Лекция на тему: Начала термодинамики

План.

1.  I-е начало термодинамики.

2.  Понятие энтропии. II-е начало термодинамики для равновесных систем.

3.  III-е начало термодинамики.

4.  II-е начало термодинамики для неравновесных систем. Энтропия неравновесных процессов.

            1. Как известно из курса общей физики, I–е начало термодинамики представляет собой наиболее общую форму закона сохранения и превращения энергии.

            Непосредственным следствием I–го начала является вывод об однозначности внутренней энергии  как функции термодинамического состояния. Предположим, что внутренняя энергия системы не является однозначной, т.е. при одном и том же полном наборе термодинамических параметров  имеются два значения энергии: (Ө,V,a,N) ≠ (Ө,V,a,N). В этом случае имелась бы возможность извлечь и использовать энергию

,

не изменяя термодинамического состояния системы и окружающих ее тел. Однако в этом случае нарушается I–е начало термодинамики.

 По этой причине I-е начало иногда формулируют как невозможность создания вечного двигателя 1–го рода, который совершал бы работу, не требуя никаких энергетических затрат.

 Однозначность внутренней энергии ε (Ө,V,a,N) позволяет рассматривать ее как некоторый термодинамический потенциал, поскольку ее изменения при переходе из состояния 1 в состояние 2 не зависит от процесса.

 Запишем I–е начало термодинамики для частного случая перехода термодинамической системы в некоторое состояние, близкое к исходному. Причем, параметры этих состояний отличаются на бесконечно малые величины. В этом случае I–е начало можно представить в виде большой энергии: бесконечно малые изменения внутренней энергии dε происходит за счет того. Что система поглощает количество тепла δQ, совершает работу δW и за счет изменения числа частиц на dN:

  (2.1)

Величина μ получила название химического потенциала и характеризует изменение внутренней энергии за счет добавления в систему одной частицы при отсутствии работы и потоков тепла:

 (2.2)

Заметим, что величина химического потенциала не тождественна удельной внутренней энергии ε = ε / N.

 Запишем далее I-е начало термодинамики для бесконечно малого изменения состояния системы. Будем предполагать, что внешнее поле а, в котором находится система, отсутствует или не изменяется. Тогда состояние системы описывается в переменных (Ө,V,N), которые наиболее часто используются в прикладных задачах. Учтем, что

. (2.3)

Кроме того,

 (2.4)

Соотношения (2.3) и (2.4) позволяют представить (2.1) в виде:

 (2.5)

Выражение (2.5) позволяет оценить тепловой(калорический) эффект термодинамического процесса и широко используется на практике. Однако пока его использование невозможно по той причине, что нам известны количественные значения только из давления (определяется из уравнения состояния p = p(Ө,υ) и теплоемкости

,

заданная из калорического уравнения состояния.

 В открытых системах (допускающих обмен веществом) первое начало термодинамики имеет несколько более сложный вид:

dε = δФ – δW + μdN (2.6)

Здесь δФ характеризует суммарный поток энергии, обусловленный не только теплопередачей но и переносом вещества.

            2. Второе начало термодинамики в формировке Рудольфа Клаузиуса (1865 г) гласит: Для любой равновесной (квазиравновесной) термодинамической системы существует однозначная функция термодинамического состояния , называемая энтропией. ............