Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Второй закон термодинамики и принцип возрастания энтропии

Второй закон термодинамики и принцип возрастания энтропии

План

1. Второй закон термодинамики

2. Идеальный цикл Карно

3. Понятие энтропии

Второй закон термодинамики

Первое начало термодинамики не дает никаких указаний относительно направления, в котором могут происходить процессы в природе. Для изолированной системы, например, первый закон термодинамики требует лишь, чтобы во всех процессах энергия системы оставалась постоянной. Если 1 и 2 два состояния такой системы, то первое начало ничего не может сказать о том, будет ли система переходить из состояния 1 в состояние 2, или из состояния 2 в состояние 1. Вообще, на основании первого закона нельзя выяснить, будут ли в изолированной системе происходить какие-либо процессы.

Пусть теплоизолированная система состоит из двух тел, взаимодействующих между собой, но не взаимодействуют с другими телами. Тогда теплообмен между ними удовлетворяет усло-ву & nbsp ;. Теплота полученная одним телом, равна теплоте -, отданной другим телом. В каком направлении будет переходить теплота на этот вопрос первый закон термодинамики ответить не может. Первому закону не противоречил бы, например, процесс, в котором теплота произвольно переходит от тела менее нагретого к телу более нагретому.

Второй закон термодинамики, наоборот, позволяет сделать вывод о направлении процессов, которые могут происходить в действительности. Кроме того, он может вместе с первым законом установить много точных количественных соотношений между различными термодинамическими параметрами тел в состоянии термодинамического равновесия.

Чтобы сформулировать второй закон термодинамики, рассмотрим схематично работу тепловой машины.

В цилиндре машины содержится газ или какая-либо другая вещество, которое называют рабочим телом. Для определенности будем считать, что рабочим телом является газ. Пусть на диаграмме VP исходное состояние тела изображается точкой 1.

Пусть дно цилиндра вступает в теплоный контакт с нагревателем, то есть с телом, температура которого выше температуры газа в цилиндре. Газ будет нагреваться и расширяться этот процесс изображен кривой 1a2. Рабочее вещество получит от нагревателя теплоту & nbsp ;, и выполнит положительную работу & nbsp ;. Согласно первому закону

Теперь надо вернуть поршень в исходное положение, то есть сжать газ. Это надо сделать так, чтобы работа, затраченная на сжатие, была меньше ,. Чтобы достичь этого, введем дно цилиндра в тепловой контакт с холодильником, то есть телом, температура которого ниже температуры газа в цилиндре, и сожмем газ способом 2b1. В результате газ вернется к исходному состоянию и. При этом он отдаст холодильнике количество теплоты & nbsp ;. По первому закону

Отсюда, в сочетании с предыдущей равенством

Таким образом, тепловая машина совершила циклический процесс, в результате чего нагреватель отдал количество теплоты & nbsp ;, холодильник получил количество теплоты ушло на выполнение работы & nbsp ;. Отношение

называется коэффициентом полезного действия (КПД) тепловой машины.

Возникает вопрос, нельзя построить периодическую тепловую машину без холодильника, то есть добиться того, чтобы = 0 и, следовательно n = 1? Такая машина могла бы превращать в работу всю теплоту, взятую от источника тепла. Возможность ее построения не противоречит закону сохранения энергии. По своим практическим значением она почти не уступала бы вечному двигателю, так как с ее помощью можно было бы выполнять работу за счет практически неисчерпаемых запасов внутренней энергии, содержащиеся в водах океанов и морей, атмосфере и недрах Земли. Такую машину Оствальд (1853-1932) назвал вечным двигателем второго рода, в отличие от вечного двигателя первого рода, то есть вечного двигателя, который осуществляет работу из ничего. Возможность существования такого двигателя противоречит закону сохранения энергии.

Но уже Уголовно понял, что такая машина принципиально невозможна. Работу тепловых двигателей он сравнивал с роБотой водяных двигателей. Работа последних связана с падением воды с более высокого уровня на более низкий. Так и возможность выполнения работы тепловыми двигателями обусловлена, согласно Уголовно, переходом теплоты от тела более нагретого к телу менее нагретому.

Факты опытов отрицают возможность построения вечного двигателя второго рода. Поэтому невозможность построения такого вечного двигателя была возведена до уровня постулата. Он называется постулатом второго начала термодинамики, или вторым законом термодинамики. Применяя этот постулат в макроскопических систем, размеры которых сравнительно крупные, физика до сих пор нигде не обнаружила существенных противоречий.

Уильям Томсон (получивший позже научные заслуги титул лорда Кельвина) в 1851 так сформулировал второй закон термодинамики: «Невозможен циклический процесс, единственным результатом которого было бы выполнение работы за счет охлаждения теплового резервуара». При этом работа за счет охлаждения теплового резервуара выполнялась бы на основе уменьшения внутренней энергии этого теплового резервуара.

Можно конкретизировать, в чем должна заключаться выполнения внешней работы, и таким образом получить много различных формулировок второго закона термодинамики.

