на процесите във физическата система – от ред към безпорядък. Има много различни формулировки на втория закон на термодинамиката, които като цяло са еквивалентни една на друга.

1. Формулиране

2. Алтернативни формулировки

Горната формулировка е много формална. Има много алтернативни формулировки на втория закон на термодинамиката. Например Планк предложи следната формулировка:

Невъзможно е да се изгради машина, която да работи циклично, да охлажда източник на топлина или да повдига товари, без да причиняваобаче няма промени в природа.

Невъзможно е топлината да се преобразува в работа, без да се извърши друго действие освен охлаждане на системата.

Природата има тенденция да преминава от състояния с по-ниска вероятност за реализация към състояния с по-висока вероятност за реализация.

Невъзможно е да се създаде вечен двигател от 2-ри вид

Спонтанният пренос на топлина от по-малко нагрят към по-нагрят е невъзможен

Там където има температурна разлика може да се работи

Следните формулировки са често срещани:

Невъзможно е да се построи вечен двигател от втори вид.

Невъзможно е да се предаде топлина от студено тяло към горещо, без да се изразходва енергия.

Всяка система има тенденция да преминава от ред към безпорядък.

3. Историческа обстановка

Вторият закон на термодинамиката е формулиран в средата на 19 век, по времето, когато се създава теоретичната основа за проектиране и конструиране на топлинни двигатели. Експериментите на Майер и Джаул установяват еквивалентността между топлинната и механичната енергия (първият закон на термодинамиката). Възникна въпросът за ефективността на топлинните двигатели. Експерименталните изследвания показват, че по време на работа на всяка машина задължително се губи малко топлина.

През 1850-те и 1860-те години Клаузиус развива концепцията за ентропията в редица публикации. През 1865 г. той най-накрая избира име за новата концепция. Тези публикации също доказаха, че топлината не може да бъде напълно преобразувана в полезна работа, като по този начин формулираха втория закон на термодинамиката.

Болцман дава статистическа интерпретация на втория закон на термодинамиката, въвеждайки нова дефиниция за ентропия, която се основава на микроскопични атомистични концепции.

4. Статистическа интерпретация

От статистическата дефиниция на ентропията е очевидно, че увеличаването на ентропията съответства на прехода към такова макроскопично състояние, характеризиращо се с най-високата стойност на микроскопичните състояния.

5. Стрела на времето

Ако първоначалното състояние на една термодинамична система е неравновесно, то с течение на времето тя преминава в равновесно състояние, увеличавайки своята ентропия. Този процес протича само в една посока. Обратният процес - преминаването от равновесно състояние в първоначално неравновесно състояние - не се осъществява. Тоест, потокът на времето получава посока.

Законите на физиката, които описват микроскопичния свят, са инвариантни при замяната на t с -t. Това твърдение е вярно както за законите на класическата механика, така и за законите на квантовата механика. В микроскопичния свят действат консервативни сили, няма триене, което е разсейване на енергия, т.е. превръщането на други видове енергия в енергията на топлинното движение, а това от своя страна е свързано със закона за неразпадане на ентропията.

Нека си представим, например, газ в резервоар, поставен в голям резервоар. Ако отворите клапана по-малко от резервоара, след известно време газът ще напълни по-големия резервоар, така че плътността му да се изравни. Според законите на микроскопичния свят има и обратен процес, когато газът от по-голям резервоар се събира в по-малък резервоар. Но в макроскопичния свят това никога не се случва.

6. Топлинна смърт

Ако ентропията на всяка изолирана система само нараства с времето, а Вселената е изолирана система, то някой ден ентропията ще достигне максимум, след което всякакви промени в нея ще станат невъзможни.

Такива разсъждения, които се появяват след установяването на втория закон на термодинамиката, се наричат топлинна смърт.Тази хипотеза е била широко обсъждана през 19 век.

Всеки процес в света води до разсейване на част от енергията и превръщането й в топлина, до все по-голям безпорядък. Разбира се, нашата Вселена е все още доста млада. Термоядрени процеси в звездите, причиняващи постоянен поток от енергия към Земята, например. Земята е и ще остане отворена система за дълго време, която получава енергия от различни източници: от Слънцето, от процесите на радиоактивен разпад в ядрото и др. В отворените системи ентропията може да намалее, което води до появата на различни подредени структури.

