Разработка методики изучения темы "Энтропия" с использованием информационных технологий
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
нтропию системы с помощью термодинамической вероятности.
Для разработки данной программы был выбран язык визуального программирования Delphi. Так как он наиболее удобен, для создания программ, которые будут работать в операционной среде Windows. Так же Delphi предусматривает широкие возможности визуального оформления программы.
1 Теоретические сведенья
.1 Второе начало термодинамики. Понятие энтропии
Первый закон термодинамики не позволяет предсказать направление самопроизвольного течения процесса. Так, самопроизвольный переход теплоты от холодного тела к горячему не противоречит первому закону. Первому закону не противоречат и такие процессы, как самопроизвольное разделение раствора на составляющие его компоненты, самопроизвольное разложение воды при комнатной температуре и др.
Второе начало термодинамики устанавливает критерии необратимости термодинамических процессов. Основное содержание второго начала термодинамики заключается в утверждении существования энтропии, и ее неубывания в изолированной системе.
Один из способов доказательства существования у изолированных термодинамических систем функции состояния - энтропии основан на рассмотрении работы тепловых машин и носит название метода Карно-Клаузиуса. Тепловая машина - это некоторое периодически действующее устройство, которое в круговом процессе (цикле) производит механическую работу за счет части тепла, отнятого у какого-либо тела. [4]
Рисунок 1 - Схема тепловой машины
Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины показывает, какая часть тепла , полученного в круговом процессе от нагревателя (тела с более высокой температурой), превращается в механическую работу. Наибольшим КПД обладает обратимая тепловая машина Карно, работающая по циклу Карно.
(1)
Где - теплота, полученная за цикл от тела с более высокой температурой (нагревателя),
- теплота, переданная телу с меньшей температурой (холодильнику),
- работа за цикл.
Из (1) следует:
Отношение называется приведенной теплотой. Сумма приведенных теплот в цикле Карно равна нулю. Аналогичный результат получается при рассмотрении цикла Карно с бесконечно малыми изотермами, для которого разность температур - конечная величина, а теплоты, полученные или отданные рабочим телом в цикле бесконечно малы:
(3)
энтропия модель компьютерный лабораторный физика
В пределе для произвольного обратимого цикла (обратимого кругового процесса) сумма приведенных теплот равна нулю ( выполняется равенство Клаузиуса)
1.2 Равенство Клаузиуса
Понятие термодинамической энтропии имеет ключевое значение для понимания основных положений термодинамики.
Рассмотрим обратимый процесс по пути 1а2 и 2б1.
Рисунок 2 - Термодинамический цикл тепловой машины
Так как данный процесс является обратимым, то для него справедливо равенство Клаузиуса :
(4)
Разобьем этот интеграл на два: по пути 1а2 и 2б1
(5)
Поменяем пределы интегрирования второго интеграла
Или
Таким образом, сумма приведенных теплот при переходе из одного состояния в другое не зависит от формы (пути) перехода в случае обратимых процессов. Последнее утверждение носит название теоремы Клаузиуса.[10]
Из теоремы Клаузиуса следует, что приведенная теплота подобно энергии (потенциальной, внутренней) является функцией состояния (не зависит от пути перехода и зависит только от состояния системы). Независимость интеграла
(6)
от пути перехода означает, что этот интеграл выражает собой изменение некоторой функции состояния системы, которая и получила название энтропия (S). Изменение энтропии системы, очевидно, равно
(7)
Рассмотрим более подробно изменение энтропии в случае обратимых и необратимых процессов. [6]
1.3 Процессы в изолированных системах
Изолированные системы не обмениваются массой и энергией с окружающей средой. Из первого закона термодинамики и вытекающих из него закономерностей обмена энергией между телами при различных процессах нельзя сделать вывод о возможности и направлении протекания некоторого процесса в изолированной системе. Между тем реальные процессы протекают в определенном направлении и, как правило, не изменив условий, нельзя заставить процесс пойти в обратном направлении. Реальные процессы протекают с конечной скоростью и являются неравновесными процессами.
В результате течения таких процессов система приближается к равновесию. С наступлением равновесия процесс заканчивается. Очевидно, что все неравновесные процессы протекают в направлении достижения равновесия и протекают самопроизвольно (без воздействия внешней силы). Неравновесный процесс необратим. Второе начало термодинамики позволяет ввести в качестве критерия, позволяющего предсказать возможность самопроизвольного течения процесса в изолированной системе, изменение энтропии.[5]
В изолированных системах U=const, V=const;
= 0(8)
Следовательно:
) для необратимых, неравновесных процессов:
>; > ; > 0 ; >0 ; > 0
) для обратимых квазистатических процессов:
(9)
(10)