Кратко термодинамика: Ошибка: 404 Материал не найден

Содержание

Три начала термодинамики

Начала термодинамики — совокупность постулатов, лежащих в основе термодинамики. Эти положения были установлены в результате научных исследований и были доказаны экспериментально. В качестве постулатов они принимаются для того, чтобы термодинамику можно было построить аксиоматически.

Необходимость начал термодинамики связана с тем, что термодинамика описывает макроскопические параметры систем без конкретных предположений относительно их микроскопического устройства. Вопросами внутреннего устройства занимается статистическая физика.

Начала термодинамики независимы, то есть ни одно из них не может быть выведено из других начал.

 

 

Первое начала термодинамики

Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил

Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход

Второе начало термодинамики

Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара

Третье начало термодинамики может быть сформулировано так:

Приращение энтропии (как на меру беспорядка в системе) при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система.

Нулевое начало термодинамики (общее начало термодинамики)

— физический принцип, утверждающий, что вне зависимости от начального состояния изолированной системы в конце концов в ней установится термодинамическое равновесие, а также что все части системы при достижении термодинамического равновесия будут иметь одинаковую температуру. Тем самым нулевое начало фактически вводит и определяет понятие температуры. Нулевому началу можно придать чуть более строгую форму:

Если система A находится в термодинамическом равновесии с системой B, а та, в свою очередь, с системой C, то система
A
находится в равновесии с C. При этом их температуры равны.

 

Термодинамика и основы статистической физики

Новости магистратуры

Термодинамика и основы статистической физики

Автор программы: доцент, д. ф.-м. н., Синицын В.В.

Цель дисциплины: дать студенту систематическое изложение статистической физики вместе с термодинамикой, и обучить соответствующим методам, основанных на статистическом и феноменологическом рассмотрении различных физических явлений, включая наносистемы и системы с низкой размерностью.

Задачи: развитие у студентов навыков физического мышления, умения ставить и решать задачи по статистической физике и термодинамике сложных систем, понимание общих термодинамических и статистических закономерностей макроскопических и наносистем, свободно владеть основными определениями и терминологией в рамках данного курса.

Краткое содержание дисциплины:

1

Основные положения термодинамики. Первый закон термодинамики, второй закон термодинамики, основное уравнение термодинамики для равновесных процессов, энтропии, парадокс Гиббса.

2

Второе начало термодинамики для неравновесных процессов. Пределы применимости второго закона термодинамики. Третий закон термодинамики. Следствия третьего закона термодинамики. Вычисление энтропии и поведение теплоемкостей при Т→0 К.

3

Термодинамические потенциалы. Преобразование Лежандра. Якобианы. Соотношения Максвелла. Термодинамические системы.

4

Условия термодинамического равновесия и устойчивости. Условия равновесия двухфазной однокомпонентной системы. Принцип Ле Шателье – Брауна.

5

Термодинамика гальванических и топливных элементов. Охлаждение газа при обратимом и необратимом адиабатных расширениях. Эффект Джоуля—Томсона.

6

Основные уравнения термодинамики для диэлектриков. Уравнения систем в магнитном поле.

7

Равновесие гомогенной системы. Равновесие гетерогенной системы. Правило фаз Гиббса. Тройная точка. Равновесие бинарных систем. Классификация фазовых переходов. Критические и закритические явления.

8

Термодинамические свойства переохлажденной воды. Теория второй критической точки воды на основе нанокластерного модели. Аномалии удельного объема. Теплоемкости. К.Т.Р. и сжимаемости для переохлажденной воды.

9

Теория Ландау фазовых переходов второго рода. Термодинамический потенциал, энтропия, теплоемкость.

10

Фазовые переходы второго рода в сегнетоэлектриках, суперионные фазовые переходы.

11

Локальное равновесие и основное уравнение термодинамики для неравновесных процессов. Уравнения баланса и законы сохранения. Термодинамика линейных необратимых процессов. Термоэлектрические явления.

12

Распределение Гиббса. Распределение Максвелла. Свободная энергия в распределении Гиббса. Распределение Гиббса с переменным числом частиц. Статистическое определение температуры наночастицы.

13

Распределение Больцмана, свободная энергия больцмановского идеального газа, статистическое уравнение состояния идеального газа, уравнение Больцмана, кинетическая теория, статистика Больцмана, дефекты решетки.

14

Распределение Ферми, вырожденный электронный газ, теплоёмкость электронного газа. Особенности одномерного и двумерного ферми-газа.

15

Распределение Бозе, вырожденный Бозе-газ, конденсация Бозе – Эйнштейна, теплоёмкость кристаллической решетки, классическая модель для вычисления энергии решетки, модель Эйнштейна, модель Дебая (низкие температуры), флуктуации энергии.

Общая трудоемкость дисциплины: 4 зачетные единицы.

Форма промежуточной аттестации: экзамен, зачет.

Контакты

Телефон:
8(496) 52 219-82
+7 906 095 4402

Факс:
+7(496) 522 8160
8(496) 522 8160

Почтовый адрес:
ИФТТ РАН, Черноголовка, Московская обл. , ул.Академика Осипьяна д.2, 142432, Россия

E-mail:
Вебмастер
Ученый секретарь

WWW:
www.issp.ac.ru

Химическая термодинамика и кинетика | Открытые видеолекции учебных курсов МГУ

Курс «Химическая термодинамика и кинетика» читается студентам третьего курса химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова в 5 семестре.

В курсе последовательно рассматриваются разделы феноменологической термодинамики, имеющие отношение к химии и химическому материаловедению. Курс состоит из трех блоков. В первой части излагаются основы химической термодинамики, а именно постулаты и законы химической термодинамики, термическое и калорическое уравнения состояния, внутренняя энергия, теплота и работа, соотношения Максвелла, теплота, энтальпия, законы термодинамики, энергии Гиббса и Гельмгольца, термодинамические потенциалы. Во второй части рассматриваются приложения химической термодинамики; фазовые равновесия. А в заключительных лекциях обсуждаются приложения химической термодинамики; химические равновесия. 

Список всех тем лекций

Лекция 1. Введение в химическую термодинамику.
Зачем нужна химическая кинетика? Основная задача химии Три столпа физической химии Феноменологическая термодинамика Аппарат термодинамики Градация термодинамических свойств и их признаки (открытая, закрытая, изолированная система) Независимые переменные и термодинамические функции химических систем Внутренние и внешние переменные термодинамических систем Переменные, связанные с количеством вещества и структурой материи Равновесные и неравновесные состояния вещества Термодинамические процессы

Лекция 2. Структура химической термодинамики.
Кратко об основах химической термодинамики Термодинамические функции Формально-математический признак функции состояния Постулаты термодинамики Законы термодинамики Термические и калорические уравнения состояния Фактор сжимаемости газа Уравнение Ван-дер-Ваальса Исключение а и b из уравнения Ван-дер-Ваальса Вириальные уравнения состояния Уравнения состояния кристаллического вещества

Лекция 3. Первый закон термодинамики. Способы расчета работы и теплоемкости.
Калорическое уравнение состояния Первый закон термодинамики Способы расчета работы Теплота Теплоемкость Уравнение теплоемкости для идеального газа Оценка изохорной теплоемкости для идеального газа Теплоемкость конденсированной фазы Зависимость теплоемкости от объема и давления Методы измерения теплоемкости

Лекция 4. Термохимические процессы.
Методы оценки изобарной теплоемкости Калориметрические уравнения состояния Оператор химической реакции Термохимия Стандартные и отсчетные состояния термодинамики Стандартные состояния конденсированной фазы и газ Стандартные тепловые эффекты Следствия закона Гесса Экспериментальные методы определения тепловых эффектов

Лекция 5. Энтропия.
Общее условие равновесия изолированной системы Расчет энтропии в различных процессах Теорема Нернста Расчет изменения энтропии при фиксированной температуре Изменение энтропии при фазовых превращениях Изменение энтропии в ходе химической реакции Образование растворов (на примере смешения газов) Парадокс Гиббса Источники информации Преобразования Лежандра

Лекция 6. Функции Гиббса и Гельмгольца.
Характеристичность функций Гиббса и Гельмгольца Уравнение Гиббса Фундаментальное уравнение Гиббса Получение уравнения для энергии Гиббса Уравнение энтальпии (уравнение Гельмгольца) Уравнение Гиббса-Гельмгольца Уравнение функции Гельмгольца Изобарная теплоемкость Коэффициент термического расширения Следствия второго закона термодинамики Расчет уравнений Гиббса и Гельмгольца в различных процессах Приведенная энергия Гиббса

Лекция 7. Приложения химической термодинамики.
Термодинамические базы данных Зависимость энергии Гиббса от состава смеси Химический потенциал Парциальные мольные свойства Методы определения парциальных мольных свойств Газовые законы и их использование

Лекция 8. Химический потенциал.
Химический потенциал Химический потенциал компоненты идеальной газовой смеси Химический потенциал компонент реального раствора Химический потенциал компонентов идеального конденсированного раствора Химический потенциал компонента реального химического раствора Интегральные свойства растворов Выбор стандартного состояния термодинамики раствора Уровни отсчета свойств раствора

Лекция 9. Условия химического равновесия.
Выражения для расчета активности компонентов симметричной системе Частное условие равновесия Конфигурационный член энергии Гиббса смешения раствора Избыточная энергия Гиббса растворов Формально-математические модели для описания модели Гиббса Термодинамическое определение идеального раствора

Лекция 10. Экспериментальные методы определения термодинамических свойств растворов.
Методы определения активности Коллигативные свойства раствора Изменение температуры кристаллизации для определения активности Осмос как метод определения активностей растворителей Методы определения летучести (фугитивности) Фазовые диаграммы Правило фаз Гиббса Метод расчета фазовых равновесий Расчет фазовых диаграмм однокомпонентных систем из общего условия равновесия

Лекция 11. Фазовые диаграммы однокомпонентной и бинарной системы.
Гетерогенные равновесия Расчет фазовой диаграммы однокомпонентной системы из частных условий равновесия Уравнение Клазиуса Уравнение Антуана Фазовые переходы Аналитика Двухкомпонентные системы Расчет фазовых диаграмм бинарной системы эвтектического типа

