Что объединяет эти процессы?

Плавление - переход вещества из твердого состояния в жидкое.

Отвердевание или кристаллизация - переход тела из жидкого состояния в твердое.

Испарение и кипение - парообразование - явление превращения жидкости в пар.

Образование облаков и осадки.

1

2

Образование облаковВ летний день земная поверхность имеет более высокую температуру, чем атмосферный воздух.Слой воздуха у поверхности Земли нагревается сильнее, чем слой, находящийся над ним.Подъем теплого воздуха в более высокие слои атмосферы сопровождается его расширением, которое происходит сопровождается его охлаждением.Водяной пар, содержащийся в воздухе, на некоторой высоте из ненасыщенного становится пересыщенным, происходит конденсация пара и образуется облако, состоящее из мельчайших капель воды.

3

ОсадкиЕсли процесс конденсации пара в облаке идёт более интенсивно, чем процесс испарения капель воды на поверхности облака, развитие облака может завершиться выпадением дождя, снега или града.Когда размер капли станет таким, что скорость её падения превысит скорость подъёма восходящего потока воздуха в облаке, капли падающие вниз, сливаясь с более мелкими, поднимающимися вверх выпадают в виде дождя.Если вершина облака состоит из кристалликов льда, то возможно выпадение осадков в виде снега или града.

4

Эта наука изучает и объясняет перечисленные процессы и явления.

Термодинамика 5

ЛЕКЦИЯ 10: КОНЦЕПЦИЯ НЕОБРАТИМОСТИ. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

Презентацию подготовила М.А. Габова

6

ТЕРМОДИНАМИКА – НАУКА О ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССАХ

ВОПРОС 1.

7

Зарождение термодинамики

Создание классической физики, начатое и осуществленное Галилеем и Ньютоном в XVII-XVIII веках, получило логическое завершение только в конце XIX века.

Параллельно с развитием механики, в XVIII веке разрабатываются представления о тепле.

Один из разделов о тепле — термометрия, получил развитие в начале XVIII века благодаря работам Реомюра, Цельсия, Фаренгейта.

8

Что такое термодинамика?

Термодинамика — наука о наиболее общих свойствах

макроскопических физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия,

и о процессах перехода между этими состояниями.

9

Ответы на 3 вопроса

1. возможен ли данный процесс при

данных условиях?

2. если да, то в каком направлении пойдет этот

процесс в данных условиях? 3. чем процесс

закончится?

10

Основные понятия термодинамики

тепловой процесс

Движение тепловое

теплота

работаэнтропия

энергия

11

Что такое теплота?

Теплота - не вещество, а средство или способ. Теплота есть количество энергии, получаемой

или отдаваемой системой при теплообмене (при неизменных внешних параметрах системы).

Наряду с работой количество теплоты является мерой изменения внутренней энергии системы.

Теплота - не одна из форм энергии, а название одного из способов передачи энергии.

12

Что такое тепловое движение?

Тепловое движение представляет собой беспорядочное движение микрочастиц, из которых состоят все тела.

Тепловое излучение является электромагнитным излучением, испускаемым веществом и возникающим за счёт его внутренней энергии.

Тепловое расширение связано с изменением размеров тела в процессе его нагревания.

13

ПРОЦЕССЫ И СИСТЕМЫ В ТЕРМОДИНАМИКЕ

ВОПРОС 2.

14

Макросистемы

Все законы термодинамики относятся к телам, число молекул которых огромно.

Такие тела образуют макросистемы газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень….

15

Термодинамическая система

Система тел или частиц в которой могут происходить процессы, связанные с преобразованием энергии

16

Типы макроскопических систем

Закрытыезамкнуты, изолированы от

внешней среды, не обмениваются с ней ни

веществом, ни энергией, ни информацией.

Все параметры несут определенную полноту и

ясность.

Открытые обмениваются с окружающей средой веществом, энергией, информацией, имеют вход и

выход. Все параметры

неопределенные, случайные.

