Vad ?r termodynamik

Definition

Termodynamik ?r den viktigaste delen av fysiken. Dess resultat anv?nds inom gyro- och aerodynamik, optik, fysikalisk kemi och m?nga andra vetenskaper och till?mpad utveckling.

Termodynamiken uppstod i b?rjan av 1800-talet. Vid den tiden b?rjade v?rmeteknik sin utveckling. Termodynamik blev dess teoretiska grund. Dess m?l vid den tiden var att studera de m?nster som best?mmer processerna f?r att omvandla v?rme till mekaniskt arbete med hj?lp av v?rmemotorer och att s?ka efter f?rh?llanden under vilka effektiviteten av s?dana omvandlingar ?r maximal. Grunden till termodynamiken lades i hans verk av Saadi Carnot, en fransk ingenj?r och fysiker som studerade v?rmemotorer. P? den tiden ans?gs v?rme fortfarande som ett visst ?mne - kalori, som inte har n?gon massa och inte kan skapas eller f?rst?ras. D?refter gick termodynamiken ?ver gr?nserna f?r ett sn?vt tekniskt problem. Huvudinneh?llet i modern termodynamik ?r studiet av lagarna f?r materiens termiska r?relseform och relaterade fenomen.

Vilka processer studerar termodynamiken?

Termodynamik studerar makroskopiska processer som uppst?r i kroppar och system av kroppar. Denna vetenskap anv?nder inte speciella hypoteser och id?er om materiens struktur. St?ller inga fr?gor om v?rmens natur. Termodynamikens slutsatser bygger p? allm?nna principer (principer), som erh?lls genom att generalisera empiriska data.

Termodynamik studerar endast termodynamiskt j?mviktstillst?nd hos system eller mycket l?ngsamma processer som kan representeras av en upps?ttning j?mviktstillst?nd. Denna vetenskap studerar ocks? lagarna f?r ?verg?ng fr?n ett j?mviktstillst?nd till ett annat.

Termodynamikens slutsatser ?r mycket generella, eftersom de erh?lls utan att anv?nda f?renklade modeller. Termodynamik tar m?nga ekvationer fr?n erfarenhet, eller molekyl?r - kinetisk teori. Men h?r b?r det noteras att praktiken har visat att termodynamikens axiom har gr?nser f?r till?mpbarhet. S?ledes ?r klassisk termodynamik d?ligt till?mpbar i system med sm? storlekar, eftersom den inte tar h?nsyn till tillst?ndsfluktuationer, som ?r av betydande betydelse i mikrov?rlden.

S? vi definierar grundid?n f?r termodynamik enligt f?ljande:

Grundid? om termodynamik

Makroskopiska system best?r av ett stort antal partiklar. Systemets tillst?nd k?nnetecknas av mycket specifika parametrar. Varje system lyder lagen om energibevarande.

Inom termodynamiken ?r lagen om energibevarande formulerad som termodynamikens principer. Makrosystemets beteende beskrivs utifr?n termodynamikens principer. Det finns tre principer formulerade inom termodynamiken. Den f?rsta principen ?r en konsekvens av lagen om energibevarande:

Termodynamikens f?rsta lag

\[\delta Q=dU+\delta A\ \left(1\right),\]

d?r $\delta Q$ ?r elementet av v?rme (eller en o?ndligt liten m?ngd) som tillf?rs det termodynamiska systemet. Studiet av denna energiforms r?relse och omvandlingar ?r ?mnet f?r termodynamiken, $dU$ ?r f?r?ndringen i systemets inre energi, $\delta A$ ?r element?rt arbete. O?ndligt sm? kvantiteter betecknas h?r med olika symboler (d och $\delta $), detta g?rs avsiktligt. F?r att understryka att egenskaperna hos dessa sm? kvantiteter ?r olika. Termodynamikens f?rsta lag ger ingen uppfattning om processens riktning. D?rf?r ?r en andra b?rjan n?dv?ndig. Det ?r detta som k?nnetecknar riktningen f?r processer inom termodynamiken. Det finns flera formuleringar av termodynamikens andra lag. De skiljer sig i form, men i betydelse ?r de likv?rdiga. H?r ?r en av formuleringarna fr?n Thompson (Lord Kelvin):

Termodynamikens andra lag

"En cirkul?r process ?r om?jlig, vars enda resultat skulle vara produktion av arbete genom att minska den inre energin i den termiska reservoaren."

Det tredje s?tter restriktioner f?r processer. L?t oss formulera det:

Termodynamikens tredje lag

"Absolut noll kan inte n?s genom ett begr?nsat antal operationer."

Termodynamikens matematiska apparat ?r teorin om differentialformer och partiella differentialekvationer.

Uppgift: En idealisk monoatomisk gas genomg?r en cyklisk process (Fig. 1).

Best?m cykeleffektiviteten om $V_1,\ V_2,$ $p_1,\ p_2$ ?r k?nda.

Effektiviteten ($\eta $) f?r cykeln i detta fall best?ms bekv?mt som:

\[\eta =\frac(A)(Q^+)\left(1.1\h?ger),\]

d?r A ?r det arbete som utf?rs av gasen i en cirkul?r process, $Q^+$ ?r m?ngden v?rme som tillf?rs gasen fr?n v?rmaren.

Den cirkul?ra processen (cykeln), som visas i fig. 1, best?r av fyra sekventiella processer. L?t oss best?mma i vilka processer v?rme tillf?rs. Uppenbarligen ?r dessa processer AB och BC.

AB-processen ?r isobar. L?t oss skriva ner termodynamikens f?rsta lag och hitta m?ngden v?rme som frig?rs av gasen i denna process.

\[\triangel Q=\triangel U+A\ \v?nster(1.2\h?ger).\]

Arbete i en isobar process kan hittas som:

D?rf?r f?r vi f?r process AB:

F?r?ndringen i gasens inre energi under AB-processen har formeln:

\[\triangel U_(AB)=\frac(i)(2)\nu R\v?nster(T_2-T_1\h?ger)\v?nster(1.5\h?ger).\]

F?r att hitta $\left(T_2-T_1\right)$ anv?nder vi Mendeleev-Cliperons ekvation f?r en idealgas. L?t oss skriva det f?r tv? tillst?nd (punkterna A och B):

\ \

L?t oss hitta skillnaden mellan (1.7) och (1.6), vi f?r:

Om vi byter ut (1.8) med (1.5) f?r vi:

\[\triangel U_(AB)=\frac(i)(2)p_1\v?nster(V_2-V_1\h?ger)\v?nster(1.9\h?ger).\]

D?rf?r ?r m?ngden v?rme som tas emot av gasen i AB-processen lika med:

\[\triangel Q_(AB)=p_1\v?nster(V_2-V_1\h?ger)+\frac(i)(2)p_1\v?nster(V_2-V_1\h?ger)\ (1.10).\]

L?t oss nu betrakta den isokoriska processen BC. F?r det ?r m?ngden v?rme som ?verf?rs till gasen lika med:

\[\triangel Q_(BC)=\triangel U_(BC\ )\v?nster(1.11\h?ger).\]

eftersom arbetet i en isokorisk process ?r noll. L?t oss hitta f?r?ndringar i den interna energin i denna process med hj?lp av tillst?ndsekvationen f?r en idealgas f?r diagrampunkterna B och C:

\ \

Subtrahera (1.6) fr?n (1.7), vi f?r:

Genom att ers?tta (1.14) i (1.11) hittar vi $\triangel Q_(BC)$:

\[\triangel Q_(BC)=\frac(i)(2)((p)_2-\ p_1)V_2(1.15).\]

Vi f?r ett uttryck f?r $Q^+:$

L?t oss hitta det arbete som gasen utf?r i en cirkul?r process. Det ?r lika med den geometriska betydelsen av integralerna av arean av rektangeln ABCD, f?ljaktligen skriver vi:

\[\eta =\frac(((p)_2-\ p_1)\v?nster(V_2-V_1\h?ger))((\frac(i)(2)(p)_2V_2-p_1V_1)+p_1((V) _2-V_1))\ \left(1.18\h?ger).\]

Svar: Cykeleffektiviteten f?r en given process uttrycks med formeln: $\eta =\frac(((p)_2-\ p_1)\left(V_2-V_1\right))((\frac(i)(2) )(p)_2V_2- p_1V_1)+p_1((V)_2-V_1))$.

Uppdrag: I fig. Figur 2 visar isotermerna AB och CD. J?mf?r m?ngden v?rme som tas emot av gasen i process I och II.

