Элементы термодинамики: процессы, начала и термодинамические потенциалы

Ключевые тезисы

  • Термодинамика изучает превращения энергии в физических процессах и опирается на три закона, обобщающие опытные данные.
  • Первое начало термодинамики — закон сохранения и превращения энергии: изменение внутренней энергии связано с подводом теплоты и совершением работы.
  • Из первого начала следует невозможность вечного двигателя первого рода — машины, производящей работу без потребления эквивалентной энергии.
  • Основные изопроцессы идеального газа: изотермический, изобарный, изохорный, адиабатный; частным случаем является политропный процесс.
  • Обратимый процесс — идеализация; реальные процессы в природе необратимы.
  • Круговой процесс возвращает систему в исходное состояние; прямой цикл совершает полезную работу, обратный используется в холодильных машинах.
  • Цикл Карно имеет максимальный КПД среди тепловых машин, работающих между двумя температурами:
    [
    \eta = 1 - \frac{T_2}{T_1}
    ]
  • Энтропия — функция состояния системы; для изолированной системы энтропия не может убывать.
  • Второе начало термодинамики определяет направление процессов и невозможность полностью превратить теплоту в работу.
  • Термодинамические потенциалы: внутренняя энергия, энтальпия, свободная энергия, энергия Гиббса; убыль соответствующего потенциала определяет работу в заданных условиях.
  • Третье начало термодинамики связывает энтропию равновесных систем с абсолютным нулем температуры и объясняет невозможность его достижения.

Основное содержание

Первое начало термодинамики

Исторически термодинамика возникла как раздел физики о соотношении теплоты и работы. Сейчас она рассматривает физические явления через превращения энергии, которые их сопровождают.

Первое начало термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии в термодинамических процессах.

Для системы с учетом других видов энергии:

[
dU = dQ - dA + dE_m
]

где:

  • (dU) — изменение внутренней энергии системы;
  • (dQ) — элементарное количество теплоты, подводимое к системе;
  • (dA) — элементарная работа, совершаемая системой;
  • (dE_m) — другие виды элементарных энергий.

Если (dE_m = 0), то:

[
dU = dQ - dA
]

или

[
dQ = dU + dA
]

Это означает: подводимая к системе теплота идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы.

Из первого начала следует невозможность вечного двигателя первого рода — машины, которая производила бы работу без потребления эквивалентного количества энергии.


Изопроцессы идеального газа

Изотермический процесс

Изотермический процесс — процесс при постоянной температуре.

Для идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры, поэтому при изотермическом процессе:

[
dU = 0
]

Следовательно:

[
dQ = dA
]

Все подведенное тепло идет на совершение системой работы.

Работа при изотермическом расширении:

[
A = \int_{V_1}^{V_2} P , dV
]

Для одного моля или киломоля идеального газа:

[
PV = RT
]

Поэтому:

[
A = RT \ln \frac{V_2}{V_1}
]

В координатах (P)–(V) работа численно равна площади под изотермой между (V_1) и (V_2).

Вывод: работа при изотермическом процессе зависит только от отношения начального и конечного объемов.


Изобарный процесс

Изобарный процесс — процесс при постоянном давлении:

[
P = \text{const}
]

Первое начало:

[
dQ = dU + dA
]

Подводимое тепло идет одновременно на изменение внутренней энергии и на работу:

[
dQ = c_p , dT
]

[
dU = c_v , dT
]

[
dA = P , dV
]

Для идеального газа:

[
PV = RT
]

При постоянном давлении:

[
P , dV = R , dT
]

Следовательно:

[
dA = R , dT
]

Доля теплоты, идущая на работу:

[
\frac{dA}{dQ} = \frac{R}{c_p} = 1 - \frac{1}{\gamma}
]

Доля теплоты, идущая на изменение внутренней энергии:

[
\frac{dU}{dQ} = \frac{c_v}{c_p} = \frac{1}{\gamma}
]

где:

[
\gamma = \frac{c_p}{c_v}
]


Изохорный процесс

Изохорный процесс — процесс при постоянном объеме:

[
V = \text{const}
]

Работа системы равна нулю:

[
dA = 0
]

Первое начало принимает вид:

[
dQ = dU
]

То есть все подведенное тепло идет на изменение внутренней энергии:

[
dQ = c_v , dT
]

[
dU = c_v , dT
]

Изменение внутренней энергии пропорционально изменению температуры.


