Термодинамічні системи. Перший закон термодинаміки

 

Зміст

ВСТУП 3

РОЗДІЛ І.Термодинамічні системи. Перший закон термодинаміки. 4

1.1 Системи та їх класифікація 4

1.2 Перший  закон термодинаміки. 6

РОЗДІЛ ІІ. Другий закон термодинаміки. Ентропія 10

2.1 Оборотні  та необоротні процеси. 10

2.2 Цикл та  теореми Карно 12

2.3 Нерівність  Клазіуса 21

2.4 Ентропія 25

Закон зростання  ентропії 26

2.5 Флуктуація 30

Висновки 35

Список використаної літератури: 36

 

 

 

 

ВСТУП

Актуальність  теми: Термодинаміка – наука, яка досить інтенсивно розвивається в даний час. Цікавість та увага, яка приділяється цій галузі науки обумовлюється тим, що термодинамічний метод один із найважливіших при вивченні пливу різних факторів на хімічну взаємодію і встановлення взаємозв’язку між різними властивостями хімічних систем. Крім цього досить важливе значення має для хіміків в якості методу перевірки закономірностей, які виведені не термодинамічним шляхом, тому що будь-яка закономірність має бути співставлена з вимогами термодинаміки.

  Мета дослідження: полягає у теоретичному вивченні процесів та законів термодинаміки.

Об'єкти дослідження: закриті, відкриті, ізольовані системи, ентропія та ентальпія.

Предмет дослідження: процеси термодинаміки.

Методи дослідження: описові.

Завдання дослідження: 

1. Описати основні поняття термодинаміки
2. Розглянути закони термодинаміки (І та ІІ закони).

Структура роботи: курсова робота виконана на 37 сторінках комп’ютерного набору, складається з двох розділів, літератури та висновків.

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ I

Термодинамічні  системи. Перший закон термодинаміки.

1. Системи та їх класифікація

Система – це тіло чи декілька тіл, які знаходяться у взаємозв’язку  між собою (дифузія, теплообмін, хімічна  реакція), і окремих від оточуючого середовища.

Стан системи визначається за допомогою змінних, які називають  параметри стану. Вони характеризують термодинамічний стан при рівновазі. Будь-які зміни , які відбуваються системі та зв’язані із зміною хоча б одного параметрів стану, називається термодинамічною системою.

Ключовим для опису  термодинамічної системи є поняття  термодинамічної рівноваги. У рівноважному стані термодинамічна система характеризується температурою, сталим хімічним складом  і тиском.

Системи мають певні кордони, які відділяють їх від навколишнього  середовища. Вони можуть бути гомогенними  і гетерогенними.

Гомогенна система (від грец. ὁμός — рівний, однаковий) – однорідна система, хімічний склад і фізичні властивості якої у всіх частинах однакові, чи міняються безперервно від точки до точки. Прикладом гомогенної системи є ненасичені розчини, лід, пар, газові суміші.

Гетерогенна система (від  грец. ἕτερος — різний) - система, складові частини якої відділені один від одного певними поверхнями, на яких відбуваються  різкі зміни певної властивості. Прикладом є насичений розчин з осадом, сплави. Існує декілька видів систем: ізольована, закрита та відкрита.

Ізольована термодинамічна система — ідеалізована термодинамічна система, яка не взаємодіє з навколишнім  середовищем. Енергія та маса такої  системи залишаються сталими, система не обмінюється з зовнішніми тілами ні енергією (у вигляді теплоти, випромінювання, роботи тощо), ні речовиною.

Поняття ізольованої системи  використовується для наближеного  опису реальних процесів та побудови їх математичних моделей. Так, розглядаючи  процеси теплообміну в системі, що складається з кількох тіл, які спочатку мають різні температури (наприклад, система з води, льоду  та металевого сосуду), можна проігнорувати  теплообміном цих речовин з навколишнім  середовищем (з повітрям).

Повністю ізольованих  систем в природі не існує, але  деяких з них можна умовно, протягом певного часу, вважати ізольованими. Ще однією причиною неможливості існування  ізольованих систем є існування  космічного реліктового випромінювання з температурою 2,7 K, яке є наслідком  Великого Вибуху. Це випромінювання взаємодіє  з усіма тілами Всесвіту.

Закрита термодинамічна система  — це термодинамічна система, яка  не обмінюється своєю речовиною  з навколишнім середовищем, але  може обмінюватись енергією на відміну  від ізольованої системи.

Закрита термодинамічна система  може отримувати енергію від зовнішніх  тіл, якщо над нею виконана робота або у вигляді теплоти. Аналогічно, вона віддає енергію, виконуючи роботу над зовнішніми тілами, або віддаючи тепло.

Відкрита термодинамічна система — термодинамічна система, яка може обмінюватися з навколишнім  середовищем не тільки енергією, а  й речовиною.