Om AB och CB ?r isotermer ?r f?r?ndringarna i gasens inre energi i process I och II desamma: \[\triangel U_I=\triangel U_(II)\v?nster(2.1\h?ger).\]

Arbetet i process I ?r noll, eftersom processen ?r isokorisk, d?rf?r m?ngden v?rme som tas emot av gasen i process I:

\[\triangel Q_I=\triangel U_I\ \left(2.2\right).\]

I process II utf?rs arbetet av gasen och det ?r st?rre ?n 0 ($A_I>0).\ $

\[\triangel Q_(II)=\triangel U_(II)+A=\triangel U_I+A\ \till \triangel Q_(II)>\triangel Q_I\v?nster(2.3\h?ger).\]

Svar: M?ngden v?rme som tas emot av gasen i process II ?r st?rre ?n m?ngden v?rme som tas emot av gasen i process I.

Termodynamik ?r en vetenskap som studerar termiska fenomen som uppst?r i kroppar utan att koppla dem till ?mnets molekyl?ra struktur.

Inom termodynamiken tror man det alla termiska processer i kroppar k?nnetecknas endast av makroskopiska parametrar- tryck, volym och temperatur. Och eftersom de inte kan till?mpas p? enskilda molekyler eller atomer, s? tas, till skillnad fr?n den molekyl?ra kinetiska teorin, inte h?nsyn till materiens molekyl?ra struktur i termiska processer inom termodynamiken.

Alla termodynamiska begrepp ?r formulerade som en generalisering av fakta som observerats under experiment. P? grund av detta kallas det den fenomenologiska (beskrivande) v?rmeteorin.

Termodynamiska system

Termodynamik beskriver termiska processer som f?rekommer i makroskopiska system. S?dana system best?r av ett stort antal partiklar - molekyler och atomer, och kallas termodynamiska.

Termodynamiskt system kan betraktas som vilket f?rem?l som helst som kan ses med blotta ?gat eller med hj?lp av mikroskop, teleskop och andra optiska instrument. Huvudsaken ?r att dimensionerna av systemet i rymden och tiden f?r dess existens g?r det m?jligt att m?ta dess parametrar - temperatur, tryck, massa, kemisk sammans?ttning av element, etc., med hj?lp av instrument som inte reagerar p? p?verkan av enskilda molekyler (tryckm?tare, termometrar, etc.).

F?r kemister ?r ett termodynamiskt system en blandning av kemiska ?mnen som interagerar med varandra under en kemisk reaktion. Astrofysiker kommer att kalla ett s?dant system f?r en himlakropp. Blandningen av br?nsle och luft i en bilmotor, jordklotet, v?r kropp, en skrivpenna, en anteckningsbok, en maskin etc. ?r ocks? termodynamiska system.

Varje termodynamiskt system ?r separerat fr?n sin omgivning genom gr?nser. De kan vara verkliga - glasv?ggarna i ett provr?r med en kemisk substans, en cylinderkropp i en motor, etc. Eller s? kan de vara villkorade, n?r de till exempel studerar bildandet av ett moln i atmosf?ren.

Om ett s?dant system inte byter ut vare sig energi eller materia med den yttre milj?n, s? kallas det isolerad eller st?ngd .

Om ett system byter energi med den yttre milj?n, men inte byter materia, s? kallas det st?ngd .

?ppet system utbyter b?de energi och materia med den yttre milj?n.

Termodynamisk j?mvikt

Detta koncept introducerades ocks? i termodynamiken som en generalisering av experimentella resultat.

Termodynamisk j?mvikt de kallar ett tillst?nd i ett system d?r alla dess makroskopiska storheter - temperatur, tryck, volym och entropi - inte f?r?ndras ?ver tiden om systemet ?r isolerat. Varje slutet termodynamiskt system kan spontant g? in i ett s?dant tillst?nd om alla externa parametrar f?rblir konstanta.

Det enklaste exemplet p? ett system i ett tillst?nd av termodynamisk j?mvikt ?r en termos med varmt te. Temperaturen i den ?r densamma n?r som helst i v?tskan. ?ven om en termos bara kan kallas ett isolerat system.

Varje slutet termodynamiskt system tenderar spontant att g? in i termodynamisk j?mvikt om de yttre parametrarna inte ?ndras.

Termodynamisk process

Om ?tminstone en av de makroskopiska parametrarna ?ndras, s?ger de att systemet upplever termodynamisk process . En s?dan process kan intr?ffa om externa parametrar ?ndras eller om systemet b?rjar ta emot eller s?nda energi. Som ett resultat g?r det till en annan stat.

L?t oss komma ih?g exemplet med te i en termos. Om vi l?gger en isbit i te och st?nger termosen kommer det omedelbart att uppst? en temperaturskillnad i olika delar av v?tskan. V?tskan i termosen tenderar att utj?mna temperaturerna. Fr?n omr?den med h?gre temperaturer kommer v?rme att ?verf?ras till omr?den d?r temperaturen ?r l?gre. Det vill s?ga en termodynamisk process kommer att intr?ffa. S? sm?ningom blir temperaturen p? teet i termosen densamma igen. Men det kommer redan att skilja sig fr?n den ursprungliga temperaturen. Systemets tillst?nd har f?r?ndrats eftersom dess temperatur har ?ndrats.

Den termodynamiska processen uppst?r n?r sand som har v?rmts upp p? en strand en varm dag svalnar p? natten. P? morgonen sjunker hans temperatur. Men s? fort solen g?r upp kommer uppv?rmningsprocessen att b?rja igen.

Inre energi

Ett av termodynamikens huvudbegrepp ?r inre energi .

Alla makroskopiska kroppar har inre energi, vilket ?r summan av kinetiska och potentiella energier f?r alla partiklar (atomer och molekyler) som utg?r kroppen. Dessa partiklar interagerar endast med varandra och interagerar inte med milj?partiklar. Den inre energin beror p? partiklarnas kinetiska och potentiella energi och beror inte p? sj?lva kroppens position.

U = Ek +Ep

Intern energi f?r?ndras med temperaturen. Den molekyl?ra kinetiska teorin f?rklarar detta genom att ?ndra r?relsehastigheten f?r partiklar av materia. Om kroppens temperatur ?kar, ?kar ocks? partiklarnas r?relsehastighet, avst?ndet mellan dem blir st?rre. F?ljaktligen ?kar deras kinetiska och potentiella energi. N?r temperaturen sjunker sker den omv?nda processen.

F?r termodynamiken ?r det viktigare inte m?ngden inre energi, utan dess f?r?ndring. Och du kan ?ndra den inre energin genom v?rme?verf?ringsprocessen eller genom att utf?ra mekaniskt arbete.

F?r?ndring av inre energi genom mekaniskt arbete

Benjamin Rumfoord

Den inre energin i en kropp kan ?ndras genom att utf?ra mekaniskt arbete p? den. Om arbete utf?rs p? en kropp omvandlas mekanisk energi till inre energi. Och om arbete utf?rs av en kropp, f?rvandlas dess inre energi till mekanisk energi.

N?stan fram till slutet av 1800-talet trodde man att det fanns ett viktl?st ?mne - kalori, som ?verf?r v?rme fr?n kropp till kropp. Ju mer kalorier som fl?dar in i kroppen, desto varmare blir det, och vice versa.

Men 1798 b?rjade den angloamerikanske vetenskapsmannen greve Benjamin Rumford tvivla p? teorin om kalorier. Anledningen till detta var uppv?rmningen av pistolpiporna under borrning. Han f?reslog att orsaken till uppv?rmningen ?r det mekaniska arbetet som utf?rs under borrens friktion mot pipan.

Och Rumfoord genomf?rde ett experiment. F?r att ?ka friktionskraften tog de en trubbig borr och placerade sj?lva pipan i en tunna vatten. I slutet av den tredje timmen av borrning b?rjade vattnet i tunnan koka. Detta innebar att pipan fick v?rme n?r det utf?rdes mekaniskt arbete p? den.

V?rme?verf?ring

V?rme?verf?ring ?r den fysiska processen att ?verf?ra termisk energi (v?rme) fr?n en kropp till en annan, antingen genom direkt kontakt eller genom en skiljev?gg. Som regel ?verf?rs v?rme fr?n en varmare kropp till en kallare. Denna process slutar n?r systemet n?r ett tillst?nd av termodynamisk j?mvikt.

Den energi som en kropp tar emot eller ger upp under v?rme?verf?ring kallas m?ngd v?rme .

Enligt metoden f?r v?rme?verf?ring kan v?rmev?xling delas in i 3 typer: v?rmeledningsf?rm?ga, konvention, v?rmestr?lning.

V?rmeledningsf?rm?ga

Om det finns en temperaturskillnad mellan kroppar eller delar av kroppar, kommer v?rme?verf?ringsprocessen att ske mellan dem. V?rmeledningsf?rm?ga ?r processen att ?verf?ra inre energi fr?n en mer uppv?rmd kropp (eller del av den) till en mindre uppv?rmd kropp (eller del av den).