Адиабатный процесс

Адиабатный процесс — процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой или почти без теплообмена:

[
dQ = 0
]

Пример: быстрое сжатие или расширение газа, при котором теплообмен не успевает произойти.

Из первого начала:

[
0 = dU + dA
]

или

[
dA = -dU
]

Работа совершается за счет изменения внутренней энергии.

Если газ расширяется, его внутренняя энергия уменьшается, температура падает. Если газ сжимается, внутренняя энергия увеличивается, температура растет.

Для идеального газа:

[
dA = P , dV
]

[
dU = c_v , dT
]

Отсюда:

[
P , dV = -c_v , dT
]

Используя уравнение состояния идеального газа, получают уравнения Пуассона:

[
PV^\gamma = \text{const}
]

[
TV^{\gamma-1} = \text{const}
]

[
T^\gamma P^{1-\gamma} = \text{const}
]

Графически адиабата в координатах (P)–(V) круче изотермы.

Причина: при изотермическом сжатии давление растет только за счет увеличения молекулярной плотности. При адиабатном сжатии давление растет и за счет плотности, и за счет повышения температуры, то есть средней скорости молекул.

Работа при адиабатном расширении:

[
A = c_v (T_1 - T_2)
]

или

[
A = \frac{P_1 V_1}{\gamma - 1}
\left[
1 - \left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{\gamma - 1}
\right]
]

Графически работа равна площади под адиабатой.

Теплоемкость при адиабатном процессе равна нулю, так как (dQ = 0).


Политропный процесс

Политропный процесс — процесс, при котором давление и объем связаны соотношением:

[
PV^n = \text{const}
]

где (n) — показатель политропы, может принимать значения от (-\infty) до (+\infty).

Частные случаи:

  • изобарный процесс: (n = 0);
  • изотермический процесс: (n = 1);
  • адиабатный процесс: (n = \gamma);
  • изохорный процесс: (n = \infty).

Работа при политропном процессе:

[
A = \frac{P_1 V_1}{n - 1}
\left[
1 - \left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{n - 1}
\right]
]

Теплоемкость при разных термодинамических процессах может принимать любые значения от (-\infty) до (+\infty).

К адиабатным процессам относится распространение звука и ультразвука в газах и жидкостях: при быстро протекающих процессах теплообмен между соседними участками не успевает произойти.


Обратимые и необратимые процессы

Обратимый процесс — процесс, после которого систему можно вернуть в первоначальное состояние так, что никаких изменений в окружающей среде не произойдет.

Окружающая среда — все тела, не входящие в систему, но взаимодействующие с ней.

Пример обратимого процесса: колебания математического маятника без трения и сопротивления.

На практике обратимый процесс — научная абстракция, потому что реальные процессы обычно сопровождаются трением, сопротивлением или теплопередачей.

Необратимый процесс — процесс, после которого систему нельзя вернуть в первоначальное состояние без изменений в окружающей среде.

Примеры необратимых процессов:

  • процессы с трением;
  • процессы с сопротивлением;
  • теплопередача от более нагретого тела к менее нагретому;
  • самопроизвольное выравнивание температуры;
  • диффузия веществ.

В природе все процессы необратимы.


Круговые процессы и циклы

Круговой процесс — последовательность процессов, в результате которой система, выйдя из исходного состояния, возвращается в него снова.

Любой круговой процесс состоит из:

  • расширения, при котором система совершает работу;
  • сжатия, при котором внешние силы совершают работу над системой.

Работа цикла равна разности