Лекция 12. Расчет фазовых диаграмм термодинамических систем.
Расчет фазовой диаграммы системы с простой эклектикой из частных условий равновесия Уравнение Шрёдера Криоскопическая постоянная Расчет фазовых равновесий в бинарной системе при условии образования растворов в твердом и жидком состоянии Расчет фазовых диаграмм веществ с конгруэнтно плавящимися соединениями Расчет кривой ликвидуса

Лекция 13. Условия химического равновесия.
Расчет равновесия жидкость-пар Общее условие равновесия Частные условия равновесия Зависимость растворимости от давления Химические гомогенные равновесия

Лекция 14. Константы равновесия изотермических реакций.
форма) форма) Константы равновесия Реакции в конденсированной фазе Зависимость констант равновесия от различных факторов Зависимость константы равновесия от температуры Зависимость константы равновесия от давления Природа растворителя Алгоритм расчета равновесного состава с использованием константы равновесия

Лекция 15. Введение в химическую кинетику.
Расчет синтеза через константу равновесия на основе программы ИНВАНТЕРМО Химическая кинетика Типы реакций в химичеcкой кинетике Закон действующих масс Прямая и обратная задача кинетики Реакции нулевого порядка Реакции первого порядка Реакции второго порядка

Лекция 16. Кинетика химических реакций.
Реакции второго порядка Методы определения порядка реакции Рекомендации к постановке эксперимента Обратимые реакции Обратная задача для обратимых реакций Параллельные реакции Обратная задача для параллельных реакций Последовательные реакции

Лекция 17. Кинетика описания сложных реакций.
Последовательные реакции (k – константы скорости превращения веществ) Вековое равновесие Обратная задача (k – константы скорости превращения веществ) Приближенные методы химической кинетики Квазистационарное приближение Квазиравновесное приближение Температурные зависимости констант скоростей Основные положения теории Аррениуса касающиеся температурной зависимости скоростей реакции

Лекция 18. Методы определения энергии активации. Кинетики реакций.
Методы определения энергии активации Энергия активации сложных реакций Кинетика реакций в конденсированной фазе Кинетика гетерогенных реакций Скорость реакции кристаллизации и растворения Кинетика топохимических реакций

Лекция 19. Второй закон термодинамики.
Второй закон термодинамики Цикл Карно Фундаментальные уравнения Гиббса Соотношения Максвелла Уравнение Гиббса-Дюгена Вывод частных условий равновесия Условие фазового равновесия Химические равновесия Частные условия химического равновесия

Лекция 20. Гетерогенные каталитические реакции.
Гетерогенные каталитические реакции Адсорбция Модель Ленгмюра Линейная термодинамика неравновесных процессов Концепция локального равновесия

Второй закон термодинамики, формулировки, энтропия. Процессы: обратимые, необратимые

Тестирование онлайн

Второй закон термодинамики

Первый закон термодинамики – один из самых общих и фундаментальных законов природы. Неизвестно ни одного процесса, где он нарушался бы. Если какой-либо процесс запрещен первым законом, то можно быть уверенным, что этот процесс никогда не произойдет.

Но первый закон ничего не объясняет, в каком направлении происходят процессы. Например, при падении камня вся его кинетическая энергия исчезает при ударе о землю, но при этом увеличивается внутренняя энергия самого камня и окружающих его тел, так что закон сохранения энергии не нарушается. Но первому закону термодинамики не противоречил бы и обратный процесс, при котором к лежащему на земле камню перешло бы от окружающих предметов некоторое количество теплоты, в результате чего камень поднялся бы на некоторую высоту. Однако никто никогда не наблюдал таких самопроизвольно подскакивающих камней.

Разбить яйца и сделать яичницу не сложно, воссоздать же сырые яйца из готовой яичницы — невозможно. Запах из открытого флакона духов наполняет комнату — однако обратно во флакон его не соберешь. И причина такой необратимости процессов, происходящих во Вселенной, кроется во втором начале термодинамики, который, при всей его кажущейся простоте, является одним из самых трудных и часто неверно понимаемых законов классической физики.

Опыт показывает, что разные виды энергии не равноценны в отношении способности превращаться в другие виды энергии.

Второе начало термодинамики имеет несколько формулировок. Формулировка Клаузиуса: невозможен процесс перехода теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой.

Формулировка Томсона: невозможен процесс, результатом которого было бы совершение работы за счет теплоты, взятой от одного какого-то тела. Эта формулировка накладывает ограничение на превращение внутренней энергии в механическую. Невозможно построить машину (вечный двигатель второго рода), которая совершала бы работу только за счет получения теплоты из окружающей среды.

Формулировка Больцмана: Энтропия — это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия, тем хаотичнее движение материальных частиц, составляющих систему. Давайте посмотрим, как она работает, на примере воды. В жидком состоянии вода представляет собой довольно неупорядоченную структуру, поскольку молекулы свободно перемещаются друг относительно друга, и пространственная ориентация у них может быть произвольной. Другое дело лед — в нем молекулы воды упорядочены, будучи включенными в кристаллическую решетку. Формулировка второго начала термодинамики Больцмана, условно говоря, гласит, что лед, растаяв и превратившись в воду (процесс, сопровождающийся снижением степени упорядоченности и повышением энтропии) сам по себе никогда из воды не возродится. Энтропия не может уменьшаться в замкнутых системах — то есть, в системах, не получающих внешней энергетической подпитки. Или, холодильник не работает, если он не включен в розетку! Или, частицы, оказавшись в беспорядочном хаотичном состоянии не возвращаются в порядок самопроизвольно.

Обратимые и необратимые процессы

Газ находится в сосуде, закрытом поршнем. Выдвигаем поршень. Это необратимый процесс, потому что его нельзя вернуть в обратное состояние через те же промежуточные состояния системы!

Чтобы расширить газ обратимым образом, нужно выдвигать поршень бесконечно медленно. При этом давление газа будет во всем объеме одинаковым.

Необратимыми являются процессы, при которых механическая энергия переходит во внутреннюю при наличие трения. В отсутствие трения все механические процессы протекали бы обратимо.

Таким образом, равновесные обратимые процессы являются абстракцией из-за существующих трения и теплообмена.

Второй закон термодинамики можно сформулировать без уточнения вида процесса. При этом формулировка будет эквивалентна вышеизложенным: вблизи каждого равновесного состояния любой термодинамической системы существуют другие равновесные состояния, недостижимые из первого адиабатическим путем.

Принцип адиабатической недостижимости означает, что практически все реальные процессы происходят с теплообменом: адиабатические процессы – это редкое исключение. Рядом с каждым равновесным состоянием есть множество других, переход в которые обязательно требует теплообмена, и лишь в немногие из них можно попасть адиабатически.

Термодинамика подтвердила важность РНК для возникновения жизни: Наука и техника: Lenta.ru

Джереми Ингланд, физик из Массачусетского технологического института, предложил способ рассчитать количество энергии, которое требуется на воспроизведение жизни. Его оценки показали, что репликация РНК термодинамически значительно проще, чем репликация ДНК и, следовательно, должна была возникнуть раньше. Результаты, косвенно подтверждающие гипотезу РНК-мира, пока не опубликованы в рецензируемом журнале. Препринт работы доступен на сайте Корнельского университета. Кратко о ней пишет блог Technology Review.

Термодинамические расчеты основаны на статистической оценке биологической системы до и после репликации. Имея полную информацию о возможном состоянии частиц в системе, при которой допустимо существование жизни, можно рассчитать количество тепла, затрачиваемое на репликацию. Статистически оценивая эти состояния, физик в своих расчетах избежал термодинамического определения жизни, вынеся его за скобки мыслительного эксперимента (предполагается, что отделить живое от неживого всегда может внешний эксперт).

По оценкам ученого, с термодинамической точки зрения репликация РНК значительно проще репликации ДНК. На заре возникновения жизни вероятность репликации у РНК была значительно выше, чем у ДНК, что косвенно подтверждает гипотезу РНК-мира. Согласно ей, первые самовоспровоизводящиеся системы состояли из РНК, которая одновременно была и носителем наследственной информации и машиной для ее воспроизводства. Разделение функций произошло значительно позднее, когда ДНК стала использоваться как надежное хранилище информации (она химически устойчивей РНК), а ферментативная функция перешла к белкам.

Кроме того, Ингланду удалось оценить энергетическую эффективность репликации бактерий. По словам ученого, Escherichia coli на репликацию тратит всего в 2-3 раза больше термодинамически рассчитанного минимума. Впрочем, далеко не перед всякими бактериями стоят задачи максимальной оптимизации энергии (многие микроорганизмы тратят энергию просто на ускорение биохимических процессов). Возможно, для чрезвычайно медленно растущих океанических донных бактерий показатели энергоэффективности репликации могут оказаться еще более впечатляющими, чем у относительно благополучных E. coli.

Термодинамика черных дыр / Хабр

С Днем космонавтики! Мы сдали в типографию

«Маленькую книгу о черных дырах»

. Именно в эти дни астрофизики показали всему миру как черные дыры выглядят. Совпадение? Не думаем 😉 Так что ждите, скоро появится удивительная книга, которую написали Стивен Габсер и Франс Преториус, перевел замечательный пулковский астроном aka Астродед Кирилл Масленников, сделал научную редактуру легендарный Владимир Сурдин и поддержал ее издание фонд Траектория.

Отрывок «Термодинамика черных дыр» под катом.