Genom att till exempel v?rma ena ?nden av en st?lstav ?ver en eld kommer vi efter ett tag att k?nna att ?ven dess andra ?nde blir varm.

Vi kan l?tt h?lla en glasstav, vars ena ?nde ?r gl?dhet, i den andra ?nden utan att br?nnas. Men om vi f?rs?ker g?ra samma experiment med en j?rnst?ng kommer vi inte att lyckas.

Olika ?mnen leder v?rme olika. Var och en av dem har sin egen v?rmeledningskoefficient, eller ledningsf?rm?ga, numeriskt lika med m?ngden v?rme som passerar genom ett prov som ?r 1 m tjockt, med en yta p? 1 m 2 p? 1 sekund. Temperaturenheten ?r 1 K.

Metaller leder v?rme b?st. Den h?r egenskapen anv?nder vi i vardagen, n?r vi lagar mat i metallgrytor eller stekpannor. Men deras h?nder ska inte bli varma. D?rf?r ?r de gjorda av material med d?lig v?rmeledningsf?rm?ga.

Den termiska ledningsf?rm?gan hos v?tskor ?r l?gre. Och gaser har d?lig v?rmeledningsf?rm?ga.

Djurp?ls ?r ocks? en d?lig v?rmeledare. Tack vare detta ?verhettas de inte i varmt v?der och fryser inte i kallt v?der.

Konvent

Med konventionen ?verf?rs v?rme genom str?lar och fl?den av gas eller v?tska. Det finns ingen konvention i fasta ?mnen.

Hur uppst?r konvention i en v?tska? N?r vi s?tter en vattenkokare p? elden v?rms det nedre lagret av v?tska upp, dess densitet minskar och det r?r sig upp?t. Ett kallare vattenlager tar dess plats. Efter en tid kommer den ocks? att v?rmas upp och ?ven byta plats med det kallare lagret. Etc.

En liknande process sker i gaser. Det ?r ingen slump att v?rmeelement placeras i den nedre delen av rummet. N?r allt kommer omkring stiger uppv?rmd luft alltid till toppen av rummet. Och den l?gre, kalla, tv?rtom, faller. Sedan v?rms det ocks? upp och stiger igen, och under denna tid kyls det ?versta lagret ner och faller.

Konventionen kan vara naturlig eller p?tvingad.

Naturlig konvention f?rekommer st?ndigt i atmosf?ren. Som ett resultat av detta sker en konstant r?relse av varma luftmassor upp?t och kalla - ned?t. Som ett resultat uppst?r vind, moln och andra naturfenomen.

N?r naturlig konvention inte r?cker anv?nder jag p?tvingad konvention. Till exempel flyttas fl?den av varm luft i ett rum med hj?lp av fl?ktblad.

Termisk str?lning

Solen v?rmer jorden. I detta fall sker varken v?rme?verf?ring eller konvention. S? varf?r f?r kroppar v?rme?

Faktum ?r att solen ?r en k?lla till termisk str?lning.

Termisk str?lning – Det h?r ?r elektromagnetisk str?lning som h?rr?r fr?n kroppens inre energi. Alla kroppar runt omkring oss avger termisk energi. Detta kan vara synligt ljus fr?n en skrivbordslampa eller osynliga k?llor till ultraviolett, infrar?d eller gammastr?lning.

Men kroppar g?r mer ?n att bara avge v?rme. De absorberar det ocks?. Vissa i st?rre utstr?ckning, andra i mindre utstr?ckning. Dessutom b?de v?rms och kyls m?rka kroppar snabbare ?n ljusa. Vid varmt v?der f?rs?ker vi b?ra ljusa kl?der eftersom de absorberar mindre v?rme ?n m?rka kl?der. En m?rkf?rgad bil v?rms upp i solen mycket snabbare ?n en ljus bil som st?r bredvid den.

Denna egenskap hos ?mnen att absorbera och avge v?rme p? olika s?tt anv?nds vid skapandet av m?rkerseendesystem, missilm?lsystem, etc.

Termodynamik (grekiska thermi - "v?rme", dynamis - "kraft") ?r en gren av fysiken som studerar de mest allm?nna egenskaperna hos makroskopiska system och metoder f?r ?verf?ring och omvandling av energi i s?dana system.

Inom termodynamiken studeras tillst?nd och processer, f?r att beskriva vilka begreppet temperatur som kan introduceras. Termodynamik (T.) ?r en fenomenologisk vetenskap baserad p? generaliseringar av experimentella fakta. De processer som sker i termodynamiska system beskrivs av makroskopiska storheter (temperatur, tryck, koncentrationer av komponenter), som introduceras f?r att beskriva system som best?r av ett stort antal partiklar och inte ?r till?mpliga p? enskilda molekyler och atomer, till skillnad fr?n t.ex. kvantiteter som introduceras i mekanik eller elektrodynamik.

Modern fenomenologisk termodynamik ?r en rigor?s teori utvecklad p? basis av flera postulat. Men kopplingen mellan dessa postulat med egenskaperna och lagarna f?r interaktion mellan partiklar som termodynamiska system ?r uppbyggda av ges av statistisk fysik. Statistisk fysik g?r det ocks? m?jligt att klarg?ra gr?nserna f?r termodynamikens till?mplighet.

Termodynamikens lagar ?r generella till sin natur och beror inte p? specifika detaljer i materiens struktur p? atomniv?. D?rf?r till?mpas termodynamik framg?ngsrikt i ett brett spektrum av vetenskapliga och tekniska fr?gor, s?som energi, v?rmeteknik, fas?verg?ngar, kemiska reaktioner, transportfenomen och till och med svarta h?l. Termodynamik ?r viktig f?r en m?ngd olika omr?den inom fysik och kemi, kemisk teknik, rymdteknik, maskinteknik, cellbiologi, biomedicinsk teknik, materialvetenskap och finner till och med sin till?mpning inom omr?den som ekonomi.

Viktiga ?r i termodynamikens historia

• Ursprunget till termodynamiken som vetenskap ?r f?rknippat med namnet G. Galilei, som introducerade begreppet temperatur och designade den f?rsta enheten som svarade p? f?r?ndringar i omgivningstemperaturen (1597).
• Snart skapade G. D. Fahrenheit (1714), R. Reaumur (1730) och A. Celsius (1742) temperaturskalor i enlighet med denna princip.
• J. Black introducerade redan 1757 begreppen latent sm?ltv?rme och v?rmekapacitet (1770). Och Wilcke (J. Wilcke, 1772) introducerade definitionen av kalori som m?ngden v?rme som kr?vs f?r att v?rma 1 g vatten med 1 °C.
• Lavoisier (A. Lavoisier) och Laplace (P. Laplace) designade 1780 en kalorimeter (se Kalorimetri) och best?mde f?r f?rsta g?ngen experimentellt specifikationen. v?rmekapacitet hos ett antal ?mnen.
• ?r 1824 publicerade S. Carnot (N. L, S. Carnot) ett arbete som ?gnas ?t studier av principerna f?r drift av v?rmemotorer.
• B. Clapeyron introducerade en grafisk representation av termodynamiska processer och utvecklade metoden f?r infinitesimala cykler (1834).
• G. Helmholtz noterade den universella karakt?ren av lagen om energibevarande (1847). D?refter utvecklade R. Clausius och W. Thomson (Kelvin; W. Thomson) systematiskt termodynamikens teoretiska apparat, som bygger p? termodynamikens f?rsta lag och termodynamikens andra lag.
• Utvecklingen av den 2:a principen ledde Clausius till definitionen av entropi (1854) och formuleringen av lagen om ?kande entropi (1865).
• Med b?rjan i arbetet av J. W. Gibbs (1873), som f?reslog metoden f?r termodynamiska potentialer, har teorin om termodynamisk j?mvikt utvecklats.
• I 2:a halvlek. 1800-talet studier av verkliga gaser genomf?rdes. En speciell roll spelades av experimenten fr?n T. Andrews, som f?rst uppt?ckte den kritiska punkten i v?tske-?ngsystemet (1861), dess existens f?rutsp?ddes av D. I. Mendeleev (1860).
• I slutet av 1800-talet. stora framsteg gjordes f?r att uppn? l?ga temperaturer, som ett resultat av vilka O2, N2 och H2 kondenserades.
• 1902 publicerade Gibbs ett verk d?r alla grundl?ggande termodynamiska relationer erh?lls inom ramen f?r statistisk fysik.
• Sambandet mellan kinetik kroppens egenskaper och dess termodynamiska. egenskaper fastst?lldes av L. Onsager (L. Onsager, 1931).
• P? 1900-talet intensivt studerat termodynamiken hos fasta ?mnen, s?v?l som kvantv?tskor och flytande kristaller, i vilka olika fas?verg?ngar ?ger rum.
• L. D. Landau (1935-37) utvecklade en allm?n teori om fas?verg?ngar baserad p? konceptet spontant symmetribrott.