Одно из таких формулировок относится Планку: "Невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом которого было бы поднятие груза за счет охлаждения теплового резервуара».

Если газ в цилиндре изотермически расширяется, то вся подведенная теплота переходит в работу поднятия груза на поршне

Это не противоречит постулату второго начала термодинамики, поскольку вышеприведенный процесс нециклические, то есть машина не является периодически действующей. Вот если бы можно было каким-то образом, оставляя груз в поднятом положении, сжать газ, приведя его этим к исходному состоянию, и вернуть поршень в исходное положение таким образом, чтобы во всех других телах (кроме теплового резервуара, часть внутренней энергии которого пошла на производство работы ) не произошло никаких изменений, то тоде это было бы противоречием к постулату второго начала термодинамики, поскольку последний утверждает, что сделать такое невозможно никакими способами.

Клаузиус (1822-1888) в 1850 дал принципиально иная формулировка основного постулата. Он выдвинул следующее положение: "Теплота не может самостоятельно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретого". Суть этой формулировки заключается в том, что невозможно никаким способом забрать теплоту от тела менее нагретого и вполне передать ее телу более нагретому и сделать это так, чтобы в природе больше не произошло никаких изменений.

Идеальный цикл Карно

Отец Сади Карно известный французский генерал, "организатор побед Великой французской революции" Лазарь Никола Карно, инженер по образованию, проявлял большой интерес к науке и практическому применению инженерных достижений. Он занимался анализом работы тепловых машин, и Сади Карно продолжил работу своего отца. Следуя теплороднои теории, С. Карно, однако, сумел получить результаты, до сих пор не потеряли и не потеряют своего значения для развития науки.

Во-первых, С. Карно ввел понятие циклического (кругового) процесса. Наблюдая за работой паровой машины, он обратил внимание на то, что используемая для перемещения цилиндра пара затем выпускается в среду с меньшей температурой, где она снова превращается в воду (конденсат), причем этот конденсат больше не используется. Уголовно обдумывает вопрос о возможности использования отработанного конденсата, то есть о возможности возврата конденсата в котел, где он снова нагреется, превратится в пар, который благодаря своему дальнейшему расширению снова выполнит работу над поршнем. Таким образом, вода будет проходить полный цикл ряд процессов, в результате которых вернется в исходное состояние.

Второй важный шаг состоял в том, что Уголовно установил: подобный непрерывный циклический процесс возможно только при наличии двух нагревателей нагревателя с высокой температурой & nbsp ;, и холодильника с бильш низкой температурой & nbsp ;. Кроме нагревателя и холодильника, необходимо рабочее тело. Рабочее тело, забирая в нагревателя количество теплоты выполнив работу, для восстановления своих исходных параметров (обеспечение непрерывности цикла) должно отдать некоторое количество теплоты холодильнике. Взяв за основу тепловодных теорию теплоты, Карно считал, что "падение теплороднои субстанции", обусловлено разницей температур нагревателя и холодильника, аналогичное падение воды с более высокого уровня на низкий. Так что работа зависит от перепада между температурами теплорода в нагревов и холодильнике.

Для характеристики тепловой машины Карно вводит понятие коэффициента полезного действия (КПД), который равен отношению работы, выполненной рабочим телом, к количеству теплоты взятой от нагревателя:

Основная задача, которую поставил себе целью Карно, состояла в определении параметров, от которых зависит КПД тепловой машины. При этом он продемонстрировал по-настоящему научно-теоретический подход, потому что пытался определить КПД машины независимо от "какого механизма", "какого-то определенного агента", то есть предлагал рассмотреть идеальную тепловую машину. Особенностью этой идеальной машины было то, что все изменения в ней должны были происходить обратимым путем.

Оборотным называется процесс, который может идти как в прямом, так и в обратном направлении, и по возвращении системы в исходное состояние она (система) остается неизменной. Любой другой процесс называется необратимым. Оказывается, если исключить из рассмотрения явления, происходящие в микромире, то в природе абсолютно обратимых процессов не существует. Еще Лазар Карно обратил внимание на то, что для достижения высокого КПД при построении и эксплуатации механического устройства нужно свести к минимуму удары, трения, то есть, все процессы, приводящие к потере «живой силы». Сад и Уголовно обосновывает свою теорию, рассматривая процесс получения движения из тепла на основе общих соображений, пренебрегая различными несущественными. При этом рабочее тело отдает некоторое количество теплоты холодильнике, вследствие чего уменьшается объем рабочего тела, оно сжимается. Процесс сжатия рабочего тела необходим для обеспечения цикличности работы машины, так как при этом уменьшается объем рабочего тела. Заметим, что в на-Гривач на первом стадии рабочее тело поступало с меньшим объемом и только потом расширялось, выполняя работу.

