| Главная » Статьи » Учебно-научные |
Баёв А.С.Предмет, объект и метод термодинамики
УДК 621. 43 (075)
А.С.Баев ПРЕДМЕТ, ОБЪЕКТ И МЕТОД ТЕРМОДИНАМИКИ Термодинамика\1 - это наука об энергии и закономерностях ее превращения. Энергия есть общая мера различных форм движения материи. Носителями энергии являются вещество и электромагнитное поле, представляющие собой два основных вида материи. Выделяется 15 различных форм материального движения, которые иначе еще называются видами энергии [1-2]. Наиболее используемыми являются термическая ( иначе тепловая) (около 70-75% от общего объема энергопотребления) и механическая (около 20-22%) энергии. Механическая энергия - это кинетическая энергия материальных тел и их отдельных элементов. Она является частью внешней энергии материальных тел, к которой также еще относится и потенциальная энергия силовых полей. Термическая энергия является частью внутренней энергии тел и представляет собой поступательную и вращательную энергии микроструктур вещества (молекул, электронов, ионов, атомов). Остальную часть внутренней энергии принято называть нетермической. Она складывается из силового взаимодействия молекул, энергии химических связей, внутриатомной и внутриядерной энергий. Термическая энергия является энергией с наиболее низким (иногда его называют нулевым ) уровнем организации движения - это абсолютно неупорядоченное хаотическое движение. Все другие виды энергии представляют собой упорядоченное в той или иной степени движение. Особенностью упорядоченного движения является то, что оно способно, в том числе, и самопроизвольно переходить в неупорядоченное движение. Обратный же переход самопроизвольно совершаться не может. Способность энергии переходить в другие виды энергии характеризует ее качество. С точки зрения качества наиболее ценными являются те движения, которые могут полностью переходить в другие формы движения. Неупорядоченное движение не обладает такой способностью и поэтому считается менее ценным видом энергии. Снижение качества энергии принято называть ее обесценением (или деградацией ). В реальных условиях естественным процессом является процесс деградации энергий и в конечном итоге переход их в термическую энергию, которая в дальнейшем рассеивается в окружающей среде. ________________ 1\ Слово термодинамика происходит от двух слов: thermo - теплота и dynamikos - силовая. Мерой рассеяния (диссипации) и обесценения энергии является энтропия (с греческого «эн» - в, а «тропе» - превращение). Чем больше ее изменение, тем значительнее рассеяние и обесценение энергии. Переходы от одной формы движения к другую и процессы изменения его свойств принято называть превращениями энергии. Все совершающиеся в материальном мире превращения энергии концептуально могут быть разделены на два рода: первый - это превращения, которые в конечном итоге приводят к изменению формы движений (вида энергии), и второй род - превращения, результатом которых является лишь изменение свойств того или иного вида энергии. Превращения первого рода можно именовать сложными превращениями или преобразованием энергии, а второго рода - простыми превращениями, распространением или передачей энергии. Предмет термодинамики главным образом сложные превращения энергии, которые сопровождаются тепловыми явлениями и совершаются в макросистемах, то есть в системах, состоящих из большого числа элементов (тел, микрочастиц и т.п.). Система, элементы которой являются объектом термодинамического исследования (анализа), принято называть термодинамической системой. Все элементы (тела), находящиеся вне границ термодинамической системы, обычно именуются внешней или окружающей средой. В общем случае термодинамическая система может обмениваться с внешней средой веществом и энергией. Система, которая не может обмениваться с внешней средой веществом, называется закрытой, а если энергией - то энергетически изолированной, или просто изолированной, системой. Если же система не может обмениваться с внешней средой только тепловой энергией, то она называется адиабатно изолированной, или просто адиабатной, системой. Для каждой термодинамической системы можно выделить два вида параметров, первые из которых характеризуют способность (потенциальную возможность) системы к тем или иным ее взаимодействиям с внешней средой, а изменение вторых - наличие и направленность этих взаимодействий. Первый вид параметров принято называть потенциалами или обобщенными силами, а второй - координатами, или обобщенными координатами, состояния. Так, потенциалом и координатой системы при ее взаимодействии с внешней средой в форме механического движения ( или иначе при механическом воздействии) соответственно являются абсолютное давление p и удельный объем v, а - в форме термического движения (тепловом воздействии) - абсолютная температура T и удельная энтропия s системы. Количественной мерой взаимодействий системы с внешней средой являются произведения потенциалов на изменение соответствующих координат, а именно: механического воздействия - работа l ¶l = p* dv, а теплового воздействия - теплота q ¶q = T*ds, где ¶l - удельное количество энергии элементарного механического воздействия (или иначе элементарная удельная работа); ¶q - удельное количество энергии элементарного термического воздействия (или иначе элементарная удельная теплота); p - абсолютное давление в системе - механический потенциал системы; T - абсолютная температура - тепловой потенциал системы; dv - изменение удельного объема системы; ds - изменение удельной энтропии системы. Неизменность тех или иных координат состояния свидетельствует об отсутствии соответствующих взаимодействий системы и внешней среды и наоборот. В частности, при dv = 0 отсутствует механическое воздействие, а при ds = 0 - тепловое. В противном случае при dv > 0 система, расширяясь, передает часть своей внутренней энергии внешней среде в