Delar av termodynamiken

Modern fenomenologisk termodynamik brukar delas in i j?mvikts- (eller klassisk) termodynamik, som studerar termodynamiska j?mviktssystem och processer i s?dana system, och icke-j?mvikts-termodynamik, som studerar icke-j?mviktsprocesser i system d?r avvikelsen fr?n termodynamisk j?mvikt ?r relativt liten och fortfarande till?ter termodynamisk beskrivning.

J?mvikts- (eller klassisk) termodynamik

I j?mviktstermodynamik introduceras variabler som intern energi, temperatur, entropi och kemisk potential. Alla kallas termodynamiska parametrar (kvantiteter). Klassisk termodynamik studerar relationerna mellan termodynamiska parametrar med varandra och med fysikaliska storheter som tas i beaktande i andra grenar av fysiken, till exempel med gravitations- eller elektromagnetiska f?lt som verkar p? systemet. Kemiska reaktioner och fas?verg?ngar ing?r ocks? i studiet av klassisk termodynamik. Studiet av termodynamiska system d?r kemiska omvandlingar spelar en betydande roll ?r dock ?mnet f?r kemisk termodynamik, och termisk teknik handlar om tekniska till?mpningar.

Klassisk termodynamik inkluderar f?ljande avsnitt:

• termodynamikens principer (ibland ?ven kallade lagar eller axiom)
• tillst?ndsekvationer och egenskaper hos enkla termodynamiska system (idealgas, riktig gas, dielektrikum och magneter, etc.)
• j?mviktsprocesser med enkla system, termodynamiska cykler
• icke-j?mviktsprocesser och lagen om icke-minskande entropi
• termodynamiska faser och fas?verg?ngar

Dessutom inkluderar modern termodynamik ocks? f?ljande omr?den:

• en rigor?s matematisk formulering av termodynamik baserad p? konvex analys
• icke omfattande termodynamik

I system som inte befinner sig i ett tillst?nd av termodynamisk j?mvikt, till exempel i en gas i r?relse, kan den lokala j?mviktsapproximationen anv?ndas, d?r det antas att de termodynamiska j?mviktsf?rh?llandena uppfylls lokalt vid varje punkt i systemet.

Termodynamik utan j?mvikt

I termodynamik utan j?mvikt betraktas variabler som lokala inte bara i rymden utan ocks? i tiden, det vill s?ga tiden kan explicit ange sina formler. L?t oss notera att Fouriers klassiska verk "Analytical Theory of Heat" (1822), ?gnat ?t fr?gorna om v?rmeledningsf?rm?ga, var f?re inte bara uppkomsten av icke-j?mviktstermodynamik, utan ocks? Carnots verk "Reflections on the driving force of fire and on maskiner som kan utveckla denna kraft” (1824), vilket allm?nt anses vara en utg?ngspunkt i den klassiska termodynamikens historia.

Grundl?ggande begrepp inom termodynamiken

Termodynamiskt system- en kropp eller grupp av kroppar som interagerar, mentalt eller faktiskt isolerade fr?n omgivningen.

Homogent system– ett system inom vilket det inte finns n?gra ytor som skiljer delar av systemet (faser) som skiljer sig ?t i egenskaper.

Heterogena system- ett system inom vilket det finns ytor som skiljer delar av systemet ?t som skiljer sig ?t i egenskaper.

Fas– En upps?ttning homogena delar av ett heterogent system, identiska i fysikaliska och kemiska egenskaper, ?tskilda fr?n andra delar av systemet genom synliga gr?nssnitt.

Isolerad system- ett system som inte byter vare sig materia eller energi med milj?n.

St?ngd system- ett system som byter energi med milj?n, men som inte byter materia.

?ppna system- ett system som utbyter b?de materia och energi med milj?n.

Helheten av alla fysikaliska och kemiska egenskaper hos ett system k?nnetecknar det termodynamiskt tillst?nd. Alla kvantiteter som k?nnetecknar n?gon makroskopisk egenskap hos systemet i fr?ga ?r statusparametrar. Det har experimentellt fastst?llts att f?r att entydigt karakterisera ett givet system ?r det n?dv?ndigt att anv?nda ett visst antal parametrar som kallas oberoende; alla andra parametrar betraktas som funktioner av oberoende parametrar. Parametrar som kan m?tas direkt, s?som temperatur, tryck, koncentration etc., v?ljs vanligtvis som oberoende tillst?ndsparametrar. Varje f?r?ndring i det termodynamiska tillst?ndet f?r ett system (?ndring i minst en tillst?ndsparameter) ?r termodynamisk process.

Reversibel process- en process som g?r att systemet kan ?terg? till sitt ursprungliga tillst?nd utan att n?gra f?r?ndringar kvarst?r i milj?n.

J?mviktsprocess– en process d?r ett system passerar genom en kontinuerlig serie av j?mviktstillst?nd.

Energi– ett m?tt p? systemets f?rm?ga att utf?ra arbete; ett allm?nt kvalitativt m?tt p? materiens r?relse och interaktion. Energi ?r en integrerad egenskap hos materia. Man skiljer mellan potentiell energi, orsakad av en kropps position i ett f?lt av vissa krafter, och kinetisk energi, orsakad av en f?r?ndring av kroppens position i rymden.

Systemets inre energi– summan av den kinetiska och potentiella energin f?r alla partiklar som utg?r systemet. Du kan ocks? definiera den inre energin i ett system som dess totala energi minus den kinetiska och potentiella energin i systemet som helhet.

Former av energiomst?llning

Former av energi?verf?ring fr?n ett system till ett annat kan delas in i tv? grupper.

1. Den f?rsta gruppen inkluderar endast en form av ?verg?ng av r?relse genom kaotiska kollisioner av molekyler fr?n tv? kontaktande kroppar, dvs. genom v?rmeledning (och samtidigt genom str?lning). M?ttet p? r?relsen som ?verf?rs p? detta s?tt ?r v?rme. V?rme ?r en form av energi?verf?ring genom oregelbundna r?relser av molekyler.
2. Den andra gruppen inkluderar olika former av r?relse?verg?ngar, vars gemensamma s?rdrag ?r r?relsen av massor som t?cker ett mycket stort antal molekyler (d.v.s. makroskopiska massor) under p?verkan av n?gra krafter. Dessa ?r lyft av kroppar i ett gravitationsf?lt, ?verg?ngen av en viss m?ngd elektricitet fr?n en h?gre elektrostatisk potential till en mindre, expansionen av en gas under tryck, etc. Det allm?nna m?ttet p? r?relse som ?verf?rs med s?dana metoder ?r arbete - en form av energi?verf?ring genom ordnad r?relse av partiklar.

V?rme och arbete k?nnetecknar kvalitativt och kvantitativt tv? olika former av r?relse?verf?ring fr?n en given del av den materiella v?rlden till en annan. V?rme och arbete kan inte h?llas inne i kroppen. V?rme och arbete uppst?r f?rst n?r en process intr?ffar, och k?nnetecknar endast processen. Under statiska f?rh?llanden existerar inte v?rme och arbete. Skillnaden mellan v?rme och arbete, accepterad av termodynamiken som utg?ngspunkt, och v?rmens motst?nd mot arbete ?r meningsfull endast f?r kroppar som best?r av m?nga molekyler, eftersom f?r en molekyl eller f?r en samling av f? molekyler f?rlorar begreppen v?rme och arbete sin betydelse. D?rf?r betraktar termodynamiken endast kroppar som best?r av ett stort antal molekyler, d.v.s. s? kallade makroskopiska system.

Tre principer f?r termodynamiken

Termodynamikens principer ?r en upps?ttning postulat som ligger bakom termodynamiken. Dessa best?mmelser uppr?ttades som ett resultat av vetenskaplig forskning och bevisades experimentellt. De accepteras som postulat s? att termodynamiken kan konstrueras axiomatiskt.

Behovet av termodynamikens principer beror p? att termodynamiken beskriver systemens makroskopiska parametrar utan specifika antaganden om deras mikroskopiska struktur. Statistisk fysik behandlar fr?gor om inre struktur.

Termodynamikens principer ?r oberoende, det vill s?ga ingen av dem kan h?rledas fr?n de andra principerna. Analoger till Newtons tre lagar inom mekanik ?r de tre principerna inom termodynamiken, som f?rbinder begreppen "v?rme" och "arbete":

• Termodynamikens nolllag talar om termodynamisk j?mvikt.
• Termodynamikens f?rsta lag handlar om bevarandet av energi.
• Termodynamikens andra lag handlar om v?rmefl?den.
• Termodynamikens tredje lag handlar om det absoluta nollans ouppn?elighet.