До сих пор мы рассматривали черные дыры как астрофизические объекты, которые образовались при взрывах сверхновых или лежат в центрах галактик. Мы наблюдаем их косвенно, измеряя ускорения близких к ним звезд. Знаменитая регистрация гравитационных волн приемником LIGO 14 сентября 2015 г. стала примером более прямых наблюдений столкновения черных дыр. Математические инструменты, которыми мы пользуемся для достижения лучшего понимания природы черных дыр, таковы: дифференциальная геометрия, уравнения Эйнштейна и мощные аналитические и численные методы, применяемые для решения уравнений Эйнштейна и при описании геометрии пространства-времени, которое порождают черные дыры. И как только мы сможем дать полное количественное описание порождаемого черной дырой пространства-времени, с астрофизической точки зрения тема черных дыр сможет считаться закрытой. В более широкой теоретической перспективе остается еще очень много возможностей для исследования. Цель этой главы — рассказать о некоторых теоретических достижениях современной физики черных дыр, в которых идеи термодинамики и квантовой теории объединяются с общей теорией относительности, порождая неожиданные новые концепции. Основная идея заключается в том, что черные дыры не просто геометрические объекты. У них есть температура, они обладают огромной энтропией и могут демонстрировать проявления квантовой запутанности. Наши рассуждения о термодинамических и квантовых аспектах физики черных дыр будут более отрывочными и поверхностными, чем представленный в предыдущих главах анализ чисто геометрических особенностей пространства‑времени в черных дырах. Но и эти, и в особенности квантовые, аспекты являются существенной и жизненно важной частью ведущихся теоретических исследований черных дыр, и мы очень постараемся передать если не сложные детали, то по крайней мере дух этих работ.

В классической общей теории относительности — если говорить о дифференциальной геометрии решений уравнений Эйнштейна — черные дыры являются истинно черными в том смысле, что из них ничто не может выбраться наружу. Стивен Хокинг показал, что эта ситуация полностью меняется, когда мы принимаем во внимание квантовые эффекты: черные дыры, оказывается, испускают излучение определенной температуры, известной как температура Хокинга. Для черных дыр астрофизических размеров (то есть от черных дыр звездных масс до сверхмассивных) температура Хокинга пренебрежимо мала по сравнению с температурой космического микроволнового фона — излучения, заполняющего всю Вселенную, которое, кстати, само может рассматриваться как вариант излучения Хокинга. Расчеты, выполненные Хокингом для определения температуры черных дыр, являются частью более обширной программы исследований в области, называемой термодинамикой черных дыр. Другую большую часть этой программы составляет изучение энтропии черных дыр, которая характеризует количество информации, теряющейся внутри черной дыры. Обычные объекты (такие, как кружка воды, брусок из чистого магния или звезда) тоже обладают энтропией, и одним из центральных утверждений термодинамики черных дыр является то, что черная дыра данного размера обладает большей энтропией, чем любая другая форма материи, которую можно вместить в область такого же размера, но без образования черной дыры.

Но прежде чем мы глубоко погрузимся в разбор проблем, связанных с излучением Хокинга и энтропией черных дыр, давайте предпримем быстрый экскурс в области квантовой механики, термодинамики и запутанности. Квантовая механика была разработана в основном в 1920-х годах, и ее основной целью было описание очень маленьких частиц материи, таких как атомы. Разработка квантовой механики привела к размыванию таких базовых понятий физики, как точное положение индивидуальной частицы: оказалось, например, что положение электрона при его движении вокруг атомного ядра не может быть точно определено. Вместо этого электронам были приписаны так называемые орбиты, на которых их действительные положения могут быть определены только в вероятностном смысле. Для наших целей, однако, важно не переходить к этой — вероятностной — стороне дела слишком быстро. Возьмем простейший пример: атом водорода. Он может находиться в определенном квантовом состоянии. Самое простое состояние водородного атома, называемое основным, — это состояние с наименьшей энергией, и эта энергия точно известна. В более общем смысле, квантовая механика позволяет нам (в принципе) знать состояние любой квантовой системы абсолютно точно.

Вероятности выходят на сцену, когда мы задаем определенного вида вопросы о квантово-механической системе. Например, если определенно известно, что атом водорода находится в основном состоянии, мы можем спросить: «Где находится электрон?» и по законам квантовой
механики получим на этот вопрос лишь некоторую оценку вероятности, приблизительно что‑то вроде: «вероятно, электрон находится на расстоянии до половины ангстрема от ядра атома водорода» (один ангстрем равен метров). Но у нас есть возможность посредством определенного физического процесса найти положение электрона гораздо точнее, чем до одного ангстрема. Этот довольно обычный в физике процесс состоит в том, чтобы запустить в электрон фотон с очень короткой длиной волны (или, как говорят физики, рассеять фотон на электроне) — после этого мы сможем реконструировать местоположение электрона в момент рассеяния с точностью, примерно равной длине волны фотона. Но этот процесс изменит состояние электрона, так что после этого он уже не будет находиться в основном состоянии водородного атома и не будет иметь точно определенной энергии. Зато на некоторое время его положение будет почти точно определено (с точностью до длины волны использованного для этого фотона). Предварительная оценка положения электрона может быть проведена только в вероятностном смысле с точностью около одного ангстрема, но как только мы измерили его, мы точно знаем, чему оно было равно. Короче говоря, если мы некоторым способом измеряем квантово-механическую систему, то, по крайней мере в общепринятом смысле, мы «насильно» придаем ей состояние с определенным значением величины, которую измеряем.

Квантовая механика приложима не только к малым, но и (как мы полагаем) ко всем системам, однако для больших систем квантово-механические правила быстро становятся очень сложными. Ключевой концепцией является квантовая запутанность, простым примером которой может служить понятие спина (вращения). Индивидуальные электроны обладают спином, поэтому на практике единичный электрон может иметь спин, направленный вверх или вниз по отношению к выбранной пространственной оси. Спин электрона является наблюдaемой величиной, потому что электрон порождает слабое магнитное поле, подобное полю магнитного бруска. Тогда спин, направленный вверх, означает, что северный полюс электрона указывает вниз, а спин, направленный вниз, означает, что северный полюс «смотрит» вверх. Два электрона могут быть поставлены в сопряженное квантовое состояние, в котором у одного из них спин направлен вверх, а у другого вниз, но сказать, у какого из электронов какой спин, при этом невозможно. В сущности, в основном состоянии атома гелия два электрона находятся именно в таком состоянии, называемом спин-синглетным, так как суммарный спин обоих электронов равен нулю. Если мы разделим эти два электрона, не меняя их спинов, то сможем продолжать утверждать, что они вместе спин-синглетны, но по-прежнему не сможем сказать, каков будет спин у любого из них по отдельности. Вот если мы измерим один из их спинов и установим, что он направлен вверх, тогда мы будем полностью уверены, что второй направлен вниз. В этой ситуации мы говорим, что спины запутаны — ни один сам по себе не имеет определенного значения, в то время как вместе они находятся в определенном квантовом состоянии.

Эйнштейна очень беспокоило явление запутанности: оно, казалось, угрожает основным принципам теории относительности. Рассмотрим случай двух электронов в спин-синглетном состоянии, когда они отстоят далеко друг от друга в пространстве. Для определенности, пусть один из них возьмет себе Алиса, а другой — Боб. Допустим, что Алиса измерила спин своего электрона и обнаружила, что он направлен вверх, а Боб ничего измерять не стал. Пока Алиса не выполнила свое измерение, невозможно было сказать, каков спин его электрона. Но как только она свое измерение завершила, она абсолютно точно узнала, что спин электрона Боба направлен вниз (в направлении, обратном направлению спина ее собственного электрона). Значит ли это, что ее измерение мгновенно перевело электрон Боба в состояние, когда его спин направлен вниз? Как это могло произойти, если электроны пространственно разделены? Эйнштейн и его сотрудники Натан Розен и Борис Подольский чувствовали, что история с измерением запутанных систем настолько серьезна, что угрожает самому существованию квантовой механики. Сформулированный ими парадокс Эйнштейна—Подольского—Розена (ЭПР) использует мысленный эксперимент, похожий на тот, что мы сейчас описали, чтобы сделать вывод: квантовая механика не может быть полным описанием реальности. Сейчас на основании последовавших за этим теоретических изысканий и множества измерений установилось общее мнение, что ЭПР-парадокс содержит ошибку, а квантовая теория верна. Квантово-механическая запутанность реальна: измерения запутанных систем будут коррелировать, даже если эти системы далеко разнесены в пространстве-времени.

Вернемся к ситуации, где мы поставили два электрона в спин-синглетное состояние и раздали их Алисе и Бобу. Что мы можем сказать об электронах до того, как проведены измерения? Что оба вместе они находятся в определенном квантовом состоянии (спин-синглетном). Спин Алисиного электрона с одинаковой вероятностью направлен вверх или вниз. Точнее, квантовое состояние ее электрона с одинаковой вероятностью может быть одним (спином вверх) или другим (спином вниз). Теперь для нас понятие вероятности приобретает более глубокий смысл, чем раньше. Прежде мы рассматривали определенное квантовое состояние (основное состояние атома водорода) и видели, что есть некоторые «неудобные» вопросы, такие, например, как «Где находится электрон?», — вопросы, ответы на которые существуют только в вероятностном смысле. Если бы мы задавали «хорошие» вопросы, например: «Какова энергия этого электрона?», мы получали бы на них определенные ответы. Теперь же нет «хороших» вопросов, которые мы могли бы задать об Алисином электроне, ответы на которые не зависели бы от электрона Боба. (Мы не говорим о глупых вопросах вроде «А есть ли у Алисиного электрона вообще спин?» — вопросах, на которые существует только один ответ. ) Таким образом, для определения параметров одной из половин запутанной системы нам придется использовать вероятностный язык. Определенность возникает только, когда мы рассматриваем связь между вопросами, которые могут задать о своих электронах Алиса и Боб.

Мы нарочно начали с одной из простейших квантово-механических систем, которые нам известны: системы спинов индивидуальных электронов. Есть надежда, что на базе подобных простых систем будут построены квантовые компьютеры. Система спинов индивидуальных электронов или другие эквивалентные квантовые системы сейчас называются кубитами (сокращение от «квантовые биты»), что подчеркивает их роль в квантовых компьютерах, аналогичную роли, которую играют обычные биты в компьютерах цифровых.

