Основы термодинамики

Термодина́мика — раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах без учета атомно-молекулярного строения тел.
В термодинамике изучаются состояния и процессы, для описания которых можно ввести понятие температуры.

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Это теория о наиболее общих свойствах макроскопических тел.
Макроскопической системой называется всякий материальный объект, состоящий из большого числа частиц
На первый план выступают тепловые процессы и энергетические преобразования
Ядром являются два начала (закона) термодинамики

ЧТО ИЗУЧАЕТ ТЕРМОДИНАМИКА?
√ Возникла как наука тепловых процессов, рассматриваемых с точки зрения энергетических преобразований.
√ Не рассматривает явления с точки зрения движения молекул.
√ Изучает наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в равновесном состоянии, и процессы их перехода из одного состояния в другое.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Любая совокупность
макроскопических тел,
которые взаимодействуют
между собой и с внешними объектами посредством
передачи энергии и вещества.
ИЗОЛИРОВАННЫЕ
СТАТИЧЕСКИЕ
Не обмениваются с другими системами ни веществом, ни энергией
При отсутствие взаимодействия параметры системы остаются неизменными
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
ОТКРЫТАЯ
ЗАКРЫТАЯ
С окружающей средой веществом
не обменивается веществом, но обменивается энергией
Обменивается и веществом, и энергией
Живой организм
утюг

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Гомогенная
Гетерогенная
- однородная система, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно
неоднородная система, состоящая из однородных частей, разделённых поверхностью раздела. Однородные части могут отличаться друг от друга по составу и свойствам. Число веществ, термодинамических фаз и степеней свободы связаны правилом фаз.
Фаза – совокупность частей гетерогенной системы, одинаковых по физическим и химическим свойствам, отделенных от других частей системы видимыми поверхностями раздела

Неравновесное состояние
Всякое бесконечно малое воздействие вызывает конечное изменение состояния системы
Равновесное состояние – состояние, при котором все характеристики системы постоянны и в ней нет потока вещества или энергии.
Стационарное состояние - состояние, при котором все характеристики системы постоянны, но в системе имеются потоки вещества или энергии.
Функции процесса – функции, связанные с процессом, они не являются свойствами системы, их величина зависит от вида процесса (теплота, работа).
Теплота (Q) – это форма передачи энергии путем неупорядоченного движения молекул.
Работа (W) – это форма передачи энергии путем упорядоченного движения частиц.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
Совокупность физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы.

Неравновесное состояние

Теплоемкость
Для изобарного процесса:
Для изохорного процесса:
Уравнения Кирхгофа
Степенной ряд

I ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Изменение внутренней энергии ΔU системы равно сумме работы A совершенной внешними телами над системой, и сообщенного ей количества теплоты Q.
ΔU=A+Q
A*=-A
Q=A*+ Δ U
Количество теплоты Q, переданное системе, расходуется на увеличение её внутренней энергии Δ U и совершение системой работы A* над внешними телами.
(Закон сохранения и превращения энергии в применении к тепловым процессам)

ТЕРМОДИНАМИКА ИЗОПРОЦЕССОВ
Процессы, происходящие при постоянном значении одного из параметров состояния (T,V или P) с данной массой газа называются изопроцессами.
ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ
ИЗОХОРНЫЙ
ИЗОБАРНЫЙ
АДИАБАТНЫЙ

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
Процесс, происходящий при постоянной температуре.
Все тепло, сообщенное телу расходуется на работу против сил внешнего давления
T=const
Δ U=0
Q+A=0
Q=-A=A*

ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС
Процесс, происходящий при постоянном объёме.
Все тепло, сообщенное телу, расходуется на изменение внутренней энергии
V=const
Q= Δ U
A=0

ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС
Процесс, происходящий при постоянном давлении.
A*=p ( + )
ΔU=A+Q
Q=A*+ Δ U

АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС
Процесс, происходящий без теплообмена с внешней средой.(Обычно отсутствие теплообмена обусловлено быстротой процесса: теплообмен не успевает произойти)
Работа совершается системой за счет убыли внутренней энергии
Теплообмен отсутствует
Q=0
ΔU=-A*

Закон Гесса
Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении, объеме зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути протекания реакции.

Следствия из закона Гесса:
Для реакции: aA + bB = cC + dD

II ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Тепловые процессы необратимы.
Не возможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.
Не возможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара.
Не возможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела более нагретому.
Применяется только к системам из большого числа частиц

КПД тепловой машины

ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ –
ГЛАВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет полученной извне теплоты.
НАГРЕВАТЕЛЬ (Т1)
РАБОЧЕЕ ТЕЛА
ХОЛОДИЛЬНИК (Т2)
Q1
Q2
A*
A*=Q1 – Q2
Виды двигателей:
Паровая и газовая турбины
Карбюраторный двс
Дизель двс
Ракетный двигатель

ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Первого рода
Второго рода
Целиком превращал бы в работу теплоту, извлекаемою из окружающих тел
Будучи раз пущен в ход, совершал бы работу неограниченно долгое время, не заимствуя энергию извне
НЕВОЗМОЖНЫ
Противоречит закону сохранения и превращения энергии
Противоречит второму началу термодинамики

Энтропия
В окружающей нас природе термодинамически обратимых процессов нет.

Расчетные формулы для определения энтропии
В окружающей нас природе термодинамически обратимых процессов нет.

Термодинамические потенциалы
Существуют две функции для определения возможности протекания процессов в закрытых системах
1. Изохорно-изотермический потенциал (свободная энергия Гельмгольца) - часть внутренней энергии системы, которая может быть превращена в полезную работу при постоянной температуре и объеме.
Связанная (бесполезная) энергия – часть внутренней энергии, которая не может быть превращена в полезную работу
T∆S ≥ dU + pdV+dA’
-(PdV+dA’) ≥ dU – TdS так как Т,V=const -dA’ ≥ dU – TdS, -dA’ ≥ d(U – TS)
U – TS = F – изохорно-изотермический потенциал
Если ∆F < 0 – процесс в закрытой системе протекает самопроизвольно
Если ∆F > 0 – процесс в закрытой системе протекает несамопроизвольно
Если ∆F = 0 – система находится в равновесии.
2. Изобарно-изотермический потенциал (свободная энергия Гиббса) - часть внутренней энергии системы, которая может быть превращена в полезную работу при постоянной температуре и давлении.
-dA’ ≥ dU + pdV– TdS, dH = dU + pdV
-dA’ ≥ dH – TdS
-dA’ ≥ d(H – TS)
H – TS = G – изобарно-изотермический потенциал
Если ∆G < 0 – реакция возможна и протекает самопроизвольно в любых условиях
Если 0 < ∆G < 418 кДж/моль – возможность осуществления реакции сомнительна, необходимо провести расчет с целью определения условий, при которых ∆G < 0
Если ∆G > 418 кДж/моль – реакция не осуществима в обычных условиях