Една проста формулировка на първия закон на термодинамиката може да звучи така: промяна на вътрешната енергия на определена система е възможна само под външно въздействие. Тоест, с други думи, за да настъпят някакви промени в системата, е необходимо да се положат определени усилия отвън. В народната мъдрост поговорките могат да служат като уникален израз на първия закон на термодинамиката: „вода не тече под легнал камък“, „не можете да извадите риба от езерце без затруднения“ и т.н. Тоест, използвайки примера на поговорката за рибата и работата, можем да си представим, че рибата е нашата условно затворена система, в нея няма да настъпят промени (рибата няма да се измъкне от езерото) без нашето външно влияние и участие (труд).

Интересен факт: това е първият закон на термодинамиката, който установява защо всички многобройни опити на учени, изследователи и изобретатели да изобретят „вечен двигател“ са се провалили, защото съществуването му е абсолютно невъзможно според същия този закон, защо, вижте параграфа по-горе.

В началото на нашата статия имаше много проста дефиниция на първия закон на термодинамиката; всъщност в академичната наука има цели четири формулировки на същността на този закон:

• Енергията не се появява от никъде и не изчезва никъде, тя само преминава от един вид в друг (законът за запазване на енергията).
• Количеството топлина, получено от системата, се използва за извършване на нейната работа срещу външни сили и промяна на вътрешната енергия.
• Промяната във вътрешната енергия на системата по време на нейния преход от едно състояние в друго е равна на сумата от работата на външните сили и количеството топлина, предадена на системата, и не зависи от метода, по който се извършва този преход извършено.
• Промяната във вътрешната енергия на неизолирана термодинамична система е равна на разликата между количеството топлина, предадено на системата, и работата, извършена от системата върху външните сили.

Формула на първия закон на термодинамиката

Формулата на първия закон на термодинамиката може да бъде записана по следния начин:

Количеството топлина Q, предадено на системата, е равно на сумата от промяната на нейната вътрешна енергия ΔU и работата A.

Процеси от първия закон на термодинамиката

Също така, първият закон на термодинамиката има свои собствени нюанси в зависимост от протичащите термодинамични процеси, които могат да бъдат изохронни и изобарни, като по-долу ще опишем подробно всеки от тях.

Първият закон на термодинамиката за изохорен процес

В термодинамиката изохорният процес е процес, който протича при постоянен обем. Тоест, ако дадено вещество се нагрее в съд в газ или течност, ще настъпи изохоричен процес, тъй като обемът на веществото ще остане непроменен. Това състояние засяга и първия закон на термодинамиката, който възниква по време на изохорен процес.

При изохоричен процес обемът V е константа, следователно газът не извършва никаква работа A = 0

От това идва следната формула:

Q = ΔU = U (T2) – U (T1).

Тук U (T1) и U (T2) са вътрешните енергии на газа в началното и крайното състояние. Вътрешната енергия на идеален газ зависи само от температурата (закон на Джаул). По време на изохорно нагряване топлината се абсорбира от газа (Q > 0) и неговата вътрешна енергия се увеличава. По време на охлаждането топлината се предава на външни тела (Q< 0).

Първият закон на термодинамиката за изобарен процес

По същия начин изобарният процес е термодинамичен процес, който протича в система при постоянно налягане и маса на газа. Следователно, при изобарен процес (p = const), работата, извършена от газа, се изразява чрез следното уравнение на първия закон на термодинамиката:

A = p (V2 – V1) = p ΔV.

Изобарният първи закон на термодинамиката дава:

Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p ΔV. При изобарно разширение Q > 0 топлината се абсорбира от газа и газът извършва положителна работа. При изобарна компресия Q< 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

Приложение на първия закон на термодинамиката

Първият закон на термодинамиката има практическо приложение за различни процеси във физиката, например позволява да се изчислят параметрите на идеалния газ за различни топлинни и механични процеси. Освен за чисто практическо приложение, този закон може да се използва и философски, защото каквото и да се говори, първият закон на термодинамиката е израз на един от най-общите закони на природата - закона за запазване на енергията. Еклесиаст също пише, че нищо не идва от никъде и не отива никъде, всичко остава завинаги, постоянно се трансформира, това е цялата същност на първия закон на термодинамиката.

Първи закон на термодинамиката, видео

И в края на нашата статия представяме на вашето внимание образователно видео за първия закон на термодинамиката и вътрешната енергия.