История создания термодинамики

Оглавление

Введение 3

1.Развитие термодинамики. 4

1.1 Классическая равновесная термодинамика. 5

1.1.1 КПД цикл Сади Карно 6

1.1.2 Первое начало термодинамики. 10

1.1.3 Закон теплового расширения. Закон объёмных отношений. Уравнение Клапейрона – Менделеева. 11

1.1.4 Изопроцессы. 13

1.1.5 Второе начало термодинамики. 17

1.2 Классическая неравновесная термодинамика. 21

1.3 Термодинамика в металлургии. 22

Заключение 23

Список используемой литературы 24

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Термодинамика - раздел прикладной физики или теоретической теплотехники, в котором исследуется превращение  движения в теплоту и наоборот. В термодинамике рассматриваются не только вопросы распространения теплоты, но и физические и химические изменения, связанные с поглощением теплоты веществом, а также, наоборот, выделение теплоты в ходе физических и химических превращений.

Термодинамика находит широкое  применение в физической химии и  химической физике при анализе физических и химических процессов, в современной  физиологии и биологии, в двигателестроении, теплотехнике, авиационной и ракетно-космической  технике. Первоначально в термодинамике  много внимания уделялось обратимым  процессам и равновесным состояниям, так что более подходящим для  нее казалось название "термостатика", но благодаря С.Аррениусу (1859–1927) и Г. Эйрингу (1901–1981) получило весьма основательную разработку ее применение к анализу скоростей химических реакций (химической кинетике). В настоящее время главной проблемой в термодинамике является ее применение к необратимым процессам, и уже достигнуты большие успехи в построении теории, по широте охвата сравнимой с термодинамикой обратимых процессов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Развитие термодинамики.

До возникновения термодинамики  понятие времени по существу отсутствовало  в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается  в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие  во времени и имеющих свою историю. Хотя в качестве переменной время  входит во все уравнения классической и квантовой механики, тем не менее, оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его  знак можно менять на обратный, т.е. относить его как будущему, так и к прошлому.

Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних  сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена  была исследовать физические процессы при различных преобразованиях  тепловой энергии. Однако она не анализирует  внутреннее строение термодинамических  систем, как это делает статистическая физика, рассматривающая теплоту  как беспорядочное движение огромного  числа молекул.

Термодинамика возникла из обобщения  многочисленных фактов, описывающих  явления передачи, распространения  и превращения тепла. Самым очевидным  является тот факт, что распространение  тепла представляет собой необратимый  процесс. Хорошо известно, например, что  тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в  энергию и потом использовать для производства работы. Не менее  известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот [1, 14].

Термодинамика рассматривает системы, между которыми возможен обмен энергией, без учета микроскопического  строения тел, составляющих систему, и  характеристик отдельных частиц. Различают термодинамику равновесных систем или систем, переходящих к равновесию (классическая, или равновесная термодинамика) и неравновесных систем (неравновесная термодинамика). Классическая термодинамика чаще всего называется просто термодинамикой и именно она составляет основу так называемой Термодинамической Картины Мира (ТКМ), которая сформировалась к середине 19 в. Неравновесная термодинамика получила развитие во второй половине 20-го века и играет особую роль при рассмотрении биологических систем и феномена жизни в целом.

Таким образом, при исследовании тепловых явлений выделились два научных  направления:

1. Термодинамика, изучающая тепловые  процессы без учета молекулярного  строения вещества;

2. Молекулярно-кинетическая теория (развитие кинетической теории  вещества в противовес теории  теплорода) [1, 19].

1.1 Классическая равновесная термодинамика. 
Исторически термодинамика возникла как наука, изучающая переход теплоты в механическую работу, и представляла собой теорию тепловых машин.

Теоретической основой термодинамики  служит молекулярно-кинетическая теория. В ее основе лежат следующие положения:

1) любое тело состоит из большого числа малых твердых частиц – молекул и атомов;

2) молекулы любого вещества находятся в беспорядочном, или хаотическом, движении;

3)  молекулы взаимодействуют друг с другом, скорость движения молекул зависит от температуры вещества.