Представим себе теперь, что мы заменили каждый электрон гораздо более сложной квантовой системой со многими, а не только двумя квантовыми состояниями. Например, дали Алисе и Бобу бруски из чистого магния. Прежде чем Алиса и Боб разойдутся по своим делам в разные стороны, их бруски могут взаимодействовать, и мы договоримся, что при этом они приобретают определенное общее квантовое состояние. Как только Алиса и Боб расходятся, их магниевые бруски перестают взаимодействовать. Как и в случае с электронами, каждый брусок находится в неопределенном квантовом состоянии, хотя вместе, как мы считаем, они образуют состояние вполне определенное. (В этом обсуждении мы предполагаем, что Алиса и Боб способны перемещать свои магниевые бруски, никак не нарушая их внутреннего состояния, точно так же как прежде мы предполагали, что Алиса и Боб могли разделять свои запутанные электроны, не меняя их спинов.) Но различие между этим мысленным экспериментом и экспериментом с электронами заключается в том, что неопределенность квантового состояния каждого бруска огромна. Брусок вполне может приобрести больше квантовых состояний, чем число атомов во Вселенной. Вот тут‑то на сцену и выходит термодинамика. Очень неточно определенные системы могут, тем не менее, иметь некоторые хорошо определенные макроскопические характеристики. Такой характеристикой является, например, температура. Температура — это мера того, с какой вероятностью любая часть системы имеет определенную среднюю энергию, причем более высокая температура соответствует большей вероятности иметь большую энергию. Другой термодинамический параметр — энтропия, по сути, равная логарифму количества состояний, которые система может принимать. Еще одна термодинамическая характеристика, которая была бы существенна для бруска магния, — это его суммарная намагниченность, то есть, в сущности, параметр, показывающий, насколько больше в бруске может быть электронов со спином, направленным вверх, чем со спином, направленным вниз.

Мы привлекли к нашему рассказу термодинамику как способ описывать системы, квантовые состояния которых точно неизвестны из-за их запутанности с другими системами. Термодинамика — мощный инструмент анализа таких систем, но ее создатели вовсе не предполагали такого ее применения. Сади Карно, Джеймс Джоуль, Рудольф Клаузиус были деятелями промышленной революции XIX столетия, и интересовал их самый практический из всех вопросов: как работают двигатели? Давление, объем, температура и теплота — плоть и кровь двигателей. Карно установил, что энергия в виде теплоты никогда не может быть полностью превращена в полезную работу вроде подъема грузов. Часть энергии всегда будет расходоваться впустую. Клаузиус внес основной вклад в создание идеи энтропии как универсального инструмента определения энергетических потерь в ходе любого процесса, связанного с теплотой. Главным его достижением было осознание того, что энтропия никогда не уменьшается — почти во всех процессах она растет. Процессы, в которых энтропия увеличивается, называются необратимыми — именно потому, что они не могут пойти вспять без уменьшения энтропии. Следующий шаг на пути развития статистической механики был сделан Клаузиусом, Максвеллом и Людвигом Больцманом (в числе многих других) — они показали, что энтропия является мерой беспорядка. Обычно чем больше вы действуете на что‑то, тем больше вносите туда беспорядка. И даже если вы разработали процесс, целью которого является наведение порядка, в ходе его неизбежно образуется больше энтропии, чем будет уничтожено, — например, при выделении теплоты. Подъемный кран, который укладывает стальные балки в идеальном порядке, создает упорядоченность в смысле расположения балок, но в ходе его работы выделится столько тепла, что общая энтропия все равно растет.

Но всё же отличие взгляда на термодинамику физиков XIX века от взгляда, связанного с квантовой запутанностью, не так велико, каким кажется. Каждый раз, когда система взаимодействует с внешним агентом, ее квантовое состояние запутывается с квантовым состоянием агента. Обычно эта запутанность ведет к увеличению неопределенности квантового состояния системы, другими словами, к росту числа квантовых состояний, в которых система может находиться. В результате взаимодействия с другими системами энтропия, определяемая в терминах количества доступных системе квантовых состояний, как правило, растет.

В общем, квантовая механика дает новый способ характеризовать физические системы, в которых некоторые параметры (например, положение в пространстве) становятся неопределенными, зато другие (например, энергия) часто известны точно. В случае квантовой запутанности две принципиально раздельные части системы имеют известное общее квантовое состояние, а каждая часть по отдельности — состояние неопределенное. Стандартный пример запутанности — пара спинов в синглетном состоянии, в котором невозможно сказать, какой спин направлен вверх, а какой — вниз. Неопределенность квантового состояния в большой системе требует термодинамического подхода, при котором макроскопические параметры, такие как температура и энтропия, известны с большой точностью, несмотря на то что у системы существует множество возможных микроскопических квантовых состояний.

Закончив наш краткий экскурс в область квантовой механики, запутанности и термодинамики, попробуем теперь понять, как всё это приводит к пониманию того факта, что черные дыры имеют температуру. Первый шаг к этому сделал Билл Унру — он показал, что ускоряющийся наблюдатель в плоском пространстве будет обладать температурой, равной своему ускорению, деленному на 2π. Ключ к вычислениям Унру в том, что наблюдатель, движущийся с постоянным ускорением в определенном направлении, может видеть только половину плоского пространства‑времени. Вторая половина, по сути, находится за горизонтом, подобным горизонту черной дыры. Сначала это выглядит невозможным: как может плоское пространство-время вести себя как горизонт черной дыры? Чтобы понять, как это выходит, призовем на помощь наших верных наблюдателей Алису, Боба и Билла. По нашей просьбе они выстраиваются в линию, причем Алиса оказывается между Бобом и Биллом, а между наблюдателями в каждой паре расстояние составляет ровно 6 километров. Договорились, что в нулевой момент времени Алиса прыгнет в ракету и полетит в сторону Билла (а значит, от Боба) с постоянным ускорением. Ракета у нее очень хорошая, способная развивать ускорение в 1,5 триллиона раз больше гравитационного ускорения, с которым движутся объекты вблизи поверхности Земли. Конечно, выдерживать такое ускорение Алисе нелегко, но, как мы сейчас увидим, эти цифры выбраны с определенной целью; в конце концов, мы просто обсуждаем потенциальные возможности, вот и всё. Ровно в тот момент, когда Алиса прыгает к себе в ракету, Боб и Билл машут ей рукой. (Мы вправе употреблять выражение «ровно в тот момент, когда…», потому что пока Алиса еще не начала полет, она находится в той же системе отсчета, что и Боб с Биллом, так что все они вполне могут синхронизировать свои часы. ) Машущего ей Билла Алиса, конечно, видит: правда, находясь в ракете, она увидит его раньше, чем это случилось бы, если бы она оставалась там, где была, ведь ее ракета вместе с ней летит именно к нему. От Боба же она, наоборот, удаляется, так что мы можем резонно предположить, что она увидит, как он ей машет, несколько позже, чем увидела бы, останься она на прежнем месте. Но истина еще более удивительна: Боба она вообще не увидит! Иначе говоря, фотоны, которые летят от машущего рукой Боба к Алисе, никогда ее не догонят, даже учитывая, что она никогда не сможет достичь скорости света. Если бы Боб начал махать, находясь чуть ближе к Алисе, тогда фотоны, которые улетели от него в момент ее отправления, ее бы настигли, а если бы он находился чуть дальше, то тем более не настигли бы. Именно в этом смысле мы говорим, что Алисе видна только половина пространства-времени. На момент, когда Алиса начинает движение, Боб находится чуть-чуть дальше горизонта, который наблюдает Алиса.

В нашем обсуждении квантовой запутанности мы уже привыкли к идее, что даже если квантово-механическая система в целом обладает определенным квантовым состоянием, какие-то ее части могут им не обладать. На самом деле, когда мы обсуждаем сложную квантовую систему, какая-то ее часть может быть наилучшим образом охарактеризована именно в рамках термодинамики: ей может быть приписана вполне определенная температура, несмотря на в высшей степени неопределенное квантовое состояние всей системы. Наша последняя история с участием Алисы, Боба и Билла немного похожа на эту ситуацию, но квантовая система, о которой мы здесь говорим, является пустым пространством-временем, и Алиса видит только его половину. Оговоримся, что пространство-время в целом находится в своем основном состоянии, что означает отсутствие в нем частиц (конечно, не считая Алисы, Боба, Билла и ракеты). Но та часть пространства-времени, которую видит Алиса, будет находиться не в основном состоянии, а в состоянии, запутанном с той его частью, которой она не видит. Воспринимаемое Алисой пространство-время находится в сложном неопределенном квантовом состоянии, характеризуемом конечной температурой. Вычисления Унру показывают, что эта температура составляет примерно 60 нанокельвинов. Коротко говоря, по мере своего ускорения Алиса как бы окунается в теплую ванну излучения с температурой, равной (в соответствующих единицах) ускорению, деленному на

Рис. 7.1. Алиса движется с ускорением из состояния покоя, в то время кaк Боб и Билл остаются неподвижными. Ускорение Алисы как раз такое, чтобы она никогда не увидела фотонов, которые отправляет в ее сторону Боб в момент t = 0. Однако она получает фотоны, которые в момент t = 0 ей послал Билл. В результате получается, что Алиса способна наблюдать только одну половину пространства‑времени.

Странность вычислений Унру состоит в том, что хотя они от начала до конца относятся к пустому пространству, они противоречат известным словам короля Лира «из ничего не выйдет ничего». Как может пустое пространство быть столь сложным? Откуда в нем могут взяться частицы? Дело в том, что согласно квантовой теории пустое пространство отнюдь не пустое. В нем здесь и там постоянно появляются и исчезают короткоживущие возбуждения, называемые виртуальными частицами, энергия которых может быть и положительной, и отрицательной. Наблюдатель из далекого будущего — назовем ее Кэрол, — которая способна видеть практически всё пустое пространство, может подтвердить, что в нем нет продолжительно существующих частиц. При этом присутствие частиц с положительной энергией в той части пространства-времени, которую Алиса может наблюдать, благодаря квантовой запутанности связано с возбуждениями равной и противоположной по знаку энергии в ненаблюдаемой для Алисы части пространства‑времени. Вся правда о пустом пространстве-времени в целом открыта для Кэрол, и эта истина в том, что там нет частиц. Однако опыт Алисы говорит ей, что частицы там есть!

