Характеристика термодинамики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

термодинамика экстенсивный интенсивный

Термодинамика -- раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а также теплотехника.

В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называются термодинамическими системами. В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами -- давление, температура, объём, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

В теоретической физике наряду с феноменологической термодинамикой, изучающей феноменологию тепловых процессов, выделяют термодинамику статистическую, которая была создана для механического обоснования термодинамики и была одним из первых разделов статистической физики.

Разделы термодинамики

Классическая термодинамика состоит из разделов:

Начала термодинамики (иногда также называемые законами).

§ Уравнения состояния и свойства простых термодинамических систем (идеальный газ, реальный газ, диэлектрики и магнетики и т. д.)

§ Равновесные процессы с простыми системами, термодинамические циклы.

§ Неравновесные процессы и закон не убывания энтропии.

§ Термодинамические фазы и фазовые переходы.

Кроме этого, современная термодинамика включает также следующие направления:

§ строгая математическая формулировка термодинамики на основе выпуклого анализа;

§ не экстенсивная термодинамика;

§ применение термодинамики к нестандартным системам.

Физический смысл термодинамики. Необходимость термодинамики

Термодинамика исторически возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы.

Однако в процессе своего развития термодинамика проникла во все разделы физики, где возможно ввести понятие «температура» и позволила теоретически предсказать многие явления задолго до появления строгой теории этих явлений.

Законы -- начала термодинамики

Термодинамика основывается на трёх законах -- началах, которые сформулированы на основе экспериментальных данных и поэтому могут быть приняты как постулаты.

1-й закон -- первое начало термодинамики. Представляет собой формулировку обобщённого закона сохранения энергии для термодинамических процессов. В наиболее простой форме его можно записать как ?Q = ?A + dU, где dU есть полный дифференциал внутренней энергии системы, а ?Q и ?A есть элементарное количество теплоты, переданное системе, и элементарная работа, совершенная системой соответственно. Нужно учитывать, что ?A и ?Q нельзя считать дифференциалами в обычном смысле этого понятия, поскольку эти величины существенно зависят от типа процесса, в результате которого состояние системы изменилось.

2-й закон -- второе начало термодинамики: Второй закон термодинамики исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Имеется несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок этого закона.

1 -- Постулат Клаузиуса. Процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе. Это явление называют рассеиванием или диссипацией энергии.

Приведем второе начало термодинамики в аксиоматической формулировке Рудольфа Юлиуса Клаузиуса (1865): Для любой квазиравновесной термодинамической системы существует однозначная функция термодинамического состояния S = S(T,x,N), называемая энтропией, такая, что ее полный дифференциал dS = ?Q / T. ^[1]

2 -- Постулат Кельвина. Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких-либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе.

3-й закон -- третье начало термодинамики: Теорема Нернста: Энтропия любой системы при абсолютном нуле температуры всегда может быть принята равной нулю.

Примечание -- нулевое начало термодинамики:

Для каждой изолированной термодинамической системы существует состояние термодинамического равновесия, которого она при фиксированных внешних условиях с течением времени самопроизвольно достигает.

Основные формулы термодинамики

Таблица. Условные обозначения

Таблица. Формулы термодинамики идеального газа

Выражение основных величин через термодинамические потенциалы

Все термодинамические потенциалы имеют свои канонические наборы переменных и используются для анализа процессов при соответствующих условиях. Так, для изотермических изохорических процессов (T,V = const) удобно использовать F(N,T,V), для изотермических изобарических (T,P = const) -- G(N,T,P), а для изолированных систем (U,V = const) -- S(N,U,V).

Термодинамический потенциал S(N,U,V) (энтропия)

-- независимые переменные;

;

;

;

;

.

Термодинамический потенциал F(N,T,V) (свободная энергия Гельмгольца)

-- независимые переменные;

;

;

;

;

;

.

Термодинамический потенциал G(N,T,P) (энергия Гиббса)

-- независимые переменные;

;

;

;

;

;

.

Термодинамический потенциал U(N,S,V) (внутренняя энергия)

-- независимые переменные;

;

;

;

;

;

.

Уравнение Гиббса, экстенсивность и уравнение Гиббса -- Дюгема

Выражение для полного дифференциала внутренней энергии называется уравнением Гиббса:

С использованием других термодинамических потенциалов уравнение Гиббса можно переписать в следующих эквивалентных формах:

Среди термодинамических величин выделяют экстенсивные (внутренняя энергия, энтропия, объём и др.) и интенсивные (давление, температура и др.) величины. Величина называется экстенсивной, если ее значение для системы, сложенной из нескольких частей, равно сумме значений этой величины для каждой части. Предположением об экстенсивности термодинамических величин, однако, можно пользоваться, если рассматриваемые системы достаточно большие и можно пренебречь различными краевыми эффектами при соединении нескольких систем, например, энергией поверхностного натяжения. Пусть U (экстенсивная величина) является однородной функцией первого порядка от своих экстенсивных аргументов (математическое выражение аксиомы экстенсивности): для любого ? > 0

Для любой дифференцируемой однородной функции первого порядка ?(x₁,...,x_n) выполняется теорема Эйлера:

Для энергии U(N,S,V) теорема Эйлера имеет вид:

Отсюда легко следует уравнение Гиббса -- Дюгема:

Это уравнение показывает, что между интенсивными переменными существует одна связь, являющаяся следствием предположения об аддитивности свойств системы. В частности, непосредственным следствием соотношений Гиббса-Дюгема является выражение для термодинамического потенциала Гиббса через химические потенциалы ?_i компонент смеси:

Термодинамика сплошных сред

Приведенные выше формулировки аксиом термодинамики и соотношения для термодинамических потенциалов имеют место для простых моделей (сред) -- для идеальных газов. Для более сложных моделей сред -- упругих твердых сред, вязкоупругих сред, пластических сред, вязких жидкостей, сред с электромагнитными свойствами и других, законы термодинамики имеют более сложную формулировку, а термодинамические потенциалы формулируются в обобщенном виде с использованием тензоров. В механике сплошной среды термодинамика рассматривается как ее составная часть, а аксиомы термодинамики включаются в общую систему аксиом.

Размещено на Allbest.ru