Гази у зовнішньому силовому полі та основи термодинаміки
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
су із стану А1 і В /рис. 1б/ одержимо
,
для оборотного колового процесу А а В б А:
.
Можна показати, що для будь-якого оборотного циклу /процес, при якому система з початкового стану переходить в інший і знову повертається в попередній стан без змін не тільки в системі, а і в навколишньому середовищі/. Приведена теплота дорівнює нулю:
.
Це означає, що є повним диференціалом деякої оборотної функції:
Функція, диференціал якої дорівнює приведеній теплоті, називають ентропією системи - це однозначна функція, що характеризує стан системи. Якщо dQ>0, то і dS>0 - тіло нагрівається і його ентропія зростає, і навпаки.
Розглянемо важливіші властивості ентропії:
- Ентрорпія системи, що здійснює оборотний цикл, не змінюється:
; .
- Ентропія замкненої системи при будь-яких процесах в ній не зменшується DS 0. Знак рівності відноситься до оборотних, а знак нерівносі - до необоротних процесів.
Для приклада обчислимо зміну ентропії ідеального газу. За першим законом термодинаміки і тоді
,
де ,
а .
Враховуючи рівняння , одержимо:
,
і тоді
.
При переході із стану 1 в стан 2 зміна ентропії дорівнює:
.
Таким чином, зміна ентропії ідеального газу не залежить від виду процесу переходу 12, а залежить тільки від початкового /V1, Т1/ і кінцевого стану / V2, Т2/ газу.
Будь-яке макроскопічне тіло складається з великої кількості частинок, які рухаються і взаємодіють між собою. При нагріванні тіла і виконанні роботи рух частинок змінюється. Тому, другий закон термодинаміки є статистичним законом. Він виражає необхідні закономірності хаотичного руху великої кількості частинок, що входять до складу системи. Причому, стан системи характеризують термодинамічною імовірністю. Вона дорівнює числу мікро підрозділів частинок по координатам і швидкостям, якими можна здійснити такий макро підрозділ.
Між ентропією S і термодинамікою імовірністю /р/ існує звязок, який називають розподілом Больцмана
,
де k - стала Больцмана, Т - абсолютна температура. Суть звязку між ентропією і термодинамічною імовірністю полягає в тому, що чим більша імовірність стану, тим більша ентропія цього стану. Тобто ентропія - міра безладдя. З формули Больцмана випливає наступне статистичне тлумачення 1-го закону термодинаміки: всі процеси протікають так, що імовірність стану може тільки зростати /або залишатись сталою/. Наприклад: розширення газу в пустоту, дифузія газів. Всі реальні процеси необоротні, тому з формули Больцмана витікає: будь-який необоротний процес - це перехід системи від менш імовірного стану до більш імовірного.
Висновки
- Перший закон термодинаміки - це закон збереження енергії в теплових процесах:
- Напрямок протікання будь-якого процесу визначає другий закон термодинаміки: теплота не може сама собою переходити від тіла з нижчою температурою до тіла з вищою температурою.
- Теплова машина - це пристрій, який перетворює внутрішню енергію палива в механічну енергію. Максимальний ККД такої машини визначається температурою нагрівальника та холодильника
.
- Функція стану системи, крім внутрішньої енергії, є ентропія. Всі реальні процеси напрямлені у бік зростання ентропії.
Ентропія - це статистичне тлумачення другого закону термодинаміки.