Тело, рассматриваемое с термодинамической  позиции, является неподвижным, не обладающим механической энергией; но оно обладает внутренней энергией. Это внутренняя энергия может увеличиваться  или уменьшаться. Передача энергии  может осуществляться путем передачи от одного тела к другому при совершении над ними работы и путем теплообмена. Во втором случае внутренняя энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому без совершения работы. Переданную энергию называют количеством теплоты, а передачу энергии - теплопередачей. В общем случае оба процесса могут осуществляться одновременно, когда тело при утрате внутренней энергии может совершать работу и передавать теплоту другому телу. К пониманию этого ученые пришли не сразу. Для XVIII и первой половине XIX вв. было характерно понимать теплоту как невесомую жидкость. Такую жидкость называли теплородом. Согласно этой концепции теплота переходит от одного тела к другому, сохраняя свое общее количество, подобно жидкости, переливаемой из одного сосуда в другой. Также полагали, что теплород перетекает по телу как вода по трубам. Однако существовали факты, которые не укладывались в теорию теплорода: было обнаружено, что в случае механического перемещения и сопровождающего его трения количество выделяемого тепла не зависит от объема вещества, но зависит от скорости перемещения и силы трения. Это явление укладывалось в концепцию теплоты как меры движения. Таким образом, в противоречие теории теплорода этому факту потребовало создания иной теории тепловых явлений. Гипотеза теплорода была отвергнута в результате испытаний, что послужило опорой для принятия молекулярно-кинетической теории в с середине XIX века.

1.1.1 КПД цикл Сади Карно

Возникновение собственно термодинамики  начинается с работы Сади Карно. Исследуя практическую задачу получения движения из тепла применительно к паровым машинам, он понял, что принцип получения движения из тепла необходимо рассматривать не только по отношению к паровым машинам, но к любым мыслимым тепловым машинам. Так был сформулирован общий метод решения задачи - термодинамический, заложивший основу термодинамики.

Определяя коэффициент полезного  действия тепловых машин, Карно ввел свой знаменитый цикл, состоящий из двух изотермических (происходящих при  постоянной температуре) и двух адиабатических (без притока и отдачи тепла) процессов. КПД цикла Карно не зависит  от рабочего вещества, а зависит  лишь от температуры нагревателя  и холодильника. КПД любой тепловой машины не может быть при тех же температурах теплоотдатчика и теплоприемника выше КПД цикла Карно.

Рис. 1. Цикл Карно на диаграмме р — V (давление — объём).

dQ1 —  количество теплоты, получаемой  рабочим телом от нагревателя, 

dQ2 —  количество теплоты, отдаваемой  им холодильнику.

Площадь 1234 численно равна работе цикла Карно.

При постоянной разности температур (T1 — T2) между нагревателем и холодильником  рабочее тело совершает за один Карно  цикл работу

 

Карно первым вскрыл связь теплоты  с работой. Но он исходил из концепции  теплорода. Вместе с тем Карно  уже понял, что работа паровой  машины определяется всеобщим законом  перехода тепла от более высоких  к более низким температурам, т.е. что не может быть беспредельного воспроизведения движущей силы без  затрат теплорода. Таким образом, работа представлялась как результат перепада теплорода с высшего уровня на низшие. Иначе говоря, теплота может создавать работу лишь при наличии разности температур. По своему смыслу это составляет содержание второго начала термодинамики. Осознавая недостатки теории теплорода, Карно в конце концов отказывается от признания теплоты неизменной по количеству субстанцией и дает значение механического эквивалента теплоты. Карно заложил основы термодинамики как раздела физики, изучающего наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика стала развиваться на основе фундаментальных принципов или начал, являющихся обобщением результатов многочисленных наблюдений и экспериментов.

Одним из важных свойств цикла Карно  является его обратимость: он

может быть проведён как в прямом, так и  в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой T_H, холодильника с температурой T_X и рабочего тела.