В стані термодинамічної  рівноваги приток речовини до відкритої  системи і витік речовини з  неї врівноважуються. В такому стані  хімічний потенціал кожного роду частинок у системі вирівнюється.

 

1.2 Перший закон термодинаміки.

Параметри       системи,     які   підлягають      безпосередньому        вимірюванню  , називаються основними  параметрами стану. Інші параметри  стану системи є  функціями  від основних параметрів (внутрішня  енергія, ентальпія, ентропія та ін.), тому їх  називають  функціями  стану.  Зміна  функції  стану  не  залежить  від  шляху  переходу  між різними  станами системи, а визначається тільки початковим та кінцевим станами  системи.  Зміна  одного  чи  декількох  параметрів  стану  системи  називається  термодинамічним  процесом.  

Стан  системи  є рівноважним,  якщо  при  незмінності  зовнішніх  факторів  з  системою також  не  відбувається  ніяких  змін.  Якщо  в  ході  деякого  процесу  система  проходить  через безперервний ряд  рівноважних станів , то процес є  рівноважним.  

       Процес  може бути самодовільним або  несамодовільним. До самодовільних відносяться процеси, що проходять без витрати енергії ззовні.  В   залежності      від   того,   який    з параметрів      стану    в термодинамічному процесі залишається  незмінним,  розрізняють  ізотермічний  (Т  =  const), ізобаричний (р =   const), ізохоричний  (V  =  const)  процеси. 

Адіабатичним  називають  процес,  при  якому  система  не  обмінюється  енергією  з  зовнішнім  середовищем,  тобто  система  ізольована  в  тепловому  відношенні.

Система може обмінюватися енергією з навколишнім середовищем у вигляді теплоти  (Q) або роботи (W). Теплоту і роботу вимірюють в джоулях (Дж). 

Теплота  є  додатною  величиною,  якщо  система  її  поглинає,  а  від'ємною  -  яку  вона  виділяє.  Робота  є  додатною  величиною,  якщо вона чиниться системою, і від'ємною - якщо вона чиниться над системою.

Розрахунок роботи в термодинамічних процесах:

       Ізобаричний  процес.  В  цьому  випадку  робота  розширення  газу  дорівнює  добутку тиску на збільшення об'єму  

W_p= p • (V₂-V₁) = p∆V

Ізохоричний процес. Оскільки об’єм газу при ізохоричному процесі  не змінюється,  то робота ізохоричного процесу завжди нульова. Якщо V = const, то dV = 0 і W_v = 0

Ізотермічний  процес.  При  обчисленні  роботи  ізотермічного  процесу,  в  якому приймають  участь  n  моль  газу,  достатньо  знати  початковий  та  кінцевий  об’єми  газу,  або початковий та кінцевий тиск, або тиск та об’єм  газу в будь-який момент процесу.  

W_T = nRT ln = nRT ln = p₁V₁ ln

Внутрішня  енергія  -  це  кінетична  енергія  всіх  частинок  системи  (молекул,  атомів, електронів тощо) та потенціальна енергія  їх взаємодії, за винятком кінетичної і потенціальної енергії  системи  в  цілому.  Внутрішня  енергія  -  екстенсивна  величина.  Звичайно  внутрішню енергію  відносять  до  1  моль  речовини  і  виражають  в  Дж/моль.  Абсолютну  величину  внутрішньої енергії визначити  неможливо, але для практичних цілей  достатньо знати зміну внутрішньої  енергії ∆U, яка відбувається в  процесі. 

Перший закон термодинаміки  є окремим випадком закону збереження матерії. Формулюванням першого закону термодинаміки є:

Енергія не зникає без сліду і не виникає з  нічого,  а тільки переходить з  одного виду в інший в еквівалентній  кількості. 

Аналітичний запис першого  закону термодинаміки має такий вигляд:

 

тобто,  теплота,  надана  системі,  витрачається  на  роботу  і  збільшення  внутрішньої енергії. 

Ентальпія (або теплова  функція, від грец. enthálpo — «нагріваю») — термодинамічний потенціал, що характеризує стан термодинамічної системи при виборі як основних незалежних змінних ентропії (S) і тиску (P). Позначається H(S,P,N,x_і) або W(S,P,N,x_і), де N — число частинок системи, x_і — інші макроскопічні параметри системи.

Ентальпія — адитивна функція, тобто ентальпія всієї системи  дорівнює сумі ентальпій її складових  частин. Із внутрішньою енергією E системи  ентальпія зв'язана співвідношенням:

 

де E - внутрішня енергія, P - тиск, V - об'єм.

Таким чином ентальпія  дорівнює сумі внутрішньої енергії  і добутку тиску на об'єм.