Termodynamikens allm?nna (noll)lag

Termodynamikens allm?nna (noll)lag s?ger att tv? kroppar befinner sig i ett tillst?nd av termisk j?mvikt om de kan ?verf?ra v?rme till varandra, men detta h?nder inte.

Det ?r inte sv?rt att gissa att tv? kroppar inte ?verf?r v?rme till varandra om deras temperaturer ?r lika. Till exempel, om du m?ter temperaturen p? en m?nniskokropp med en termometer (i slutet av m?tningen kommer temperaturen p? personen och temperaturen p? termometern att vara lika), och sedan, med samma termometer, m?t temperaturen av vattnet i badrummet, och det visar sig att b?da temperaturerna sammanfaller (det finns termisk j?mvikt mellan personen och termometern och en termometer med vatten), kan vi s?ga att en person ?r i termisk j?mvikt med vattnet i badet.

Fr?n ovanst?ende kan vi formulera termodynamikens nolllag enligt f?ljande: tv? kroppar som ?r i termisk j?mvikt med en tredje ?r ocks? i termisk j?mvikt med varandra.

Ur en fysisk synvinkel s?tter termodynamikens nolllag referenspunkten, eftersom det inte finns n?got v?rmefl?de mellan tv? kroppar som har samma temperatur. Med andra ord kan vi s?ga att temperaturen inte ?r n?got annat ?n en indikator p? termisk j?mvikt.

Termodynamikens f?rsta lag

Termodynamikens f?rsta lag ?r lagen om bevarande av termisk energi, som s?ger att energi inte f?rsvinner utan att l?mna ett sp?r.

Systemet kan antingen absorbera eller frig?ra termisk energi Q, medan systemet utf?r arbete W p? de omgivande kropparna (eller de omgivande kropparna utf?r arbete p? systemet), och den inre energin i systemet, som hade initialv?rdet Uninit, blir lika med Uend:

Uend-Ustart = DU = Q-W

Termisk energi, arbete och intern energi best?mmer systemets totala energi, vilket ?r ett konstant v?rde. Om en viss m?ngd v?rmeenergi Q ?verf?rs till (tas bort) fr?n systemet, i fr?nvaro av arbete, kommer m?ngden intern energi i systemet U att ?ka (minska) med Q.

Termodynamikens andra lag

Termodynamikens andra lag s?ger att termisk energi bara kan r?ra sig i en riktning - fr?n en kropp med h?gre temperatur till en kropp med l?gre temperatur, men inte vice versa.

Termodynamikens tredje lag

Termodynamikens tredje lag s?ger att varje process som best?r av ett ?ndligt antal steg inte kommer att till?ta den att n? temperaturen p? den absoluta nollpunkten (?ven om den kan n?s avsev?rt).

Introduktion

Disciplinerna teknisk termodynamik och teorin om v?rme- och mass?verf?ring utg?r den teoretiska grunden f?r att beh?rska speciella cykeldiscipliner inom omr?dena "Power Engineering" och "Thermal Power Engineering".

Den f?rsta delen unders?ker termodynamikens grundl?ggande begrepp, till?mpningen av termodynamikens f?rsta lag p? slutna, ?ppna termodynamiska system och system med variabel massa. J?mviktstillst?nd och kvasi-j?mviktsprocesser i makroskopiska system studeras. Betydande uppm?rksamhet ?gnas ?t termodynamikens andra lag och dess till?mpning p? irreversibla processer, orsakerna till irreversibilitet och dess inverkan p? f?rlusten av prestanda (exergi) av systemet avsl?jas. Gascykler och jetmotorer behandlas i detalj. Uppm?rksamhet ?gnas ?t j?mviktsf?rh?llandena i homogena och tv?fassystem, fas?verg?ngar vid plana och kr?kta fasgr?nser. Huvudbest?mmelserna i teorin om bildandet av en ny fas ges. Egenskaperna hos riktiga gaser och ?ngor, problem med strypning av riktiga gaser och ?ngor, processer som sker i ?nga och fuktig luft beaktas. Ganska detaljerat material om ?nga och kombinerade cykler f?r termiska kraftverk presenteras, s?tt att ?ka deras effektivitet ?verv?gs och en analys av cyklerna f?r ?ngturbin- och gasturbinanl?ggningar utf?rs, med h?nsyn till irreversibla f?rluster med hj?lp av entropi och exergetiska metoder . Fr?gor om direkt omvandling av v?rme till elektrisk energi presenteras i en sammanfattande form p? basis av f?renklade termiska diagram utan att ta h?nsyn till plasmans tillst?nd och processerna i det. Grunderna i en termoelektrisk generator ges. Idealiska cykler f?r kylmaskiner, v?rmepumpar och metoder f?r kondensering av gas ?verv?gs. Avsnittet "Grundl?ggande av kemisk termodynamik" anger lagar och f?rordningar som r?r processerna f?r omvandling av vissa ?mnen till andra. De grundl?ggande begreppen f?r icke-j?mviktstermodynamik ges. Bilaga I tillhandah?ller datorber?kningsprogram f?r en gasturbinenhet med v?rme?tervinning och en ?ngturbinenhet med optimering av arbetsv?tskeparametrarna med hj?lp av exemplet med ett geotermiskt kraftverk. En referenslista tillhandah?lls f?r en mer detaljerad studie av termodynamikens utvecklings lagar, metoder och historia.

Den andra delen av kursen inneh?ller de grundl?ggande lagarna och principerna f?r teorin om v?rme- och mass?verf?ring i naturen och inkluderar s?dana avsnitt som station?r och icke-station?r v?rmeledningsf?rm?ga, konvektiv v?rme?verf?ring i homogena medier, v?rme?verf?ring n?r det aggregerade tillst?ndet av en ?mnesf?r?ndringar, mass?verf?ring i tv?komponentsmedia, str?lningsv?rme?verf?ring, grunderna f?r ber?kning av v?rmev?xlare rekuperativ typ.

Huvudfenomenen v?rme- och mass?verf?ring som f?rekommer i naturen unders?ks tillr?ckligt detaljerat utifr?n f?renklade fysikaliska modeller och ber?kningsformler erh?lls. Detta akademiska f?rh?llningss?tt bidrar enligt v?r mening till utvecklingen av kreativt t?nkande hos eleven: han ser hur en fysisk modell skapas, hur den f?renklas genom att inf?ra rimliga antaganden f?r att f? en analytisk l?sning.

Eftersom det f?r n?rvarande ?r sv?rt att f?rest?lla sig att l?sa vetenskapliga och tekniska problem utan datoranv?ndning, visar avsnittet ”Numeriska metoder f?r att l?sa v?rmeledningsproblem” hur ekvationer skapas i ?ndlig differensform f?r olika ”noder” i den kropp som studeras. . Fr?gorna om stabilitet i skillnadsscheman beaktas. Appendix II tillhandah?ller program f?r att ber?kna ett tv?dimensionellt temperaturf?lt med iterativa och matrismetoder, samt texten till programmet f?r ber?kning av en v?rmev?xlare f?r att utf?ra kursuppgifter om metoden.

Referenslistan som ges i slutet av f?rel?sningarna g?r det m?jligt f?r studenten att f?rdjupa sig i de fr?gor som intresserar honom, vilka i vissa fall presenteras i sammanfattande form.

Del I. Teknisk termodynamik

1. Termodynamikens grundl?ggande begrepp

Termodynamik ?r en vetenskap som studerar lagarna f?r energiomvandling i olika processer ?tf?ljda av termiska effekter. Termodynamik ?r en deduktiv vetenskap: den ?r baserad p? naturens grundl?ggande lagar (termodynamikens f?rsta och andra principer) och ?r fenomenologisk till sin natur och bygger p? experimentella data f?r sin forskning.

Kort historisk skiss ?ver termodynamikens utveckling

Termodynamiken som vetenskap uppstod i b?rjan av 1800-talet. De huvudsakliga uppgifterna som det var tvunget att l?sa var att etablera ett kvantitativt samband mellan v?rme och arbete och ?ka den termiska effektiviteten hos ?ngmaskiner, som blev allm?nt anv?nda inom industrin. ?r 1824 publicerade den franske ingenj?ren Sadi Carnot en avhandling "Reflektioner om eldens drivkraft och maskiner som kan utveckla denna kraft"?11?. I detta vetenskapliga arbete bevisar han f?r f?rsta g?ngen att "brandens drivkraft" (arbete) beror p? temperaturen hos de "heta" och "kalla" v?rmek?llorna, och att h?gtrycks?ngmaskiner ?r mer effektiva, i vilket, enligt honom, "... en st?rre minskning av "kalori" (kalori f?rstods betyda hela den penetrerande substansen)." Redan d? skriver han om orsakerna till f?rlusten av drivkraft: "... fr?n det v?rdel?sa ?terst?llandet av kalorij?mvikt." S?ledes lade Carnots arbete de grundl?ggande principerna f?r termodynamikens f?rsta och andra lag.