Но тогда выходит, что вычисленная Унру температура, похоже, просто фикция — она является не столько свойством плоского пространства как такового, сколько свойством наблюдателя, испытывающего в плоском пространстве постоянное ускорение. Однако и само тяготение является такой же «фиктивной» силой в том смысле, что «ускорение», которое им вызывается, есть не что иное, как движение по геодезической в искривленной метрике. Как мы уже объясняли в главе 2, эйнштейновский принцип эквивалентности состоит в том, что ускорение и тяготение, в сущности, эквивалентны. С этой точки зрения нет ничего особенно шокирующего в том, что горизонт черной дыры имеет температуру, равную вычисленной Унру температуре ускоряющегося наблюдателя. Но, можем мы спросить, какое же значение ускорения нам следует использовать для определения температуры? Удаляясь на достаточно большое расстояние от черной дыры, мы можем сделать ее гравитационное притяжение сколь угодно слабым. Следует ли из этого, что для определения измеряемой нами эффективной температуры черной дыры нам надо использовать соответствующее малое значение ускорения? Этот вопрос оказывается довольно коварным, ведь, как мы полагаем, температура объекта не может произвольно уменьшаться. Предполагается, что она обладает некоторым фиксированным конечным значением, которое может измерить даже очень удаленный наблюдатель.

2.6. Третий закон термодинамики (тепловой закон Нернста)

2.

6. Третий закон термодинамики (тепловой закон Нернста)

Как уже указывалось, первый и второй законы термодинамики были сформулированы как принципы невозможности двигателей первого и второго рода.

Третий закон термодинамики сформулирован как принцип невозможности достижения абсолютного нуля температур.

Рассматривая максимально возможные теплоту и работу химических реакций вблизи абсолютного нуля температуры, немецкий физик и физикохимик В. Нернст (1864–1941) заметил, что для конденсированных систем при T → 0 производные теплоты и работы по температуре становятся равными друг другу и также стремятся к нулю. Базируясь на этом, он своей теоремой (теорема Нернста) установил, что вблизи абсолютного нуля температуры значение всех теплоемкостей становится равным нулю и энтропии S всех веществ, находящихся в равновесном состоянии, становятся неизменными и равными между собой. Этот вывод, называемый тепловым законом Нернста, в дальнейшем подтвержден практикой расчетов и экспериментальными данными определения теплоемкостей. В дальнейшем М. Планк показал, что абсолютные значения энтропии при T → 0 для различных веществ не только равны друг другу, но и могут быть приняты равными нулю, т. е. для всех веществ при T → 0 имеем S 0 =0.

Из вышеуказанного рассуждения следует, что ни путем отвода тепла (т. е. охлаждением тела), ни путем совершения какой-либо работы вблизи абсолютного нуля понизить температуру тела невозможно. Этот вывод формулируется как весьма важный закон: абсолютный нуль температуры недостижим. Опыт показывает, что, говоря словами самого Нернста, «в соответствии с результатами квантовой теории для каждого твердого тела существует в окрестности абсолютного нуля некий температурный интервал, в котором само понятие температуры практически теряет смысл», или, проще говоря, в этом температурном интервале свойства тела (объём, тепловое расширение, сжимаемость и т. д.) не зависят от температуры. Это поле термической нечувствительности различно у разных тел; у алмаза, согласно Нернсту, оно простирается не менее чем на 40 градусов от абсолютного нуля.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Четыре закона термодинамики

Четыре закона термодинамики – Химия LibreTexts Перейти к основному содержанию
  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
Без заголовков
  • 0-й закон термодинамики
    Нулевой закон термодинамики гласит, что если две системы находятся в термодинамическом равновесии с третьей системой, то две исходные системы находятся в тепловом равновесии друг с другом. В принципе, если система А находится в тепловом равновесии с системой С, а система В также находится в тепловом равновесии с системой С, то система А и система В находятся в тепловом равновесии друг с другом.
  • 1-й закон термодинамики
    Первый закон термодинамики гласит, что энергия может быть преобразована из одной формы в другую при взаимодействии тепла, работы и внутренней энергии, но она не может ни создаваться, ни уничтожаться ни при каких обстоятельствах. .
  • 2-й закон термодинамики
    Второй закон термодинамики гласит, что состояние энтропии всей вселенной как изолированной системы всегда будет увеличиваться с течением времени.Второй закон также гласит, что изменения энтропии во Вселенной никогда не могут быть отрицательными.
  • 3-й закон термодинамики
    3-й закон термодинамики по существу позволит нам количественно определить абсолютную амплитуду энтропии. В нем говорится, что когда мы рассматриваем полностью совершенную (100% чистую) кристаллическую структуру, при абсолютном нуле (0 градусов Кельвина) у нее не будет энтропии (S). Заметим, что если бы рассматриваемая структура не была полностью кристаллической, то, хотя она имела бы очень малый беспорядок (энтропию) в пространстве, мы не могли бы точно сказать, что у нее нет энтропии.

Термодинамические процессы – University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Дайте определение термодинамическому процессу
  • Различать квазистатические и неквазистатические процессы
  • Расчет физических величин, таких как переданное тепло, выполненная работа и изменение внутренней энергии для изотермических, адиабатических и циклических термодинамических процессов

При решении задач механики мы изолируем рассматриваемое тело, анализируем действующие на него внешние силы, а затем используем законы Ньютона для предсказания его поведения. В термодинамике мы используем аналогичный подход. Мы начинаем с определения той части Вселенной, которую хотим изучить; она также известна как наша система. (В начале этой главы мы определили систему как все, чьи свойства нас интересуют; это может быть отдельный атом или вся Земля.) Как только наша система выбрана, мы определяем, как окружающая среда или окружение взаимодействует с ней. система. Наконец, поняв взаимодействие, мы изучаем тепловое поведение системы с помощью законов термодинамики.

Тепловое поведение системы описывается в терминах термодинамических переменных . Для идеального газа такими переменными являются давление, объем, температура и количество молекул или молей газа. Различные типы систем обычно характеризуются разными наборами переменных. Например, термодинамическими переменными для натянутой резиновой ленты являются натяжение, длина, температура и масса.

Состояние системы может изменяться в результате ее взаимодействия с окружающей средой. Изменения в системе могут быть быстрыми или медленными, большими или малыми. Способ, которым состояние системы может измениться от начального до конечного состояния, называется термодинамическим процессом. Для аналитических целей в термодинамике полезно разделить процессы либо на квазистатические , либо на неквазистатические , как мы сейчас объясним.

Квазистатические и неквазистатические процессы

Квазистатический процесс относится к идеализированному или воображаемому процессу, в котором изменение состояния происходит бесконечно медленно, так что в каждый момент можно предположить, что система находится в термодинамическом равновесии с самой собой и с окружающей средой.Например, представьте себе нагревание 1 кг воды от температуры до постоянного давления в 1 атмосферу. Чтобы нагреть воду очень медленно, мы можем представить сосуд с водой помещенным в большую ванну, которую можно медленно нагревать так, что температура ванны может бесконечно медленно повышаться от до . Если мы поместим 1 кг воды непосредственно в ванну при температуре , температура воды быстро повысится до неквазистатическим образом.

Квазистатические процессы протекают достаточно медленно, чтобы система оставалась в термодинамическом равновесии в каждый момент времени, несмотря на то, что система изменяется во времени.Термодинамическое равновесие системы необходимо для того, чтобы система имела вполне определенные значения макроскопических свойств, таких как температура и давление системы в каждый момент процесса. Следовательно, квазистатические процессы могут быть показаны как четко определенные пути в пространстве состояний системы.

Поскольку квазистатические процессы не могут полностью реализоваться ни при каком конечном изменении системы, то все процессы в природе неквазистатичны. Примеры квазистатических и неквазистатических процессов показаны на (рис.).Несмотря на то, что все конечные изменения должны происходить по существу неквазистатически на каком-то этапе изменения, мы можем представить выполнение бесконечного множества квазистатических процессов, соответствующих каждому квазистатическому процессу. Поскольку квазистатические процессы поддаются аналитическому анализу, в этой книге мы в основном изучаем квазистатические процессы. Мы уже видели, что в квазистатическом процессе работа газа равна 90 102 pdV 90 049 .

Квазистатические и неквазистатические процессы между состояниями А и В газа.В квазистатическом процессе путь процесса между A и B можно изобразить на диаграмме состояний, поскольку известны все состояния, через которые проходит система. В неквазистатическом процессе состояния между A и B неизвестны, и, следовательно, путь не может быть прочерчен. Он может следовать пунктирной линии, как показано на рисунке, или идти совершенно другим путем.

Изотермические процессы

Изотермический процесс – это изменение состояния системы при постоянной температуре. Этот процесс достигается за счет поддержания системы в тепловом равновесии с помощью большой тепловой бани во время процесса. Напомним, что тепловая баня — это идеализированная «бесконечно» большая система, температура которой не меняется. На практике температура конечной ванны регулируется добавлением или удалением конечного количества энергии, в зависимости от обстоятельств.

В качестве иллюстрации изотермического процесса рассмотрим газовый баллон с подвижным поршнем, погруженный в большой резервуар с водой, температура которого поддерживается постоянной.Поскольку поршень свободно перемещается, давление внутри уравновешивается давлением снаружи с помощью некоторых грузов на поршне, как на (рис.).

Расширение системы при постоянной температуре. Удаление грузов на поршне приводит к дисбалансу сил на поршне, что заставляет поршень двигаться вверх. По мере того, как поршень движется вверх, температура на мгновение понижается, в результате чего тепло передается от термостата к системе. Энергия для перемещения поршня в конечном итоге исходит от тепловой ванны.

При снятии грузов с поршня возникает дисбаланс сил на поршне. Чистая ненулевая сила, действующая на поршень, заставит поршень ускоряться, что приведет к увеличению объема. Расширение газа охлаждает газ до более низкой температуры, что позволяет теплу из термостата поступать в систему до тех пор, пока температура газа не вернется к температуре термостата. Если грузы удаляются бесконечно малыми шагами, давление в системе уменьшается бесконечно медленно.Таким образом, изотермический процесс можно проводить квазистатически. Изотермическая линия на диаграмме ( p , V ) представлена ​​изогнутой линией от начальной точки A до конечной точки B , как показано на (Рисунок). Для идеального газа изотермический процесс гиперболический, так как для идеального газа при постоянной температуре .