форме работы (¶l>0), а при ds > 0 - получает энергию от внешней среды в форме теплоты (¶q>0). Обратные изменения координат будут свидетельствовать о противоположных воздействиях, а именно: dv < 0 - о сжатии системы под воздействием на нее внешней среды (¶l < 0), а ds < 0 - об отводе тепловой энергии от системы (¶q < 0 ). Потенциалы и координаты состояния системы называются ее термодинамическими параметрами. Совокупность последних однозначно характеризует состояние термодинамической системы. Состояние системы, при котором во всех ее точках наблюдаются одинаковые и неизменные по времени значения термодинамических параметров, называется равновесным. В противном случае состояние системы именуется неравновесным. Число состояний элементов системы (микросостояний), реализующих то или иное ее состояние (макросостояние) Л. Больцман назвал термодинамической вероятностью W и установил, что S = k*lnW, где S - энтропия термодинамической системы; k = 1,38*10-23 Дж/К - постоянная Больцмана. Следуя этой зависимости, можно сказать, что наименьшей ( в пределе нулевой ) энтропией обладает система, являющаяся носителем только упорядоченного движения, поскольку последнее всегда стремиться самопроизвольно перейти в термическое. В связи с этим упорядоченное движение можно считать движением с нулевой термодинамической вероятностью. Если же система является носителем и тепловой энергии, то ее энтропия отлична от нуля и тем больше, чем ближе ее состояние к состоянию полного рассеяния термической энергии. Очевидно, что состояние полного рассеяния тепловой энергии наступает при снижении температуры системы до значения температуры внешней среды. В этом случае наступает тепловое равновесие системы и среды. Состояние равенства значений всех соответствующих потенциалов системы и внешней среды называется термодинамическим равновесием системы и среды. В этом состоянии термодинамическая вероятность, а следовательно, и энтропия системы достигают максимума. Неравновесность же системы и среды обуславливает ее неизменное стремление к переходу в состояние с более низкими значениями потенциалов или, по Л. Больцману, «от состояния менее вероятного к состоянию более вероятному». Переход системы из одного состояния в другое и связанное с ним изменение хотя бы одного из термодинамических параметров называется термодинамическим процессом. Общепризнанным методом исследования термодинамических процессов является феноменологический\2 метод, который базируется на опыте и устанавливает связи между макроскопическими параметрами явлений, не рассматривая вопросы микроструктуры вещества (элементов). В основу термодинамики положен один из наиболее общих законов природы - закон сохранения и превращения энергии, который обычно формулируется в следующем виде: энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах. Применительно к термодинамике этот закон принято выражать в виде двух эмпирических законов (или, как иногда говорят, начал): первого и второго. Первый закон термодинамики характеризует количественную сторону превращения энергии, а второй - качественную ( причины и направленность энергопревращений). Термодинамические процессы разделяются на обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, при прямом и обратном ходе которого отсутствуют какие-либо изменения в термодинамической системе и внешней среде. В противном случае процесс является необратимым. Обратимость процесса обеспечивается, если он представляет собой последовательную смену равновесных состояний системы. Поэтому необходимым условием обратимости процессов является бесконечно малая разность потенциалов системы и внешней среды. В природе это условие практически никогда не соблюдается. Поэтому в наиболее общем виде второй закон термодинамики формулируется так: все естественные процессы необратимы. Необратимость процессов обуславливает появление вихревых движений, сопровождающихся трением, а следовательно, потерей и рассеянием энергии. В связи с этим изменение энтропии системы можно рассматривать как меру необратимости происходящих в ней процессов, а возрастание энтропии - перманентное (неизменное) свойство любой реальной системы, т.е. ________ 2/ Феномен с греческого - явление. ds=ådsi > 0, где s - удельная энтропия изолированной системы; si - удельная энтропия i -го тела системы. Последнее соотношение, обычно именуемое законом возрастания энтропии, является аналитической записью второго закона термодинамики. Оно действительно для любой изолированной термодинамической системы. Энтропия открытой системы, подвергающейся воздействиям различной природы (механическим, тепловым, электрическим и т.д.), может как возрастать, так и убывать, а изменение ее энергии согласно закону сохранения и превращения энергии равно de = ådej, гдe de - изменение удельной энергии термодинамической системы; dej - удельная энергия j- го элементарного воздействия на систему. Это равенство представляет собой математическую запись первого закона термодинамики и является действительным для любой термодинамической системы. Таким образом в нумерации законов термодинамики отражена не столько их значимость для термодинамических явлений, сколько их общность и исторический приоритет. Основы термодинамики были заложены в первой четверти XIX века в связи с развитием теплотехники и начинались с формулировки именно первого закона термодинамики. В настоящее время многие положения термодинамики нашли широкое применение в физике, химии, биологии и других науках. В частности, для анализа различных явлений природы и общества все шире используется энергоэнтропийный метод [2-3]. Библиографический список 1.Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергоиздат, 1983. 2.Алексеев Г.Н. Энергоэнтропика. М.: Знание, 1983. 3.Вильсон А.Д. Энтропийные методы моделирования сложных систем. М.: Наука, 1978. | |
| Просмотров: 602 | |
| Всего комментариев: 0 | |