?r 1842 etablerade Robert Mayer sambandet mellan v?rme och arbete, och best?mde den mekaniska motsvarigheten till v?rme 1843, efter att ha genomf?rt ett unikt experiment, fann han den termiska motsvarigheten till arbete. vars v?rde f?rblir praktiskt taget of?r?ndrat till denna dag. Mayers och Joules verk etablerar ett specialfall av termodynamikens f?rsta lag - lagen som ?terspeglar den kvantitativa sidan av bevarande och omvandling av energi.

Rudolf Clausius inf?rde 1854, med tanke p? en reversibel cirkul?r process, en ny tillst?ndsfunktion i termodynamiken - entropi S och etablerar d?rmed termodynamikens andra lag f?r reversibla processer Senare visar Max Planck i sin doktorsavhandling att entropi kan anv?ndas i analysen av irreversibla processer (som Robert Kirchhoff inte h?ll med om)?14?. I det allm?nna fallet har den andra principen formen och k?nnetecknar den kvalitativa sidan i energiomvandlingsprocesserna.

William Thomson (Lord Kelvin) introducerar begreppet absolut (termodynamisk) temperatur, som ?r den termodynamiska potentialen.

Josiah Willard Gibbs skapar en ny metod f?r termodynamisk forskning - metoden f?r termodynamiska potentialer, etablerar villkoren f?r termodynamisk j?mvikt. Utvecklar teorin om fas?verg?ngar (Gibbs fasregel).

?r 1906 uppt?ckte Walter Hermann Nernst (1864-1941), baserat p? experimentella data, termodynamikens tredje lag (Nernsts teorem). Enligt denna teorem, vid temperaturer som tenderar till absoluta noll, sker isotermiska j?mviktsprocesser utan en ?ndring i entropin, dvs. . I detta fall upph?r entropin att vara en funktion av tillst?ndet och tenderar till n?got konstant v?rde som inte beror p? tillst?ndets parametrar.

I verk av D.I. Mendeleev anv?nds den "kritiska temperaturen" f?r f?rsta g?ngen, vid vilken ytsp?nningskoefficienten ?r noll.

V.A. Mikhelson och B.B. Golitsyn gav betydande bidrag till str?lningens termodynamik.

Ryska forskare gjorde ocks? ett stort bidrag till utvecklingen av termodynamiken: D.P. Konovalov och N.S. Kurnakov (termodynamiska metoder i fysikalisk kemi), N.N. Bogolyubov och M.A. Leontovich (statistisk termodynamik, icke-j?mviktstillst?nd), L.D. Landau (superfluiditetsteori), V.K. Semenchenko (termodynamisk teori om l?sningar).

Termodynamiskt system

Ett termodynamiskt system f?rst?s som en upps?ttning makrokroppar som befinner sig i termisk och mekanisk interaktion mellan sig sj?lva och omgivningen. Ett termodynamiskt system (TS) kan vara st?ngt (med r?rliga eller fasta gr?nser) och ?ppet n?r ett massfl?de passerar genom det.

Om fordonet inte byter v?rme med omgivningen, kallas ett s?dant system adiabatiskt. TS kan vara homogen och heterogen. I ett homogent system f?rblir materiens egenskaper of?r?ndrade p? alla punkter eller ?ndras smidigt, till exempel inom gravitationsf?ltet eller andra masskrafter. Om ett fordon best?r av delsystem med olika fysikaliska egenskaper, s? kallas ett s?dant system heterogent.

I det h?r fallet tror man att de fysiska egenskaperna vid gr?nsen f?r delsystemen f?r?ndras abrupt. I verkligheten sker f?r?ndringen i egenskaper vid den genomsnittliga fria v?gen f?r molekylen.

Termodynamisk forskningsmetod

Upps?ttningen av successiva tillst?nd som passerar genom ett termodynamiskt system kallas en termodynamisk process. Om fordonet passerar genom n?stan j?mviktstillst?nd, kallas en s?dan process kvasistatisk. I gr?nsen, n?r processen fortskrider o?ndligt l?ngsamt, har vi en j?mvikts- eller reversibel process. I allm?nhet menar vi med reversibel en s?dan process n?r, n?r man utf?r en direkt och omv?nd process, fordonet ?terg?r till sitt ursprungliga tillst?nd och inga f?r?ndringar sker i milj?n. Endast kvasistatiska eller j?mviktsprocesser kan avbildas i fasdiagram. En kvasi-statisk process f?rst?s som en process n?r processhastigheten ?r mycket mindre ?n relaxationshastigheten

D?r a- valfri termodynamisk parameter ( sid, T, v) ;? - tid; - relaxationstid - den tid under vilken termodynamisk j?mvikt etableras vid alla punkter i fordonet, det vill s?ga vi kommer att ha samma fysikaliska egenskaper (f?r gaser?sekunder).

Parametrar f?r det termodynamiska systemet

Dessa ?r makrokvantiteter som k?nnetecknar det fysiska tillst?ndet hos ett termodynamiskt system. Dessa inkluderar temperatur T, tryck - sid, volym - V(termiska parametrar).

Temperatur?r en av de viktigaste termiska parametrarna. Temperatur ?r ett m?tt p? kroppens v?rme. Kroppstemperatur m?tt med en termometer kallas empirisk ( t). Till begreppet absolut temperatur ( T) ges av den kinetiska teorin f?r gaser.

(1.2)

D?r Det finns ett samband mellan den genomsnittliga kinetiska energin av translationell r?relse av molekyler och temperatur m
- molekylmassa; - genomsnittlig hastighet av translationell r?relse av molekyler;= 1,38 k ?10 - 23 - Boltzmann konstant (universell gaskonstant per gasmolekyl); R 0 = 8314 - universell gaskonstant; N T 0 = 6,0228?10 26 - Avogadros antal (antal molekyler i en kilomol). Av (1.2) f?ljer att

(1.3)

?r en statistisk storhet som k?nnetecknar tillst?ndet f?r ett stort antal molekyler. Det finns ett samband mellan absolut och empirisk temperatur m?tt i grader Celsius Tryck

, liksom temperatur, ?r en statistisk storhet. Fr?n molekylfysikens g?ng ?r det k?nt att gastrycket p? v?ggarna i ett k?rl kan ber?knas med formeln

D?r H/m 2 (1,4) =0 = 8314 - universell gaskonstant; 0 /V n

V? ?r antalet molekyler som ing?r i en volym p? en kilomol; sid ? = 22,4 m 3 / kmol - volym av en kilomol under normala f?rh?llanden ( n t ? = 22,4 m 3 / kmol - volym av en kilomol under normala f?rh?llanden (= 760 mm. rt. Konst. = 1,013?10 5 Pa,

= 0 C) ;? - kompressibilitetskoefficient.

. (1.5)

F?r en idealgas, vars molekyler representeras som materialpunkter med massa och ingen volym, och interaktionen utf?rs endast p? grund av elastiska kollisioner (? = 1), kan vi skriva

pV ? =?10 - 23 - Boltzmann konstant (universell gaskonstant per gasmolekyl); 0 T. (1.6)

Uttryck (1.6) ?r den termiska tillst?ndsekvationen f?r en idealgas f?r en kilomol. F?r M kilomol

pV = HERR. 0 T. (1.7)

Tillst?ndsekvationen i formen (1.7) kallas Clapeyron-Mendeleev.

Eftersom massan av gas

G=M? , (1.8)

D?r ? ?r gasens molekylvikt, kg/kmol, och ?10 - 23 - Boltzmann konstant (universell gaskonstant per gasmolekyl); = ?10 - 23 - Boltzmann konstant (universell gaskonstant per gasmolekyl); 0 / ? , sedan kan (1.7) skrivas om i Clapeyron-form

pV = BRT. (1.9)

Om vi dividerar ekvation (1.9) med gasmassan f?r vi

pv = RT,

D?r v = V/ G- specifik volym gas, m 3 /kg. Den specifika volymen av gas ?r relaterad till densiteten genom f?rh?llandet ? = 1/ v, Sedan

sid = ? RT. (1.10)

Ju h?gre densiteten och temperaturen hos en idealgas, desto h?gre blir allts? trycket. Trycket som ing?r i tillst?ndsekvationen kallas absolut och m?ts i Pascal (Pa=N/m2). Om gastrycket i k?rlet ?r h?gre ?n det omgivande trycket r OS

(barometertryck), sedan absolut tryck p=p man+ sid , (1.11)

D?r Trycket som ing?r i tillst?ndsekvationen kallas absolut och m?ts i Pascal (Pa=N/m2). Om gastrycket i k?rlet ?r h?gre ?n det omgivande trycket p=p OS=p - hydda

tryck m?tt med en tryckm?tare (en tryckm?tare m?ter ?vertrycket mellan trycket i k?rlet och omgivningen).