Изотермическое расширение от состояния, обозначенного A , до другого состояния, обозначенного B на диаграмме pV .Кривая представляет собой отношение между давлением и объемом в идеальном газе при постоянной температуре.

Изотермический процесс, изучаемый в этой главе, осуществляется квазистатически, так как для того, чтобы быть изотермическим на всем протяжении изменения объема, необходимо уметь задавать температуру системы на каждом шаге, что возможно только в том случае, если система находится в тепловом равновесии непрерывно. Система должна выйти из равновесия, чтобы состояние изменилось, но для квазистатических процессов мы воображаем, что процесс осуществляется бесконечно малыми шагами, так что эти отклонения от равновесия можно сделать сколь угодно короткими и малыми.

Другими интересными квазистатическими процессами для газов являются изобарические и изохорные процессы. Изобарический процесс — это процесс, при котором давление в системе не меняется, тогда как изохорный процесс — это процесс, при котором объем системы не изменяется.

Адиабатические процессы

В адиабатическом процессе система изолирована от окружающей среды, так что, хотя состояние системы изменяется, тепло не может входить или выходить из системы, как показано на (рис.).Адиабатический процесс может осуществляться как квазистатически, так и неквазистатически. Когда система адиабатически расширяется, она должна совершать работу против внешнего мира, поэтому ее энергия уменьшается, что отражается на понижении температуры системы. Адиабатическое расширение приводит к понижению температуры, а адиабатическое сжатие — к повышению температуры. Мы снова обсуждаем адиабатическое расширение в «Адиабатических процессах для идеального газа».

Выпускается изолированный поршень с горячим сжатым газом.Поршень движется вверх, объем увеличивается, а давление и температура уменьшаются. Внутренняя энергия идет на работу. Если расширение происходит за время, за которое в систему может попасть незначительное количество тепла, то процесс называется адиабатическим. В идеале во время адиабатического процесса тепло не поступает в систему и не выходит из нее.

Циклические процессы

Мы говорим, что система проходит через циклический процесс, если состояние системы в конце такое же, как состояние в начале.Следовательно, такие свойства состояния, как температура, давление, объем и внутренняя энергия системы, не меняются в течение полного цикла:

Когда первый закон термодинамики применяется к циклическому процессу, мы получаем простое соотношение между теплотой, поступающей в систему, и работой, совершаемой системой за цикл:

Термодинамические процессы также различаются по тому, являются ли они обратимыми. Обратимый процесс — это процесс, который можно заставить повторить свой путь за счет дифференциальных изменений в окружающей среде. Следовательно, такой процесс также должен быть квазистатическим. Обратите внимание, однако, что квазистатический процесс не обязательно обратим, поскольку в нем могут участвовать диссипативные силы. Например, если бы между поршнем и стенками цилиндра, содержащего газ, возникало трение, энергия, теряемая на трение, не позволяла бы нам воспроизвести исходные состояния системы.

Мы рассмотрели несколько термодинамических процессов:

  1. Изотермический процесс, при котором температура системы остается постоянной
  2. Адиабатический процесс, при котором тепло не передается к системе или от нее
  3. Изобарический процесс, при котором давление в системе не изменяется
  4. Изохорный процесс, при котором объем системы не изменяется

Также происходит много других процессов, которые не вписываются ни в одну из этих четырех категорий.

Резюме

  • Тепловое поведение системы описывается в терминах термодинамических переменных. Для идеального газа такими переменными являются давление, объем, температура и количество молекул или молей газа.
  • Для систем, находящихся в термодинамическом равновесии, термодинамические переменные связаны уравнением состояния.
  • Резервуар тепла настолько велик, что при обмене теплом с другими системами его температура не меняется.
  • Квазистатический процесс протекает настолько медленно, что участвующая в нем система всегда находится в термодинамическом равновесии.
  • Обратимый процесс — это процесс, который можно заставить повторить свой путь, а температура и давление одинаковы во всей системе.
  • Существует несколько типов термодинамических процессов, в том числе (а) изотермические, когда температура системы постоянна; (б) адиабатический, когда система не обменивается теплом; в) изобарический, когда давление в системе постоянно; г) изохорная, когда объем системы постоянен.
  • Как следствие первого закона термодинамики, вот краткое описание термодинамических процессов: (а) изотермические: (б) адиабатические: (в) изобарические: и (г) изохорные:

Концептуальные вопросы

Когда газ изотермически расширяется, он работает. Какой источник энергии необходим для выполнения этой работы?

Система должна находиться в контакте с источником тепла, обеспечивающим поступление тепла в систему.

Если давление и объем системы заданы, всегда ли однозначно определяется температура?

Маловероятно, что процесс может быть изотермическим, если это не очень медленный процесс. Объяснить, почему. Верно ли то же самое для изобарических и изохорных процессов? Поясните свой ответ.

Изотермические процессы должны быть медленными, чтобы при передаче тепла температура не менялась.Даже для изобарических и изохорных процессов система должна находиться в тепловом равновесии с медленными изменениями термодинамических переменных.

Проблемы

Два моля одноатомного идеального газа при (5 МПа, 5 л) изотермически расширяют до тех пор, пока объем не удвоится (шаг 1). Затем изохорно охлаждают до давления 1 МПа (этап 2). Температура в этом процессе падает. Теперь газ изотермически сжимается до тех пор, пока его объем не вернется к 5 л, но его давление теперь равно 2 МПа (шаг 3).Наконец, газ изохорно нагревается, чтобы вернуться в исходное состояние (шаг 4). а) Изобразите четыре процесса в плоскости pV. б) Найдите полную работу, совершенную газом.

Рассмотрим преобразование из точки A в B в двухэтапном процессе. Сначала давление снижают с 3 МПа в точке A до давления 1 МПа, сохраняя при этом объем на уровне 2 л за счет охлаждения системы. Достигнутое состояние помечено C . Затем систему нагревают при постоянном давлении до достижения объема 6 л в состоянии B .а) Найдите объем работы, выполненной на пути ACB . б) Найдите количество теплоты, обменяемой системой при переходе из точки А в точку В по пути АСВ . (c) Сравните изменение внутренней энергии, когда процесс AB происходит адиабатически, с изменением AB в результате двухстадийного процесса на пути ACB .

а. 1660 Дж; б. −2730 Дж; в. Это не зависит от процесса.

Рассмотрим цилиндр с подвижным поршнем, содержащий n молей идеального газа.Весь аппарат погружают в баню с постоянной температурой Т Кельвина. Затем поршень медленно толкают, так что давление газа квазистатически изменяется от до при постоянной температуре T. Найдите работу, совершаемую газом, через n, R, T и

.

Идеальный газ изотермически расширяется вдоль АВ и совершает работу 700 Дж (см. ниже). а) Какое количество теплоты газообменует вдоль АВ? б) Затем газ адиабатически расширяется вдоль ВС и совершает работу 400 Дж. Когда газ возвращается в А по СА, он отдает в окружающую среду 100 Дж тепла.Какую работу совершает газ на этом пути?

Рассмотрим процессы, показанные ниже. В процессах АВ и ВС в систему передается 3600 Дж и 2400 Дж тепла соответственно. а) Найдите работу, выполненную в каждом из процессов AB, BC, AD и DC. б) Найдите изменение внутренней энергии в процессах АВ и ВС. (c) Найдите разницу внутренней энергии между состояниями C и A. (d) Найдите общее тепло, добавленное в процессе АЦП. (e) Из предоставленной информации можете ли вы найти тепло, добавляемое в процессе AD? Почему или почему нет?

Два моля газообразного гелия помещены в цилиндрический сосуд с поршнем.Газ находится при комнатной температуре и под давлением Когда внешнее давление уменьшается, сохраняя температуру такой же, как комнатная температура, объем газа удваивается. а) Найдите работу, которую внешний агент совершает над газом в процессе. б) Найдите теплоту, передаваемую газом, и укажите, поглощает ли газ теплоту или отдает ее. Предположим, что поведение идеального газа.

а. −3 400 Дж; б. 3400 Дж поступает в газ

Количество n молей одноатомного идеального газа в проводящем сосуде с подвижным поршнем помещают в большую термальную баню при температуре и позволяют газу прийти в равновесие. После достижения равновесия давление на поршень снижается, так что газ расширяется при постоянной температуре. Процесс продолжается квазистатически до тех пор, пока конечное давление не станет равным 4/3 начального давления. а) Найти изменение внутренней энергии газа. б) Найдите работу, совершенную газом. в) Найдите количество теплоты, передаваемое газом, и укажите, поглощает ли газ теплоту или отдает ее.

Глоссарий

адиабатический процесс
процесс, во время которого тепло не передается системе или от нее
циклический процесс
процесс, в котором состояние системы в конце совпадает с состоянием в начале
изобарический процесс
процесс, при котором давление в системе не меняется
изохорный процесс
процесс, во время которого громкость системы не меняется
изотермический процесс
процесс, во время которого температура системы остается постоянной
обратимый процесс
процесс, который можно отменить для одновременного восстановления системы и ее среды до исходного состояния
термодинамический процесс
способ изменения состояния системы из начального состояния в конечное

Краткое сообщение: Воздействие вызванного океанскими волнами разрушения антарктического морского льда с помощью термодинамики в автономной версии модели морского льда CICE

Краткое сообщение 03 мая 2017 г.

Краткое сообщение | 03 мая 2017 г.

Люк Г.Беннеттс 1 , Шивон О’Фаррелл 2 и Петтери Уотила 3 Люк Г. Беннеттс и др. Люк Г. Беннеттс 1 , Шивон О’Фаррелл 2 и Петтери Уотила 3
  • 1 Школа математических наук Университета Аделаиды, Аделаида, ЮАР, Австралия
  • 2 CSIRO Ocean and Atmosphere, Аспендейл, Виктория, Австралия
  • 3 Финский метеорологический институт, Хельсин
    • 1 1 Школа математических наук, Университет Аделаида, Adelaide, SA, Австралия
    • 2 CSIRO Океан и атмосфера, Асвендал, Вик, Австралия
    • 3 Финский метеорологический институт, Хельсинки, Финляндия

    Переписка : Люк Г. Беннетс ([email protected])

    Скрыть информацию об авторе Получено: 24 ноября 2016 г. – Начало обсуждения: 19 декабря 2016 г. – Пересмотрено: 17 марта 2017 г. – Принято: 31 марта 2017 г. – Опубликовано: 3 мая 2017 г.

