Законы термодинамики

НУЛЕВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
Нулевое начало термодинамики сформулированное всего около 50 лет назад , по существу представляет собой полученное «задним числом» логическое оправдание для введения понятия температуры физических тел . Температура - одно из самых глубоких понятий термодинамики . Температура играет столь же важную роль в термодинамике , как , например процессы. Впервые центральное место в физике занял совершенно абстрактное понятие ; оно пришло на смену введенному еще во времена Ньютона ( 17 век) понятию силы - на первый взгляд более конкретному и «осязаемому» и к тому же успешно « математезированному» Ньютоном.

Первое закон термодинамики
Первый закон термодинамика – это закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления. Он показывает, от каких причин зависит изменение внутренней энергии. Этот великий закон прост: δU = A+Q
Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматривают работу А` системы над внешними телами. Учитываю, что А`= -А, первый закон термодинамики в в форме δU = A+Q можно переписать так: Q=δU+A`
Суть первого закона в утверждении: изменение так определенной энергии не зависит от процесса и определяется только начальным и конечным состояниями системы. Это означает, что внутренняя энергия – однозначная функция состояние системы и в замкнутой системе сохраняется.

Невозможность создания вечного двигателя
Задолго до открытия закона сохранения энергии Французская Академия наук приняла в 1775г. Решение не рассматривать проектов вечных двигателей первого рода.
Под вечным двигателем первого рода понимают устройство, которое могло бы совершать неограниченное количество работы без затраты топлива или каких-либо других материалов.
Вечные двигатели обычно конструируют на основе использования следующих приёмов или их комбинаций:
1) Подъем воды с помощью архимедова винта;
2) Подъем воды с помощью капилляров;
3) Использование колеса с неуравновешивающимися грузами;
4) Природные магниты;
5) Электромагнетизм;
6) Пар или сжатый воздух.

Применение I закона к изопроцессам
1) T=const – изотермический
δT=0
Q=A’
δU=0
2) P=const – изобарный
Q= δU+A
3) V=const - изохорный
δV=0
A=0 δU=Q
4)Q=const–адиабатный
δU=A
δ=-A`
Процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них – старение и смерть организмов.

Второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Он был установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.
Немецкий ученный Р. Клаузиус сформулировал этот закон так: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.
Другая формулировка принадлежит английскому ученому У. Кельвину: невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.
Согласно 2 началу все процессы природы идут в оду сторону, к увеличению беспорядка, уменьшению энергии, а при “полном беспорядке” – напишет Клаузиус – наступит всеобщая смерть – всякое движение прекратится. Это грустный прогноз вызвал бурю возражений.

И Людвиг Больцман выдвинул спасительную теорию, что Вселенную необходимо рассматривать в целом, поскольку процессы, происходящие в различных удаленных ее частях текут независимо друг от друга, а иногда и в разных направлениях. В одной части может происходить угасание, а в другой – всплеск, выделение энергии. Строгий анализ показывает, что II закон выполняется для замкнутых и равновесных систем. Вселенную нельзя рассматривать как равновесную систему, бурные процессы на близких и далеких звездах свидетельствуют о том, что до равновесного состояние им еще очень далеко, и третье начало постулирует, что никогда, ни при каких условиях не может быть достигнут абсолютный нуль температур, хотя близкое приближение к нему допустимо.

Второй закон термодинамики постулирует существование функции состояния , называемой «энтропией» ( что означает от греческого «эволюция» ) и обладающей следующими свойствами :
1) Энтропия системы является экстенсивным свойством . Если система состоит из нескольких частей , то полная энтропия системы равна сумме энтропии каждой части .
Изменение энтропии S состоит из двух частей . Обозначим через δS поток энтропии, обусловленный взаимодействием с окружающей средой , а через δS - часть энтропии , обусловленную изменениями внутри системы , имеем δS = δS1 + δS2
Приращение энтропии δS обусловленное изменением внутри системы, никогда не имеет отрицательное значение . Величина δS = 0 , только тогда , когда система претерпевает обратимые изменения , но она всегда положительна , если в системе идут такие же необратимые процессы.
Таким образом:
δS = 0 ( обратимые процессы );
δS > 0( необратимые процессы );
Для изолированной системы поток энтропии равен нулю и выражения обратимого процесса и необратимого процесса сводятся к следующему виду : δS1 = δS > 0 ( изолированная система ).

Третий закон термодинамики
Открытие третьего начала термодинамики связано с нахождением химического средства - величины , характеризующих способность различных веществ химически реагировать друг с другом. Эта величина определяется работой A химических сил при реакции . Первое и второе начало термодинамики позволяют вычислить химическое средство W только с точностью до некоторой неопределенной функции . Чтобы определить эту функцию нужны в дополнении к обоим началам термодинамики новые опытные данные о свойствах тел .