(barometertryck), sedan absolut tryck+ sid Om gastrycket i k?rlet ?r l?gre ?n omgivningstrycket anv?nds en vakuumm?tare, d?- sid

vakuum.

(1,12) Ovanst?ende kan presenteras grafiskt (se fig. 1.1). Specifik volym liksom Trycket som ing?r i tillst?ndsekvationen kallas absolut och m?ts i Pascal (Pa=N/m2). Om gastrycket i k?rlet ?r h?gre ?n det omgivande trycket, T

(1.13)

Och k?nnetecknar kroppens fysiska tillst?nd, Termodynamiska parametrar (TP) kan vara omfattande eller intensiva. Omfattande parametrar inkluderar gasens inre energi U = k?nnetecknar kroppens fysiska tillst?nd + pV, entalpi S. jag sid, T, entropi v - Dessa parametrar har additivitetsegenskaper (de kan l?ggas till). De intensiva parametrarna ?r

Termodynamik (grekiska thermi - "v?rme", dynamis - "kraft") ?r en gren av fysiken som studerar de mest allm?nna egenskaperna hos makroskopiska system och metoder f?r ?verf?ring och omvandling av energi i s?dana system.

Inom termodynamiken studeras tillst?nd och processer, f?r att beskriva vilka begreppet temperatur som kan introduceras. Termodynamik (T.) ?r en fenomenologisk vetenskap baserad p? generaliseringar av experimentella fakta. De processer som sker i termodynamiska system beskrivs av makroskopiska storheter (temperatur, tryck, koncentrationer av komponenter), som introduceras f?r att beskriva system som best?r av ett stort antal partiklar och inte ?r till?mpliga p? enskilda molekyler och atomer, till skillnad fr?n t.ex. kvantiteter som introduceras i mekanik eller elektrodynamik.

Modern fenomenologisk termodynamik ?r en rigor?s teori utvecklad p? basis av flera postulat. Men kopplingen mellan dessa postulat med egenskaperna och lagarna f?r interaktion mellan partiklar som termodynamiska system ?r uppbyggda av ges av statistisk fysik. Statistisk fysik g?r det ocks? m?jligt att klarg?ra gr?nserna f?r termodynamikens till?mplighet.

Termodynamikens lagar ?r generella till sin natur och beror inte p? specifika detaljer i materiens struktur p? atomniv?. D?rf?r till?mpas termodynamik framg?ngsrikt i ett brett spektrum av vetenskapliga och tekniska fr?gor, s?som energi, v?rmeteknik, fas?verg?ngar, kemiska reaktioner, transportfenomen och till och med svarta h?l. Termodynamik ?r viktig f?r en m?ngd olika omr?den inom fysik och kemi, kemisk teknik, rymdteknik, maskinteknik, cellbiologi, biomedicinsk teknik, materialvetenskap och finner till och med sin till?mpning inom omr?den som ekonomi.

Viktiga ?r i termodynamikens historia

• Ursprunget till termodynamiken som vetenskap ?r f?rknippat med namnet G. Galilei, som introducerade begreppet temperatur och designade den f?rsta enheten som svarade p? f?r?ndringar i omgivningstemperaturen (1597).
• Snart skapade G. D. Fahrenheit (1714), R. Reaumur (1730) och A. Celsius (1742) temperaturskalor i enlighet med denna princip.
• J. Black introducerade redan 1757 begreppen latent sm?ltv?rme och v?rmekapacitet (1770). Och Wilcke (J. Wilcke, 1772) introducerade definitionen av kalori som m?ngden v?rme som kr?vs f?r att v?rma 1 g vatten med 1 °C.
• Lavoisier (A. Lavoisier) och Laplace (P. Laplace) designade 1780 en kalorimeter (se Kalorimetri) och best?mde f?r f?rsta g?ngen experimentellt specifikationen. v?rmekapacitet hos ett antal ?mnen.
• ?r 1824 publicerade S. Carnot (N. L, S. Carnot) ett arbete som ?gnas ?t studier av principerna f?r drift av v?rmemotorer.
• B. Clapeyron introducerade en grafisk representation av termodynamiska processer och utvecklade metoden f?r infinitesimala cykler (1834).
• G. Helmholtz noterade den universella karakt?ren av lagen om energibevarande (1847). D?refter utvecklade R. Clausius och W. Thomson (Kelvin; W. Thomson) systematiskt termodynamikens teoretiska apparat, som bygger p? termodynamikens f?rsta lag och termodynamikens andra lag.
• Utvecklingen av den 2:a principen ledde Clausius till definitionen av entropi (1854) och formuleringen av lagen om ?kande entropi (1865).
• Med b?rjan i arbetet av J. W. Gibbs (1873), som f?reslog metoden f?r termodynamiska potentialer, har teorin om termodynamisk j?mvikt utvecklats.
• I 2:a halvlek. 1800-talet studier av verkliga gaser genomf?rdes. En speciell roll spelades av experimenten fr?n T. Andrews, som f?rst uppt?ckte den kritiska punkten i v?tske-?ngsystemet (1861), dess existens f?rutsp?ddes av D. I. Mendeleev (1860).
• I slutet av 1800-talet. stora framsteg gjordes f?r att uppn? l?ga temperaturer, som ett resultat av vilka O2, N2 och H2 kondenserades.
• 1902 publicerade Gibbs ett verk d?r alla grundl?ggande termodynamiska relationer erh?lls inom ramen f?r statistisk fysik.
• Sambandet mellan kinetik kroppens egenskaper och dess termodynamiska. egenskaper fastst?lldes av L. Onsager (L. Onsager, 1931).
• P? 1900-talet intensivt studerat termodynamiken hos fasta ?mnen, s?v?l som kvantv?tskor och flytande kristaller, i vilka olika fas?verg?ngar ?ger rum.
• L. D. Landau (1935-37) utvecklade en allm?n teori om fas?verg?ngar baserad p? konceptet spontant symmetribrott.

Delar av termodynamiken

Modern fenomenologisk termodynamik brukar delas in i j?mvikts- (eller klassisk) termodynamik, som studerar termodynamiska j?mviktssystem och processer i s?dana system, och icke-j?mvikts-termodynamik, som studerar icke-j?mviktsprocesser i system d?r avvikelsen fr?n termodynamisk j?mvikt ?r relativt liten och fortfarande till?ter termodynamisk beskrivning.

J?mvikts- (eller klassisk) termodynamik

I j?mviktstermodynamik introduceras variabler som intern energi, temperatur, entropi och kemisk potential. Alla kallas termodynamiska parametrar (kvantiteter). Klassisk termodynamik studerar relationerna mellan termodynamiska parametrar med varandra och med fysikaliska storheter som tas i beaktande i andra grenar av fysiken, till exempel med gravitations- eller elektromagnetiska f?lt som verkar p? systemet. Kemiska reaktioner och fas?verg?ngar ing?r ocks? i studiet av klassisk termodynamik. Studiet av termodynamiska system d?r kemiska omvandlingar spelar en betydande roll ?r dock ?mnet f?r kemisk termodynamik, och termisk teknik handlar om tekniska till?mpningar.

Klassisk termodynamik inkluderar f?ljande avsnitt:

• termodynamikens principer (ibland ?ven kallade lagar eller axiom)
• tillst?ndsekvationer och egenskaper hos enkla termodynamiska system (idealgas, riktig gas, dielektrikum och magneter, etc.)
• j?mviktsprocesser med enkla system, termodynamiska cykler
• icke-j?mviktsprocesser och lagen om icke-minskande entropi
• termodynamiska faser och fas?verg?ngar

Dessutom inkluderar modern termodynamik ocks? f?ljande omr?den:

• en rigor?s matematisk formulering av termodynamik baserad p? konvex analys
• icke omfattande termodynamik

I system som inte befinner sig i ett tillst?nd av termodynamisk j?mvikt, till exempel i en gas i r?relse, kan den lokala j?mviktsapproximationen anv?ndas, d?r det antas att de termodynamiska j?mviktsf?rh?llandena uppfylls lokalt vid varje punkt i systemet.

Termodynamik utan j?mvikt

I termodynamik utan j?mvikt betraktas variabler som lokala inte bara i rymden utan ocks? i tiden, det vill s?ga tiden kan explicit ange sina formler. L?t oss notera att Fouriers klassiska verk "Analytical Theory of Heat" (1822), ?gnat ?t fr?gorna om v?rmeledningsf?rm?ga, var f?re inte bara uppkomsten av icke-j?mviktstermodynamik, utan ocks? Carnots verk "Reflections on the driving force of fire and on maskiner som kan utveckla denna kraft” (1824), vilket allm?nt anses vara en utg?ngspunkt i den klassiska termodynamikens historia.