    Воздействие волнового разрушения антарктического морского льда на сплоченность и объем льда исследуется с использованием модифицированной версии модели морского льда CICE, работавшей в автономном режиме с 1979 по 2010 год. Результаты моделирования показывают, что во время летнего вскрытия, вызванного волнами, местная сплоченность льда снижается до 0.3–0,4 вблизи кромки льда и общего объема льда до 0,1–0,2 раза.

    Второй закон термодинамики (обновлено 05.07.2014)

    Глава 5: Второй закон термодинамики (обновлено 05.07.2014)

    Глава 5: Второй закон термодинамики

    В этой главе мы рассмотрим более абстрактный подход нагревать циклы двигателя, холодильника и теплового насоса, пытаясь определить, выполнимы ли они, и получить предельный максимум производительность, доступная для этих циклов. Понятие механического и термообратимость занимает центральное место в анализе, что приводит к идеальные циклы Карно. (См. Википедию: Сади Карно французский физик, математик и инженер, который первым успешно описал тепловые двигатели, цикл Карно и заложил основы второго закона термодинамика). Для получения дополнительной информации об этом тему, см. документ: A Встреча Роберта Стирлинга и Сади Карно в 1824 году представлен на 2014 МЭК .

    Мы представляем тепловой двигатель и цикл теплового насоса в минималистский абстрактный формат, как на следующих диаграммах. В обоих случаях есть два температурных резервуара T H и Т Л , с Т Х ​​ > Т Л .

    В случае теплового двигателя тепло Q H извлекается из высокотемпературного источника T H , часть этого тепла превращается в работу W, совершаемую над окружающей средой, а остальное отбрасывается в низкотемпературную мойку T L . Обратное происходит с тепловым насосом, в котором работа W совершается на система для извлечения тепла Q L из низкотемпературный источник T L и «закачать» его в высокотемпературную раковину T H . Обратите внимание, что толщина линии представляет собой количество тепла. или переданная рабочая энергия.

    Теперь мы представляем два утверждения второго закона Термодинамика, первая о тепловой машине, а вторая по поводу теплового насоса. Ни одно из этих утверждений не может быть доказано, однако никогда не наблюдалось нарушений.

    Заявление Кельвина-Планка: Оно невозможно построить устройство, работающее по циклу и не производит никакого другого эффекта, кроме передачи тепла от одного тела для того, чтобы произвести работу.

    Мы предпочитаем менее формальное описание этого оператора с точки зрения лодки, извлекающей тепло из океана для производства его требуемая двигательная работа:

    Заявление Клаузиуса: Это невозможно построить устройство, работающее по циклу и не производит никакого другого эффекта, кроме передачи тепла от более холодного тела к более горячему телу.

    Эквивалентность Клаузиуса и Кельвина-Планка Выписки

    Примечательно, что два вышеуказанных утверждения Второй закон фактически эквивалентен. Для демонстрации своих эквивалентности рассмотрим следующую диаграмму. Слева мы видим тепло насос, который нарушает утверждение Клаузиуса, перекачивая тепло Q L из низкотемпературного резервуара в высокотемпературный температурный резервуар без каких-либо затрат труда. Справа мы видим тепловой двигатель, отводящий тепло Q L в низкотемпературный резервуар.

    Если мы теперь соединим два устройства, как показано ниже, то что теплота, отводимая тепловой машиной Q L , равна просто закачивается обратно в высокотемпературный резервуар, тогда отсутствие необходимости в низкотемпературном резервуаре, что приводит к двигатель, который нарушает утверждение Кельвина-Планка, отбирая тепло от одного источника тепла и преобразования его непосредственно в работу.

    Механическая и термическая обратимость

    Обратите внимание, что утверждения о втором законе отрицательные утверждения в том, что они описывают только то, что невозможно достигать.Чтобы определить максимальную производительность, доступную от тепловая машина или тепловой насос нам необходимо ввести понятие Реверсивность , включая механическую и термическую обратимость. мы попробуем пояснить эти понятия на следующем примере реверсивный поршневой цилиндр, находящийся в тепловом равновесии с окружающей среды при температуре T 0 , и подвергается циклическому процессу сжатия/расширения.

    Для механической обратимости мы предполагаем, что процесс без трения, однако мы также требуем, чтобы процесс квазиравновесный.На диаграмме мы видим, что во время при сжатии частицы газа, находящиеся ближе всего к поршню, будут более высокое давление, чем те, которые находятся дальше, поэтому поршень будет делать больше работы по сжатию, чем если бы мы ждали условия равновесия, возникающие после каждого дополнительного шага. Точно так же термическая обратимость требует, чтобы вся теплопередача изотермический. Таким образом, если происходит постепенное повышение температуры из-за к сжатию, то нужно дождаться установления теплового равновесия учредил.При расширении постепенное падение температуры приведет к передаче тепла от к окружающей среде к систему до тех пор, пока не установится равновесие.

    Итак, есть три условия, необходимые для реверсивный режим:

    • Все механические процессы без трения.

    • При каждом приращении шаг в процессе условия теплового и барического равновесия учредил.

    • Все процессы теплопередачи являются изотермическими.

    Теорема Карно

    Теорема Карно, также известная как правило Карно, или Принцип Карно можно сформулировать следующим образом:

    Тепловая машина не работает между двумя резервуары могут быть более эффективными, чем обратимая тепловая машина работающий между одними и теми же двумя резервуарами.

    Самый простой способ доказать эту теорему — рассмотреть сценарий, показанный ниже, в котором у нас есть необратимый двигатель как а также реверсивный двигатель, работающий между резервуарами T H и T L , однако необратимая тепловая машина имеет более высокий КПД, чем обратимая один.Оба они получают одинаковое количество тепла Q H от высокотемпературный резервуар, однако необратимый двигатель производит больше работы W I , чем реверсивный двигатель W R .

    Обратите внимание, что реверсивный двигатель по своей природе может работать в обратном порядке, т. е. если мы используем часть выхода работы (W R ) от нереверсивного двигателя для привода реверсивного двигателя затем он будет работать как тепловой насос, передавая тепло Q H в высокотемпературный резервуар, как показано на следующая диаграмма:

    Обратите внимание, что высокотемпературный резервуар становится избыточны, и в итоге мы получаем чистое количество тепла (Q LR – Q LI ) из температурный резервуар для производства чистого количества работы (W I – W R ) – метод Кельвина-Планка нарушитель – тем самым доказывая теорему Карно.

    Следствие 1 теоремы Карно:

    Можно сформулировать первое следствие теоремы Карно следующим образом:

    Все реверсивные тепловые двигатели действующие между теми же двумя тепловыми резервуарами должны иметь одинаковую эффективность.

    Таким образом, независимо от типа тепловой машины, рабочее тело или любой другой фактор, если тепловая машина обратима, то он должен иметь такой же максимальный КПД. Если это не тот случае, то мы можем управлять реверсивным двигателем с нижней КПД как тепловой насос, а нарушитель Кельвина-Планка как выше.

    Следствие 2 теоремы Карно:

    Второе следствие теоремы Карно может быть заявлено следующим образом:

    Эффективность реверсивного теплогенератора двигатель является функцией только соответствующих температур горячего и холодные резервуары. Его можно оценить, заменив отношение Тепловые переводы Q L и Q H H от соотношения температуры T L и T H соответствующие тепловые резервуары.

    Таким образом, используя это следствие, мы можем оценить тепловую КПД обратимой тепловой машины:

    Обратите внимание, что мы всегда переходим в «режим медитации». до замены отношения теплоты отношением абсолютных температуры, что справедливо только для реверсивных машин. То Простейшим концептуальным примером обратимой тепловой машины является машина Карно. цикла двигателя, как показано на следующей диаграмме:

    Совершенно непрактичный двигатель, который не может реализоваться на практике, поскольку для каждого из четырех процессов в цикл окружающей среды должен быть изменен с изотермического к адиабатическому.Более практический пример — идеальный цикл Стирлинга. двигатель, как показано на следующей схеме:

    Этот двигатель имеет поршень для сжатия и работы по расширению, а также вытеснитель для перемещения рабочей газа между горячим и холодным пространством, и было описано ранее в Глава 3b . Отметим, что при одинаковых условиях температуры и сжатия отношение идеальный двигатель Карно имеет такой же КПД, однако значительно меньшая полезная производительность за цикл, чем у Ideal Stirling цикла двигателя, как легко увидеть на следующей диаграмме:

    Когда реверсивный двигатель работает в обратном направлении, становится тепловым насосом или холодильником.Коэффициент производительности из этих машин разработано следующее:

    __________________________________________________________________________

    Решено Задача 5.1 – Реверсивный домашний воздух Кондиционер и горячая вода Нагреватель
    __________________________________________________________________________

    Проблема 5.2 – Тепловой насос используется для удовлетворения потребностей в отоплении дома и поддержания его при 20°С.В день, когда температура наружного воздуха опускается до -10°C подсчитано, что дом теряет тепло в размере 10 кВт. В этих условиях фактический коэффициент полезного действия (COP HP ) теплового насоса 2,5.