Ентальпія залежить від тиску  й ентропії системи, тобто при незмінних N і x_i її повний диференціал дорівнює:

 

Ентальпія використовується для опису ізобарних процесів, тобто процесів, які відбуваються при сталому тиску. Якщо процес проходить  при сталому тиску, то приріст  ентальпії дорівнює переданій тілу теплоті dq = TdS.

V = ()_s

V = ()_p

 

Висновок  до розділу:

В цьому розділі ми ознайомились із декількома видами систем: гомогенна, гетерогенна та ізольована. Головним для опису яких є поняття термодинамічної рівноваги. У рівноважному стані термодинамічна система характеризується температурою, сталим хімічним складом і тиском.

Розглянуто самодовільні та не самодовільні системи. В   залежності      від   того,   який    з  параметрів      стану    в  термодинамічному процесі залишається  незмінним,  розрізняють  ізотермічний ,  ізобаричний, ізохоричний процеси. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ ІІ.

Другий закон термодинаміки. Ентропія

2.1 Оборотні та необоротні  процеси.

Перехід з одного термодинамічного стану в інший називається  термодинамічним процесом. Нижче  будуть розглядатися тільки квазістатичні  процеси або, що те ж саме, квазірівноважні  процеси. Граничним випадком квазірівноважного процесу є відбувається нескінченно повільно рівноважний процес, що складається з безупинно наступних, один за одним, станів термодинамічної рівноваги. Реально такий процес протікати не може, однак якщо макроскопічні зміни в системі відбуваються досить повільно (за проміжки часу, що значно перевищують час встановлення термодинамічної рівноваги), з'являється можливість апроксимувати реальний процес квазістатичним (квазірівноважним). Така апроксимація дозволяє проводити обчислення з досить високою точністю для великого класу практичних завдань. Рівноважний процес є оборотним, тобто таким, при якому повернення до значень параметрів стану, що мали місце в попередній момент часу, повинно приводити термодинамічну систему в попередній стан без будь-яких змін в оточуючих систему тілах.

     Практичне  застосування квазірівноважних процесів у будь-яких технічних пристроях малоефективне. Тож, на практиці квазірівноважні процеси в технічних пристроях не використовуються. Тим не менш, так як передбачення рівноважної термодинаміки для реальних систем з досить високою точністю співпадають з експериментально отриманими для таких систем даними, то вона широко застосовується для розрахунку термодинамічних процесів в різних технічних пристроях.

     Якщо в ході  термодинамічного процесу система  повертається в початковий стан, то такий процес називається  круговим або циклічним. Кругові  процеси, також як і будь-які інші термодинамічні процеси, можуть бути як рівноважними (а отже - оборотними), так і нерівноважними (необоротними). При оборотному круговому процесі після повернення термодинамічної системи в початковий стан в оточуючих її тілах не виникає жодних термодинамічних збурень, і їх стану залишаються рівноважними. У цьому випадку зовнішні параметри системи після здійснення циклічного процесу повертаються до своїх початкових значень. При необоротному круговому процесі після його завершення навколишні тіла переходять у нерівноважний стан і зовнішні параметри термодинамічної системи змінюються.

 

2.2 Цикл та теореми Карно

У 1824 році французький фізик  і військовий інженер Нікола Леонард Саді Карно (1796 - 1832) опублікував свою роботу "Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу", в якій їм були сформульовані основні положення теорії теплових машин і вперше запропоновано другий закон термодинаміки.

     При роботі  теплової машини робоче тіло  здійснює замкнутий термодинамічний  цикл. Для будь-якої реальної теплової  машини весь цикл, включаючи його  окремі процеси, незворотній,  що викликає необхідність витрачати  частину виробленої роботи для  перекладу робочого тіла в  первинний стан, забезпечуючи замикання  кругового процесу. Зазначені  втрати призводять до того, що  не вся вироблена робота стає  корисною, а частина її втрачається  в самій тепловій машині, переходячи  в теплоту. 

     Максимальним  коефіцієнт корисної дії (відношення  виконаної роботи до загальних  енергетичних затрат на її  виконання. Безрозмірна велична,  яка вимірюється у відсотках 

η =

де  - теплота передана системі від нагрівача, - частина теплоти системи, віддана холодильнику, чисельник - корисна робота) володіє теплова машина, в якій цикл робочого тіла складається тільки з рівноважних теплових процесів, і, отже, є оборотним. Однак для здійснення нагрівання і охолоджування необхідний теплообмін робочого тіла з нагрівачем і холодильником теплової машини, що тим більш ефективний, ніж помітніше різниця температур. Виникаючі при цьому теплові потоки порушують стан теплової рівноваги і роблять ці процеси незворотними. Щоб уникнути цього, необхідно теплообмін здійснювати при дуже малій різниці температур, в межі, для досягнення рівноважного процесу, при нескінченно малої різниці. Тому реалізувати рівноважний процес при теплообміні можна тільки у разі теплового рівноваги робочого тіла і нагрівача (або холодильника).