17

Термодинамический метод

Основа термодинамического метода – определение состояния термодинамической системы, представляющей собой совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией между собой и с внешней средой.

Состояние системы – это совокупность ее свойств.

Изменение состояния системы – это процесс.

18

Равновесные и неравновесные процессы

Если система находится в состоянии равновесия (не обменивается энергией,

массой, зарядом) с иными системами, то при

неизменных внешних условиях такое состояние не

меняется со временем. В равновесных системах

градиенты температуры или концентрации отсутствуют.

Если в системе существует перенос заряда, массы, энергии и т. п. (то есть

существуют градиенты), состояние будет неравновесным.

Системы реагируют на внешние условия.

Поведение систем носит случайный характер и не

зависит от начальных условий.

19

20

Обратимый и необратимый процессы

Необратимый процесс. Обратимый процесс.

• Сжатый газ, находящийся в цилиндре с подвижным поршнем, расширяется до тех пор, пока его давление не станет равно внешнему давлению. А может ли газ самопроизвольно сжаться?

• Если в сосуде имеются два различных газа, разделённые перегородкой, то после удаления перегородки начнётся диффузия, в результате которой установится равновесие – концентрация каждого из газов в любом месте сосуда окажется одинаковой. Может ли произойти самопроизвольное разделение смеси газов?

• Маятник в вакууме выведен из состояния равновесия (трение в подвесе отсутствует), что с ним будет происходить?

Процессы, обратные которым самопроизвольно не происходят, называются

необратимыми.

процессы, которые возможно осуществить в обратном

направлении, последовательно повторяя в обратном порядке все промежуточные состояния прямого процесса, называются

обратимыми

При диффузии газы смешиваются, равномерно

распределяясь по объёму сосуда

21

Необратимость тепловых процессов

Как происходит процесс теплообмена между телами?

До каких пор происходит теплообмен?

• В калориметр с холодной водой опустили горячее тело. Что при этом будет происходить? Может ли при этом холодная вода ещё больше охладиться, а тело нагреться?

• Возможен ли теплообмен тел, предоставленных самим себе следующим образом: холодные тела охлаждаются, а горячие тела при этом нагреваются?

Процесс теплообмена между телами происходит так: горячие

тела охлаждаются, передавая энергию менее нагретым телам,

температура которых увеличивается.

Горячеетело

Холодное тело

Q

Q

?!

Необратимые процессы и термодинамика

Реальные процессы, протекающие в действительности, строго говоря, являются необратимыми.

У всех явлений в природе есть определенное направление.

Именно необратимые процессы указывают направление течения времени.

Термодинамика помогает исследователям заранее узнать, пойдет ли реальный процесс, не осуществляя его в действительности.

22

ЭНЕРГИЯ И ЭНТРОПИЯ

ВОПРОС 3.

23

Что такое энергия?

Энергия – фундамен

тальное понятие в физике.

физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода

движения материи из одних форм в другие.

существует во всевозможных формах

энергия, связанная с движением

(кинетическая)

энергия, связанная с гравитационным

взаимодействием (энергия тяготения)

тепловая, электрическая и световая энергии

энергия упругости в пружинах

ядерная энергия

Одна из наиболее универсальных форм передачи энергии - тепловая

24

Энтропия

В 1854 г. Р. Клаузиус ввел понятие энтропии (от греч. еn — в, внутри + trope — поворот, превращение) как меры внутренней неупорядоченности системы.

25

Энергия и энтропия

энергия — это мера некоторой потенциальной возможности системы совершить полезную работу, то есть упорядоченное

действие

энтропия — это мера качества энергии, то есть реальной

способности ее произвести работу без привлечения внешнего воздействия

Энтропия – это мера обесцененной энергии, бесполезной энергии, которую нельзя использовать для получения

работы.