    • а) Начертить схему представляющая систему теплового насоса, показывающую поток энергии и температуры и определить:

    • б) фактическая мощность потребляется тепловым насосом [4 кВт]

    • в) сила, которая будет потребляться реверсивным тепловой насос в этих условиях [1.02 кВт]

    • г) сила, которая будет потребляться электрическим нагревателем сопротивления при этих условия [10 кВт]

    • e) Сравнение фактического теплового насоса с обратимый тепловой насос определить, если производительность фактического тепла насос возможен,

    Вывести все используемые уравнения, начиная с основного значение КПД л.с. .
    __________________________________________________________________________

    Задача 5.3 – Во время эксперимент, проведенный в старшей лаборатории при 25 ° C, студент измерил, что холодильник с циклом Стирлинга, который потребляет 250 Вт энергии, удален 1000кДж тепла от охлаждаемого помещения, поддерживаемого при -30°С. То время работы холодильника во время эксперимента составляло 20 мин. Нарисуйте схему, представляющую холодильную систему, показывающую поток энергии и температуры, и определить, являются ли эти измерения разумны [COPR = 3,33, COPR, об. = 4,42, соотношение COPR/COPR, об. = 75% > 60% – нет достижимый].Укажите причины вашего выводы. Получить все уравнения, используемые, начиная с основного определения коэффициента производительности холодильника (КС Р ).
    __________________________________________________________________________

    К главе 6: Энтропия — новое свойство

    __________________________________________________________________________________________


    Инженерная термодинамика Израиля Уриэли находится под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 США Лицензия

    Термодинамические процессы: изобарические, изохорные, изотермические и адиабатические – видео и расшифровка урока

    Четыре типа термодинамических процессов

    Четыре типа термодинамических процессов: изобарический, изохорный, изотермический и адиабатический. Эти термины довольно сложно понять только из названий, поэтому давайте разберем их по одному.

    Изобарический процесс

    Изобарический процесс — это процесс, при котором давление в системе (часто газа) остается постоянным.« Iso » означает то же самое, а « baric » означает давление. Давление связано с силой, с которой молекулы действуют на стенки сосуда. Представьте, что у вас есть газ внутри подвижного поршня, и вы нагреваете этот газ. Нагревая газ, вы заставляете молекулы двигаться быстрее, что обычно увеличивает давление. Но в то же время поршень расширяется, увеличивая объем и давая молекулам больше места для движения. Поскольку стенки контейнера теперь больше, давление может оставаться прежним, даже если молекулы движутся быстрее.Это делает его изобарным процессом.

    Изохорный процесс

    Изохорный процесс — это процесс, при котором объем системы остается постоянным. Опять же, «iso» означает то же самое, а «choric» означает объем. Объем – это количество места, которое занимает материал. Так что это было бы похоже на нагрев газа в твердом нерасширяемом контейнере. Молекулы будут двигаться быстрее, а давление увеличится, но размер сосуда останется прежним.

    Изотермический процесс

    Изотермический процесс — это процесс, при котором температура системы остается постоянной. Термический относится к теплу, которое, в свою очередь, связано с температурой. Температура – ​​это средняя тепловая энергия (движения) молекул вещества.

    В качестве примера изотермического процесса можно привести газ, удерживаемый за подвижным поршнем, и сжать этот поршень: объем уменьшился, а давление за поршнем увеличилось, поскольку у молекул меньше места для движения. Когда вы сжимаете поршень, вы используете энергию — вы совершаете работу над газом — поэтому обычно молекулы получают энергию и двигаются быстрее, а температура повышается.Таким образом, единственный способ для изотермического процесса – это если вся та энергия, которую вы вкладываете в сжатие газа, выходит снова, например, путем помещения холодного резервуара в контакт с поршнем.

    В изотермическом процессе любая энергия, которую мы вкладываем в систему, немедленно снова покидает систему. В реальном мире вам пришлось бы двигать поршень бесконечно медленно, чтобы это произошло, но вы все равно можете сделать что-то близкое к этому, двигаясь очень медленно.

    Адиабатический процесс

    Адиабатический процесс — это процесс, при котором тепло не поступает в систему и не выходит из нее.Мы не можем нагреть систему, поставив рядом с ней горячий резервуар, и мы не можем охладить систему, поставив рядом с ней холодный резервуар. Система идеально изолирована. В адиабатическом процессе вы берете газ за поршень и перемещаете его вверх или вниз, чтобы изменить объем, и в результате изменяются как давление, так и температура.

    Если вы сожмете поршень, то и температура, и давление увеличатся, потому что вы добавили энергии в систему, совершая работу (толкая поршень вниз).Если вы позволите поршню расшириться, то и температура, и давление упадут. Чтобы это произошло в реальной жизни, вам нужен был бы либо идеальный изолирующий материал, либо вам нужно было бы толкать поршень бесконечно быстро.

    Резюме урока

    Термодинамика изучает движение тепла, то есть движение молекул. Термодинамический процесс — это когда тепло перемещается либо внутри систем, либо между системами.

    Существует четыре типа идеализированных термодинамических процессов: изобарический процесс — это процесс, в котором давление остается постоянным, а температура и объем изменяются относительно друг друга.Изохорный процесс — это процесс, в котором объем остается постоянным, а температура и давление изменяются относительно друг друга. Изотермический процесс — это процесс, в котором температура остается постоянной, а давление и объем изменяются относительно друг друга. Адиабатический процесс — это процесс, при котором тепло не поступает в систему и не выходит из нее: давление, объем и температура изменяются относительно друг друга.

    Вместе эти четыре процесса помогают нам понять, как движется тепло.Хотя многие из них невозможны в реальной жизни, понимая эти идеализированные ситуации, мы можем лучше понять более запутанные и сложные ситуации в окружающем нас мире.

    Ключевые термины

    Термодинамика – изучение движения тепла

    Термодинамический процесс – любой процесс, связанный с перемещением тепловой энергии внутри системы или между системами

    Изобарический процесс – процесс, при котором объем системы остается постоянным

    Iso – корень слова, означающий то же самое

    Choric – часть слова, означающая объем

    Изотермический процесс – процесс, при котором температура системы остается постоянной

    – корень слова, относящийся к теплу

    Адиабатический процесс – процесс, при котором тепло не поступает в систему и не выходит из нее

    Результаты обучения

    После этого занятия вы должны уметь:

    • Определять общие термодинамические системы
    • Сформулировать различные типы процессов в рамках термодинамики

    Термодинамика в нашей повседневной жизни

    р. Стивен Берри —

    Термодинамика — прекрасная иллюстрация того, как потребности очень практические приложения могут привести к очень основным, общим понятиям и отношений, что очень сильно противоречит мнению, что практические и прикладные аспекты науки являются следствием предшествующих фундаментальных исследований. Термодинамика учит нас, что идеи и понятия могут течь в любом направлении, между основным и прикладным. Это было очень практической задачей найти наилучший, самый эффективный способ откачивать воду из оловянных рудников в Корнуолле и других местах, что стимулировало мышления, особенно молодого французского инженера Сади Карно, которые привели нас к очень основные, общие понятия, даже законы природы, которые мы называем “термодинамика”.

    Традиционная классическая термодинамика глубоко основана на концепции, согласно которой процессы и машины имеют пределы эффективности выполнения своих задач, пределы, минимизирующие расточительные потери, присущие всем реальным процессам. И традиционная термодинамика сосредоточена на поиске этих пределов и, следовательно, на том, как лучше всего приблизить реальные системы к этим пределам. (Любая система, которая работала бы на своем идеальном пределе, работала бы бесконечно медленно, и нельзя было бы сказать, движется ли она вперед или назад.Идеальные процессы такого рода называются «обратимыми».) Но мы можем видеть, как развивается наука, задавая новые вопросы, в случае термодинамики, задавая вопросы о том, как ведут себя реальные системы и чем они отличаются от этих идеальных, но недостижимых идеальных пределов. Когда люди начали задавать эти вопросы, наука термодинамика приобрела совершенно новый характер и направление. Новое направление получило название «необратимая термодинамика». И когда термодинамика начала изучать последствия работы системы в реальном времени, этот новый аспект стал известен как «термодинамика конечного времени».

    Термодинамика — это, в некотором смысле, наука, которая больше всего влияет на нашу повседневную жизнь, потому что мы используем ее концепции и информацию при проектировании и эксплуатации многих устройств, которые мы считаем само собой разумеющимися в нашей повседневной жизни. Системы отопления и охлаждения в наших домах и других зданиях, двигатели, приводящие в движение наши автомобили, даже дизайн зданий и транспортных средств — все они включают информацию из термодинамики, чтобы обеспечить их хорошую работу. Однако, в отличие от многих других наук, ее влияние на нашу повседневную жизнь гораздо более тонкое, даже невидимое.Мы гораздо больше осведомлены о том, что биология делает для нас каждый день, или о том, какие новые устройства появляются из квантовой физики, чем о том, как термодинамика влияет на нашу повседневную жизнь (хотя квантовая физика действительно ведет к новым аспектам термодинамики).

    Основное влияние термодинамики на нашу повседневную жизнь заключается в том, что она показывает нам, как эффективно использовать энергию и минимизировать потери, которые неизбежно сопровождают это использование. Один из самых ранних примеров появился при зарождении предмета, когда работа французского инженера Сади Карно показала, что самые высокие температуры в любом цикле, приводящем в движение тепловую машину, должны быть как можно выше. Термодинамика говорит нам, насколько важно свести к минимуму трение и потери тепла через стенки наших двигателей, и она может сказать нам, например, какой температурный профиль лучше всего подходит для дистилляционной колонны для достижения наиболее эффективной работы. В нем рассказывается, как строить дома, которые требуют мало или совсем не требуют топлива для отопления. Таким образом, термодинамика становится руководством по проектированию устройств, которые лучше всего работают, как мы

    .

    Основное влияние термодинамики на нашу повседневную жизнь заключается в том, что она показывает нам, как эффективно использовать энергию и минимизировать потери, которые неизбежно сопровождают это использование.Один из самых ранних примеров появился при зарождении предмета, когда работа французского инженера Сади Карно показала, что самые высокие температуры в любом цикле, приводящем в движение тепловую машину, должны быть как можно выше. Термодинамика говорит нам, насколько важно свести к минимуму трение и потери тепла через стенки наших двигателей, и она может сказать нам, например, какой температурный профиль лучше всего подходит для дистилляционной колонны для достижения наиболее эффективной работы. В нем рассказывается, как строить дома, которые требуют мало или совсем не требуют топлива для отопления.Таким образом, термодинамика становится руководством по проектированию устройств, которые лучше всего работают, как мы

    .

    Р. Стивен Берри — почетный профессор Джеймса Франка Чикагского университета и научный сотрудник Макартура 1983 года. Его работа способствовала пониманию атомного происхождения процессов замерзания, плавления, кристаллизации и образования стекла.


    Дальнейшее чтение:

    Избранное фото Риккардо Кьярини на Unsplash

    .

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.