Законите на термодинамиката и тяхното описание

Законите на термодинамиката също се наричат ​​негови начало. Всъщност, началото на термодинамиката не е нищо повече от комбинация от тези или други постулати, които са в основата на съответната част от молекулярната физика. Тези разпоредби бяха установени по време на научни изследвания. В същото време те са доказани експериментално. Защо са приети законите на термодинамиката за постулатите? Работата е там, че по този начин термодинамиката може да бъде построена аксиоматично.

Основни закони на термодинамиката

Малко за структурирането. Законите на термодинамиката са разделени на четири групи, всяка от които има специфично значение. И така, какво могат да ни кажат началото на термодинамиката?

Първо и второ

Първият старт разказва как да се прилага закон за запазване на енергията във връзка с една или друга термодинамична система. Вторият старт поставя някои ограничения, които се отнасят за посоките на термодинамичните процеси. По-специално, те забраняват спонтанното прехвърляне на топлина от по-малко нагрято тяло. Имате u втори закон на термодинамиката и алтернативно име: законът за увеличаване на ентропията.

Трето и четвърто

Третият закон описва поведението на ентропията близо до абсолютната нула. Има още едно начало, последно. Тя се нарича "нулев закон на термодинамиката". Неговото значение се състои в това, че всяка затворена система ще стигне до състояние на термодинамично равновесие и няма да може да се измъкне само от нея. Освен това, първоначалното му състояние може да бъде всичко.

Защо се нуждаем от началото на термодинамиката?

Изследвани са законите на термодинамиката, за да се опишат макроскопичните параметри на различните системи. В същото време не се предлагат конкретни предложения, свързани с микроскопично устройство. Този въпрос се изучава отделно, но от друг отрасъл на науката - статистическа физика. Законите на термодинамиката са независими един от друг. Какво може да означава това? Тя трябва да бъде разбрана по такъв начин, че не може да се извлече начало на термодинамиката от друго.

Първият закон на термодинамиката

Както е известно, термодинамичната система се характеризира с няколко параметъра, сред които има и вътрешна енергия (обозначена с буквата U). Последното се формира от кинетичната енергия, която всички частици имат. Това може да бъде енергията на транслационното, както и вибрационното и въртеливо движение. На този етап си спомняме, че енергията може да бъде не само кинетична, но и потенциална. Така че, в случай на идеални газове потенциална енергия пренебрегвани. Ето защо вътрешната енергия U ще се състои изключително от кинетична енергия молекулни движения и зависят от температурата.

С други думи, това количество, вътрешната енергия, се нарича функция на състоянието, тъй като се определя от състоянието на термодинамичната система. В нашия случай тя се определя от температурата на газа. Трябва да се отбележи, че вътрешната енергия не зависи от това какъв е преходът към държавата. Да приемем, че термодинамичната система извършва кръгов процес (цикъл, както се нарича в молекулярната физика). С други думи, системата, напускайки първоначалното състояние, преминава през определени процеси, но в резултат се връща към първоначалното състояние. Тогава не е трудно да се предположи, че промяната във вътрешната енергия ще бъде равна на 0.

Как се променя вътрешната енергия?

Има два начина за промяна на вътрешната енергия на идеалния газ. Първият вариант е да свършите работата. Втората е да информира системата за едно или друго количество топлина. Логично е вторият метод да включва не само посланието на топлината, но и неговото отстраняване.

Формулирането на първия закон на термодинамиката

Може да има няколко от тях (формулировки), тъй като всеки обича да говори по различен начин. Но всъщност същността остава същата. Тя се свежда до факта, че количеството топлина, което се подава към термодинамичната система, се изразходва за извършване на механична работа с идеален газ и промяна на вътрешната енергия. Ако говорим за формулата или математическия запис на първия закон на термодинамиката, то изглежда така: dQ = dU + dA.

- Всички стойности, които са част от формулата, могат да имат различни знаци. Нищо не им пречи да бъдат отрицателни. Да предположим, че количеството топлина Q се подава към системата, след което газът ще се нагрее. Температурата се увеличава, което означава, че вътрешната енергия на газа също се увеличава. Това означава, че и Q, и U ще имат положителни стойности. Но ако вътрешната енергия на газа се увеличава, тя започва да се държи по-активно, да се разширява. Затова и работата ще бъде положителна. Можем да кажем, че работата се извършва от самата система, газ.

- Ако от системата се вземе определено количество топлина, вътрешната енергия намалява и газът се компресира. В този случай вече можем да кажем, че работата се извършва на системата, а не на самата нея. Предполагам отново, че някаква термодинамична система изпълнява цикъл. В този случай (както беше казано по-рано) промяната във вътрешната енергия ще бъде 0. Следователно работата, извършена от или над газа, ще бъде числено равна на доставената топлина или на разпределената към системата.

- Математическият запис на този ефект се нарича друга формулировка на първия закон на термодинамиката. То е приблизително както следва: „В природата съществуването на двигател от първия вид е невъзможно, т.е. двигател, който би извършил работа, която превишава топлината, получена отвън.“

Вторият закон на термодинамиката

Не е трудно да се предположи, че термодинамичното равновесие е характерно за система, в която макроскопичните величини остават непроменени във времето. Това, разбира се, е налягането, обема и температурата на газа. Тяхната неизменност може да бъде изградена на няколко условия: липса на топлопроводимост, химични реакции, дифузия и други процеси. Ако под влиянието на външни фактори системата се извлече от термодинамичното равновесие, тя ще се върне към нея с течение на времето. Но ако тези фактори липсват. И това ще стане спонтанно.

Ще отидем малко по-различно от това, което много учебници препоръчват. Да започнем с това, нека да разгледаме втория закон на термодинамиката и тогава ще видим какви са ценностите, които влизат в него и какво означават те. Така, в една затворена система, в присъствието на някакви процеси, протичащи в нея, ентропията не намалява. Вторият закон на термодинамиката се записва по следния начин: dS> (=) 0. Тук знакът> ще бъде свързан с необратим процес и знакът = ще бъде свързан с обратимо.

Какво се нарича обратим процес в термодинамиката? И това е процес, при който системата се връща (след поредица от някои процеси) в първоначалното си състояние. Освен това, в този случай, в системата или в околната среда не остават промени. С други думи, обратим процес е процес, за който е възможно да се върне към първоначалното състояние чрез междинни състояния, идентични на директния процес. В молекулярната физика такива процеси са много малко. Например прехвърлянето на топлина от по-топло тяло към по-малко нагрято ще бъде необратимо. По същия начин, в случай на дифузия на две вещества, както и разпределението на газа към целия обем.

ентропия

Ентропията, която се среща във втория закон на термодинамиката, е равна на промяната в количеството топлина, разделено на температурата. Формула: dS = dQ / T. Той има определени свойства.