Рис.2. Цикл Карно в координатах T и S

Цикл Карно состоит из четырёх  обратимых стадий, две из которых  осуществляются при постоянной температуре (изотермически), а две — при  постоянной энтропии (адиабатически). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T (температура) и S (энтропия).

1. Изотермическое расширение (на  рис. 2 — процесс A→Б). В начале  процесса рабочее тело имеет  температуру  нагревателя. Затем  тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты Q_H. При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.

2. Адиабатическое расширение (на  рис. 2 — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника T_X, тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.

3. Изотермическое сжатие (на рис. 2 — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее температуру T_X, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты Q_X. Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.

4. Адиабатическое сжатие (на рис. 2 — процесс Г→А). Рабочее тело  отсоединяется от холодильника  и сжимается под действием  внешней силы без теплообмена  с окружающей средой. При этом  его температура увеличивается  до температуры нагревателя, над  телом совершается работа, его  энтропия остаётся постоянной.

Количество теплоты, полученное рабочим  телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

 

 Аналогично, при изотермическом  сжатии рабочее тело отдало  холодильнику

 

 Отсюда коэффициент полезного  действия тепловой машины Карно  равен

1.1.2 Первое начало термодинамики.

Первое начало термодинамики –  это закон сохранения энергии  в применении к термодинамическим  процессам. Оно гласит: «при сообщении  термодинамической системе определенного  количества теплоты в общем случае происходит при приращении внутренней энергии системы и она совершает работу против внешних сил».

 

 
Рис. 3 - Обмен энергией между термодинамической  системой и окружающими телами в  результате теплообмена и совершаемой  работы.

Идея о том, что теплота - не субстанция, а сила (энергия), одной из форм которой  и является теплота, причем эта сила, в зависимости от условий, выступает  в виде движения, электричества, света, магнетизма, теплоты, которые могут  превращаться друг в друга, существовала в умах исследователей. Для превращения  этой идеи в ясное и точное понятие, необходимо было определить общую меру этой силы. Это сделали, независимо друг от друга, Р. Майер, Д. Джоуль и Г. Гельмгольц – первооткрыватели закона сохранения энергии.

Г. Гельмгольц пришел к открытию закона сохранения энергии, пытаясь применить  концепцию движения Ньютона к  движению большого числа тел, которые  находятся под влиянием взаимного  притяжения. Его вывод о том, что  сумма силы и напряжения (т.е. кинетической и потенциальной энергией) остается постоянной, является формулировкой  закона сохранения энергии в его  наиболее общей форме. Этот закон - величайшее открытие XIX века. Из него следует, что  механическая работа, электричество  и теплота - различные формы энергии, а также невозможность создания вечного двигателя I рода.

1.1.3 Закон теплового расширения. Закон  объёмных отношений. Уравнение Клапейрона – Менделеева.

Важное значение для развития термодинамики имели установленные Ж.Л.Гей-Люссаком законы - закон теплового расширения и закон объемных отношений. Б.Клапейрон установил зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа (давлением, объемом и температурой), обобщенное Д.И.Менделеевым.

Закон теплового расширения газов

Это один из основных газовых законов, описывает изобарные процессы в  идеальных газах. Закон открыт независимо Ж. Л. Гей-Люссаком в 1802 г. и Дж. Дальтоном  в 1801 г.

Согласно закону теплового расширения газов: объем V данной массы газа при  постоянном давлении газа прямо пропорционален изменению температуры:

 

 — начальный объем газа;

∆t — разность начальной и конечной температур;

a- коэффициент  теплового расширения газов,

 .Коэффициент одинаков для всех газов.

В термодинамической шкале температур закон Гей-Люссака можно записать следующим образом:

При постоянном давлении для постоянной массы газа (

 

 

Закон объёмных отношений.

Один из законов Гей-Люссака, которому подчиняются идеальные газы. Установлен Ж. Л. Гей-Люссаком в 1808 г.