Grundl?ggande begrepp inom termodynamiken

Termodynamiskt system- en kropp eller grupp av kroppar som interagerar, mentalt eller faktiskt isolerade fr?n omgivningen.

Homogent system– ett system inom vilket det inte finns n?gra ytor som skiljer delar av systemet (faser) som skiljer sig ?t i egenskaper.

Heterogena system- ett system inom vilket det finns ytor som skiljer delar av systemet ?t som skiljer sig ?t i egenskaper.

Fas– En upps?ttning homogena delar av ett heterogent system, identiska i fysikaliska och kemiska egenskaper, ?tskilda fr?n andra delar av systemet genom synliga gr?nssnitt.

Isolerad system- ett system som inte byter vare sig materia eller energi med milj?n.

St?ngd system- ett system som byter energi med milj?n, men som inte byter materia.

?ppna system- ett system som utbyter b?de materia och energi med milj?n.

Helheten av alla fysikaliska och kemiska egenskaper hos ett system k?nnetecknar det termodynamiskt tillst?nd. Alla kvantiteter som k?nnetecknar n?gon makroskopisk egenskap hos systemet i fr?ga ?r statusparametrar. Det har experimentellt fastst?llts att f?r att entydigt karakterisera ett givet system ?r det n?dv?ndigt att anv?nda ett visst antal parametrar som kallas oberoende; alla andra parametrar betraktas som funktioner av oberoende parametrar. Parametrar som kan m?tas direkt, s?som temperatur, tryck, koncentration etc., v?ljs vanligtvis som oberoende tillst?ndsparametrar. Varje f?r?ndring i det termodynamiska tillst?ndet f?r ett system (?ndring i minst en tillst?ndsparameter) ?r termodynamisk process.

Reversibel process- en process som g?r att systemet kan ?terg? till sitt ursprungliga tillst?nd utan att n?gra f?r?ndringar kvarst?r i milj?n.

J?mviktsprocess– en process d?r ett system passerar genom en kontinuerlig serie av j?mviktstillst?nd.

Energi– ett m?tt p? systemets f?rm?ga att utf?ra arbete; ett allm?nt kvalitativt m?tt p? materiens r?relse och interaktion. Energi ?r en integrerad egenskap hos materia. Man skiljer mellan potentiell energi, orsakad av en kropps position i ett f?lt av vissa krafter, och kinetisk energi, orsakad av en f?r?ndring av kroppens position i rymden.

Systemets inre energi– summan av den kinetiska och potentiella energin f?r alla partiklar som utg?r systemet. Du kan ocks? definiera den inre energin i ett system som dess totala energi minus den kinetiska och potentiella energin i systemet som helhet.

Former av energiomst?llning

Former av energi?verf?ring fr?n ett system till ett annat kan delas in i tv? grupper.

1. Den f?rsta gruppen inkluderar endast en form av ?verg?ng av r?relse genom kaotiska kollisioner av molekyler fr?n tv? kontaktande kroppar, dvs. genom v?rmeledning (och samtidigt genom str?lning). M?ttet p? r?relsen som ?verf?rs p? detta s?tt ?r v?rme. V?rme ?r en form av energi?verf?ring genom oregelbundna r?relser av molekyler.
2. Den andra gruppen inkluderar olika former av r?relse?verg?ngar, vars gemensamma s?rdrag ?r r?relsen av massor som t?cker ett mycket stort antal molekyler (d.v.s. makroskopiska massor) under p?verkan av n?gra krafter. Dessa ?r lyft av kroppar i ett gravitationsf?lt, ?verg?ngen av en viss m?ngd elektricitet fr?n en h?gre elektrostatisk potential till en mindre, expansionen av en gas under tryck, etc. Det allm?nna m?ttet p? r?relse som ?verf?rs med s?dana metoder ?r arbete - en form av energi?verf?ring genom ordnad r?relse av partiklar.

V?rme och arbete k?nnetecknar kvalitativt och kvantitativt tv? olika former av r?relse?verf?ring fr?n en given del av den materiella v?rlden till en annan. V?rme och arbete kan inte h?llas inne i kroppen. V?rme och arbete uppst?r f?rst n?r en process intr?ffar, och k?nnetecknar endast processen. Under statiska f?rh?llanden existerar inte v?rme och arbete. Skillnaden mellan v?rme och arbete, accepterad av termodynamiken som utg?ngspunkt, och v?rmens motst?nd mot arbete ?r meningsfull endast f?r kroppar som best?r av m?nga molekyler, eftersom f?r en molekyl eller f?r en samling av f? molekyler f?rlorar begreppen v?rme och arbete sin betydelse. D?rf?r betraktar termodynamiken endast kroppar som best?r av ett stort antal molekyler, d.v.s. s? kallade makroskopiska system.

Tre principer f?r termodynamiken

Termodynamikens principer ?r en upps?ttning postulat som ligger bakom termodynamiken. Dessa best?mmelser uppr?ttades som ett resultat av vetenskaplig forskning och bevisades experimentellt. De accepteras som postulat s? att termodynamiken kan konstrueras axiomatiskt.

Behovet av termodynamikens principer beror p? att termodynamiken beskriver systemens makroskopiska parametrar utan specifika antaganden om deras mikroskopiska struktur. Statistisk fysik behandlar fr?gor om inre struktur.

Termodynamikens principer ?r oberoende, det vill s?ga ingen av dem kan h?rledas fr?n de andra principerna. Analoger till Newtons tre lagar inom mekanik ?r de tre principerna inom termodynamiken, som f?rbinder begreppen "v?rme" och "arbete":

• Termodynamikens nolllag talar om termodynamisk j?mvikt.
• Termodynamikens f?rsta lag handlar om bevarandet av energi.
• Termodynamikens andra lag handlar om v?rmefl?den.
• Termodynamikens tredje lag handlar om det absoluta nollans ouppn?elighet.

Termodynamikens allm?nna (noll)lag

Termodynamikens allm?nna (noll)lag s?ger att tv? kroppar befinner sig i ett tillst?nd av termisk j?mvikt om de kan ?verf?ra v?rme till varandra, men detta h?nder inte.

Det ?r inte sv?rt att gissa att tv? kroppar inte ?verf?r v?rme till varandra om deras temperaturer ?r lika. Till exempel, om du m?ter temperaturen p? en m?nniskokropp med en termometer (i slutet av m?tningen kommer temperaturen p? personen och temperaturen p? termometern att vara lika), och sedan, med samma termometer, m?t temperaturen av vattnet i badrummet, och det visar sig att b?da temperaturerna sammanfaller (det finns termisk j?mvikt mellan personen och termometern och en termometer med vatten), kan vi s?ga att en person ?r i termisk j?mvikt med vattnet i badet.

Fr?n ovanst?ende kan vi formulera termodynamikens nolllag enligt f?ljande: tv? kroppar som ?r i termisk j?mvikt med en tredje ?r ocks? i termisk j?mvikt med varandra.

Ur en fysisk synvinkel s?tter termodynamikens nolllag referenspunkten, eftersom det inte finns n?got v?rmefl?de mellan tv? kroppar som har samma temperatur. Med andra ord kan vi s?ga att temperaturen inte ?r n?got annat ?n en indikator p? termisk j?mvikt.

Termodynamikens f?rsta lag

Termodynamikens f?rsta lag ?r lagen om bevarande av termisk energi, som s?ger att energi inte f?rsvinner utan att l?mna ett sp?r.

Systemet kan antingen absorbera eller frig?ra termisk energi Q, medan systemet utf?r arbete W p? de omgivande kropparna (eller de omgivande kropparna utf?r arbete p? systemet), och den inre energin i systemet, som hade initialv?rdet Uninit, blir lika med Uend:

Uend-Ustart = DU = Q-W

Termisk energi, arbete och intern energi best?mmer systemets totala energi, vilket ?r ett konstant v?rde. Om en viss m?ngd v?rmeenergi Q ?verf?rs till (tas bort) fr?n systemet, i fr?nvaro av arbete, kommer m?ngden intern energi i systemet U att ?ka (minska) med Q.

Termodynamikens andra lag

Termodynamikens andra lag s?ger att termisk energi bara kan r?ra sig i en riktning - fr?n en kropp med h?gre temperatur till en kropp med l?gre temperatur, men inte vice versa.

Termodynamikens tredje lag

Termodynamikens tredje lag s?ger att varje process som best?r av ett ?ndligt antal steg inte kommer att till?ta den att n? temperaturen p? den absoluta nollpunkten (?ven om den kan n?s avsev?rt).