🗊 Законы термодинамики Первый закон термодинамики является, в сущности, законом сохранения энергии, распространенным на все ма

Законы термодинамики Первый закон термодинамики является, в сущности, законом сохранения энергии, распространенным на все макроскопические тела. Любая макроскопическая система характеризуется в состоянии равновесия набором макроскопических параметров, таких, например, как давление, температура, намагниченность и т.д. Задание этих параметров определяет в термодинамике состояние или макроскопическое состояние системы. Вопрос о том, какими именно параметрами должно описываться состояние каждой конкретной макроскопической системы, выходит за рамки термодинамики

Первый закон термодинамики постулирует существование внутренней энергии – некоторой функции состояния[1] , такой, что если к системе подводится тепло и над ней производится работа , то изменение внутренней энергии есть сумма подведенного тепла и совершенной работы: Первый закон термодинамики постулирует существование внутренней энергии – некоторой функции состояния[1] , такой, что если к системе подводится тепло и над ней производится работа , то изменение внутренней энергии есть сумма подведенного тепла и совершенной работы: . (2.21) При этом ни работа, ни количество теплоты сами по себе не являются функциями состояния, они определяются процессом, происходящим с системой. С точки зрения молекулярно-кинетических представлений, внутренняя энергия это механическая энергия, связанная с движением и взаимодействием атомов; равенство (2.21) можно рассматривать как обобщение (2.11) на все макроскопические системы.

Сообщение телу некоторого количества теплоты может привести к изменению его температуры. Пусть - количество теплоты, сообщенное телу в некотором процессе, а - изменение температуры тела в этом процессе. Величину Сообщение телу некоторого количества теплоты может привести к изменению его температуры. Пусть - количество теплоты, сообщенное телу в некотором процессе, а - изменение температуры тела в этом процессе. Величину , где - масса тела, называют удельной теплоемкостью тела, а величину где - количество вещества – молярной теплоемкостью.

Процесс прихода замкнутой термодинамической системы в состояние теплового равновесия характеризуется необратимостью – если система пришла в состояние равновесия, то в дальнейшем она неограниченно долго остается в этом состоянии и не может выйти из него самопроизвольно. Опыт показывает, что такая необратимость присуща не только всему процессу прихода в равновесие в целом, но и каждому его малому «шагу» в отдельности. Процесс прихода замкнутой термодинамической системы в состояние теплового равновесия характеризуется необратимостью – если система пришла в состояние равновесия, то в дальнейшем она неограниченно долго остается в этом состоянии и не может выйти из него самопроизвольно. Опыт показывает, что такая необратимость присуща не только всему процессу прихода в равновесие в целом, но и каждому его малому «шагу» в отдельности.

Если, например, привести два однородных тела с различной температурой в тепловой контакт, их температуры в конечном итоге станут одинаковыми, при этом на всех этапах установления теплового равновесия тепло всегда будет переходить от более нагретого тела к менее нагретому. В более сложной системе возможны процессы, при которых тепло переходит от менее нагретого тела к более нагретому, однако, такие процессы всегда сопровождаются другими, так, что любое внутреннее изменение в системе делает ее в целом «ближе» к состоянию равновесия Если, например, привести два однородных тела с различной температурой в тепловой контакт, их температуры в конечном итоге станут одинаковыми, при этом на всех этапах установления теплового равновесия тепло всегда будет переходить от более нагретого тела к менее нагретому. В более сложной системе возможны процессы, при которых тепло переходит от менее нагретого тела к более нагретому, однако, такие процессы всегда сопровождаются другими, так, что любое внутреннее изменение в системе делает ее в целом «ближе» к состоянию равновесия

Эту особенность тепловых процессов можно сформулировать в виде второго закона термодинамики: невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому. Такая формулировка второго закона термодинамики называется формулировкой Клаузиуса. Эту особенность тепловых процессов можно сформулировать в виде второго закона термодинамики: невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому. Такая формулировка второго закона термодинамики называется формулировкой Клаузиуса.

Можно предложить другую, эквивалентную формулировку второго закона, если заметить, что всегда существует возможность преобразовать в тепло любое количество механической работы, например, с помощью трения. Если бы были возможны процессы, единственным результатом которых был бы переход тепла в работу, то можно было бы использовать эту работу для нагревания более горячего тела. Значит, невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых было бы преобразование некоторого количества теплоты, полученного от тела в механическую работу. Эта формулировка называется формулировкой Кельвина. Можно предложить другую, эквивалентную формулировку второго закона, если заметить, что всегда существует возможность преобразовать в тепло любое количество механической работы, например, с помощью трения. Если бы были возможны процессы, единственным результатом которых был бы переход тепла в работу, то можно было бы использовать эту работу для нагревания более горячего тела. Значит, невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых было бы преобразование некоторого количества теплоты, полученного от тела в механическую работу. Эта формулировка называется формулировкой Кельвина.

Дальнейшие выводы из второго закона термодинамики удобнее всего получить с помощью метода, предложенного С. Карно, работы которого фактически и положили начало теоретической термодинамике. Карно рассматривал тепловые машины – устройства, которые преобразуют тепловую энергию в механическую работу Дальнейшие выводы из второго закона термодинамики удобнее всего получить с помощью метода, предложенного С. Карно, работы которого фактически и положили начало теоретической термодинамике. Карно рассматривал тепловые машины – устройства, которые преобразуют тепловую энергию в механическую работу

Схематически работу любой тепловой машины можно представить так. Тепловая машина обязательно имеет в своем составе рабочее тело или рабочее вещество – макроскопическое тело, которое и совершает механическую работу (рис.17). Рабочее тело совершает в ходе работы машины цикл или циклический процесс – процесс, при котором конечное состояние совпадает с начальным. Схематически работу любой тепловой машины можно представить так. Тепловая машина обязательно имеет в своем составе рабочее тело или рабочее вещество – макроскопическое тело, которое и совершает механическую работу (рис.17). Рабочее тело совершает в ходе работы машины цикл или циклический процесс – процесс, при котором конечное состояние совпадает с начальным.

Поскольку внутренняя энергия рабочего тела после совершения им цикла не изменяется, работа в цикле может совершаться только за счет того, что рабочему телу передается некоторое количество теплоты от нагревателя – тела, имеющего постоянную температуру . Согласно второму закону термодинамики, невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование теплоты целиком в работу. Поэтому, некоторое количество теплоты должно передаваться при циклическом процессе холодильнику – телу, находящемуся при температуре , меньшей, чем Поскольку внутренняя энергия рабочего тела после совершения им цикла не изменяется, работа в цикле может совершаться только за счет того, что рабочему телу передается некоторое количество теплоты от нагревателя – тела, имеющего постоянную температуру . Согласно второму закону термодинамики, невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование теплоты целиком в работу. Поэтому, некоторое количество теплоты должно передаваться при циклическом процессе холодильнику – телу, находящемуся при температуре , меньшей, чем