Молекулярно кинетическая теория газов. Основы термодинамики.

ЗАКРЫТЫЕ И ОТКРЫТЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Состояние называется стационарным, если параметры системы с течением времени не изменяются. Внутренние параметры системы разделяются на интенсивные и экстенсивные. Параметры не зависящие от массы и числа частиц в системе, называются интенсивными ( давление, температура и др.). Параметры пропорциональные массе или числу частиц в системе, называются аддитивными или экстенсивными ( энергия, энтропия и др. ).

По способу передачи энергии, вещества и информации между рассматриваемой системы и окружающей средой термодинамические системы классифицируются : Замкнутая ( изолированная ) система - это система в которой нет обмена с внешними телами ни энергией, ни веществом ( в том числе и излучением ), ни информацией. Закрытая система - система в которой есть обмен только с энергией. Адиабатно изолированная система - это система в которой есть обмен энергией только в форме теплоты. Открытая система - это система, которая обменивается и энергией, и веществом, и информацией.

Первое начало термодинамики устанавливает внутренняя энергия системы является однозначная функция ее состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий. Для элементарного процесса уравнение первого начала такого : Q = dU + W Q и W не являются полным дифференциалом, так как зависят от пути следования.

Зависимость Q и W от пути видна на простейшем примере расширение газа. Работа совершенная системой при переходе ее из состояния 1 в 2 ( рис. 1) по пути а изображается площадью, ограниченной контуром А1а2ВА : Wа = p(V,T) dV ; а работа при переходе по пути в - площадью ограниченную контуром А1в2ВА: Wb = p(V,T) dV.

Первое начало можно сформулировать в нескольких видах : Невозможно возникновение и уничтожение энергии. Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения. Внутренняя энергия является однозначной формой состояния. Вечный двигатель первого рода невозможен. Бесконечно малое изменение внутренней энергии является полным дифференциалом. Сумма количества теплоты и работы не зависит от пути процесса.

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ состояние термодинамического равновесия определяется совокупностью внешних параметров и температуры. Итак, все внутренние параметры равновесной системы являются функциями внешних параметров и температур при термодинамическом равновесии все внутренние параметры являются функциями внешних параметров и энергии.

ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ Процесс перехода системы из состояния 1 в 2 называется обратимым, если возвращением этой системы в исходное состояние из 2 в 1 можно осуществить без каких бы то ни было изменений окружающих внешних телах. Процесс же перехода системы из состояния 1 в 2 называется необратимым, если обратный переход системы из 2 в 1 нельзя осуществить без изменения в окружающих телах. Мерой необратимости процесса в замкнутой системе является изменением новой функции состояния - энтропии, существование которой у равновесной системы устанавливает первое положение второго начала о невозможности вечного двигателя второго рода. Однозначность этой функции состояния приводит к тому, что всякий необратимый процесс является неравновесным.

ЭНТРОПИЯ Математически второе начало термодинамики для равновесных процессов записывается уравнением: dQ/T = dS или dQ = TdS Второй закон термодинамики постулирует существование функции состояния, называемой энтропией ( что означает от греческого эволюция ) и обладающей следующими свойствами : а) Энтропия системы является экстенсивным свойством. Если система состоит из нескольких частей, то полная энтропия системы равна сумме энтропии каждой части. в) Изменение энтропии d S состоит из двух частей. Обозначим через dе S поток энтропии, обусловленный взаимодействием с окружающей средой, а через di S - часть энтропии, обусловленную изменениями внутри системы, имеем d S = de S + di S

ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ В результате этих исследований и было сформулировано третье начало термодинамики : по мере приближения температуры к 0 К энтропия всякой равновесной системы при изотермических процессах перестает зависить от каких-либо термодинамических параметров состояния и в пределе ( Т= 0 К) принимает одну и туже для всех систем универсальную постоянную величину, которую можно принять равной нулю.

Общность этого утверждения состоит в том, что, во-первых, оно относится к любой равновесной системе и, во-вторых, что при Т стремящемуся к 0 К энтропия не зависит от значения любого параметра системы. Таким образом по третьему началу, lin [ S (T,X2) - S (T,X1) ] = 0 или lim [ dS/dX ]T = 0 при Т 0 где Х - любой термодинамический параметр (аi или Аi).