4 стадия. И, наконец, на четвертой стадии рабочее тело адиабатически сжимается до первоначального объема. При этом его внутренняя энергия увеличивается. Процесс этот продолжается до тех пор, пока температура рабочего тела не сравнится с температурой нагревателя

Итак, цикл является обратимым. Две изотермические стадии (первая и третья) при постоянных температурах (соответственно, & nbsp ;, & mdash, на первой стадии и - на третьей стадии) связаны между собой двумя адиабатическими стадиями.

И хотя Сади Карно не определил величину КПД идеальной оборотной машины, и сама его книга "О движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу» содержит всего 45 страниц, основные принципы, которые автор изложил в этой работе, стали фундаментальным вкладом в становление и развитие термодинамики. Уголовно пришел к вполне верного выводу о том, что КПД идеальной машины зависит только от температур нагревателя и холодильника, а КПД любой другой машины будет всегда меньше КПД идеальной тепловой машины.

Уже после смерти Сади Карно, в 1850 рощ, Клаузиус разработал новый строго математическое описание цикла Карно с точки зрения сохранения энергии. Согласно первому закону термодинамики, количество теплоты, которое рабочее тело отдает холодильнике & nbsp ;, должна быть меньше количества теплоты, взятой в нагревателя & nbsp ;, на величину выполненной работы:

Напомним, что анализ Карно, основанный на представлениях о теплород, предполагает равенство, и

Клаузиус установил, что при работе тепловой машины не все количество теплоты, взятая в нагревателя, передается холодильнике. часть этойтеплоты превращается в работу, которую выполняет машина. Однако только первого начала термодинамики недостаточно для объяснения работы тепловой машины. Клаузиус доказал, что, обосновывая процесс преобразования теплоты на работу, следует прибегнуть еще к одному принципу, сформулированному Карно. Этот принцип утверждает, что при любом непрерывном процессе преобразования теплоты горячего нагревателя в работу непременно должна происходить передача теплоты холодильнике. Таким образом, речь идет об общей свойство теплоты: теплота "всегда проявляет тенденцию к уравнивания температурной разницы путем передачи от теплых тел к холодным". С этим положением Клаузиуса мы уже ознакомились выше. Тот же Клаузиус получил выражение для КПД идеальной тепловой машины:

Он доказал, что КПД любой тепловой машины должен быть равен КПД идеальной машины или быть меньше него:

Это утверждение является одним из формулировок II начала термодинамики. Итак,

Понятие энтропии

Для идеальной машины Карно подтверждается выражение

Отсюда следует равенство

Так как количество теплоты передается холодильнике, ее надо взять со знаком "минус". Итак, получаем выражение:

Будем писать AQ вместо Q, подчеркивая, что речь идет о порцию AQ ,, которую рабочее тело получило от нагревателя, и порцию которую он потерял в холодильнике

Это выражение похож на закон сохранения, а это, в свою очередь, не может не привлечь внимания к величине

В 1865 году Клаузиус ввел новое понятие "энтропия" (entropia от греческого слова "поворот", "превращение"). Клаузиус вычислил, что существует некоторая величина S, которая подобно энергии, давления, температуры характеризует состояние газа. Когда газ получает некоторое количество теплоты A Q то энтропия S возрастает на величину, равную

В предыдущем разделе отмечалось, что в течение длительного времени ученые не разграничивали такие понятия, как температура и теплота. Однако ряд явлений указывал на то, что эти понятия таки следует различать. Так, при таянии льда теплота тратитосуществить обратный процесс, необходимо добиться очень медленного расширения или сжатия рабочего тела, чтобы изменения системы представляли собой последовательность равновесных состояний. В таком цикле выполнения какой-либо полезной работы требует бесконечно большого количества времени. Чтобы получить работу в течение коротких промежутков времени, то есть достаточную мощность, приходится нарушать условия идеального цикла. А это сразу приводит к разнице температур на разных участках системы, к потокам тепла от более горячих участков к менее горячим, то есть к росту энтропии системы.

Чтобы описать термодинамические процессы, первого закона термодинамики оказывается недостаточно, так как первый закон термодинамики не позволяет определить направление протекания процессов в природе. Тот факт, шо энтропия изолированной системы не может убывать, а только растет и достигает максимального значения в равновесном состоянии, является отражением того, что в природе возможные процессы, протекающие только в одном направлении в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим.

Таким образом, сформулируем еще раз некоторые положения второго закона термодинамики. Все они эквивалентны.

1. Процессы, в которых единственным конечным результатом является переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретого, происходить не могут.

В природе все процессы протекают только в одном направлении в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим.

2. КПД любой тепловой машины всегда меньше, чем 100%, то есть невозможно вечный двигатель (перпетуум-мобиле) второго рода (так как невозможно построить тепловую машину, работающую не за счет перепада теплоты, а за счет теплоты одного нагревателя).

КПД любой реальной тепловой машины всегда меньше КПД идеальной тепловой машины.

3. Энтропия изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает, так как система, не испытывая никаких внешних воздействий, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное

Загрузка...