26

Энергия в необратимых процессах

При любом необратимом процессе энергия увеличивается до того, пока не прекратятся какие-либо процессы, т.е. пока не станет F = 0.

И это произойдет, при достижении замкнутой системы равновесного состояния, т.е. когда все параметры состояния системы (Р, Т) во всех точках системы станут одинаковыми.

Вывести систему из этого равновесного состояния можно только затратив энергию из вне.

27

Энтропия определяет состояние системы

Какими бы путями ни перешла система из одного состояния в другое, изменение ее энтропии будет всегда одно и то же.

При обратимых процессах полное изменение энтропии системы равно нулю.

Если процесс необратим, то энтропия замкнутой системы возрастает.

Если по расчету общая энтропия системы уменьшается, то процесс в данном направлении невозможен.

28

Энтропия как мера беспорядка

Недостаточно иметь энергию, нужно, чтобы она была в форме, удобной для использования, и не «беспорядочная».

Энтропия – мера беспорядка, и при необратимых процессах она всегда растет.

Любой самопроизвольно протекающий в замкнутой изолированной системе процесс должен увеличивать энтропию.

При перемешивании горячей воды и холодной ее температура

усредняется.

Вся энергия распределяется равномерно между молекулами воды. При этом энтропия увеличивается, и мы получаем энергию, более равномерно распределенную и в форме, менее удобной для использования.

29

Плавление и кристаллизация

при плавлении энтропия возрастает, а при кристаллизации уменьшается.

Физический смысл: фазовая область молекулы в твердом теле гораздо меньше, чем в жидкости, так как в твердом теле каждой молекуле доступна только малая область пространства между соседними узлами кристаллической решетки, а в жидкости молекулы занимают всю область пространства.

30

Испарение и конденсация

при испарении энтропия возрастает, а при конденсации уменьшается.

При равных температурах фазовая область молекул газа значительно больше фазовой области молекул жидкости, и энтропия газа больше энтропии жидкости. Газ, по сравнению с жидкостью, гораздо менее упорядоченная, более хаотичная система.

31

НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ

ВОПРОС 4.

32

Первое начало

Закон сохранения энергии в замкнутой (изолированной) системе в случае, когда в ней имеют место механические и тепловые процессы.

В изолированной системе энергия может только превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным.

Если система не изолирована, энергия может изменяться за счет обмена между частями системы или разными системами.

33

Первое начало

Первый закон термодинамики гласит: тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил.

Через несколько минут вы услышите звон разбитого стекла: это ртуть, расширившись (а расширение связано с увеличением межатомных расстояний, то есть с увеличением внутренней энергии ртути), и не имея выхода, надавила на стекло резервуара и совершила работу, разрушив его.

60

34

Возможен ли вечный двигатель?

Первый закон термодинамики в другой редакции:

нельзя построить периодически действующую машину, которая бы совершала работу, больше подводимой к ней извне энергии.

Вечный двигатель первого рода невозможен.

35

Возможен ли вечный двигатель?

Вечный двигатель второго рода - это циклически действующая машина, способная совершать работу за счет переноса тепла от холодного тела к горячему.

Это не запрещено первым началом термодинамики, но практически невозможно.

Существование вечного двигателя второго рода запрещает второе начало термодинамики.

36

37

Второе начало

При каких условиях может осуществляться теплопередача от холодного тела к горячему?

В циклическидействующем тепловом двигателе невозможно

преобразовать всё количество теплоты,

полученное от нагревателя,

в механическую работу.

A< Q1

Второе начало

Невозможно построить периодически действующую тепловую машину, вся деятельность которой сводилась бы к совершению механической работы и охлаждению теплового резервуара.

Холодильник - обычная тепловая машина. Нагреватель в нем - охлаждаемые продукты, рабочее тело — фреон, холодильник — окружающий воздух.

Тепловая энергия отнимается от продуктов и передается окружающей среде за счет работы компрессора.

Циклические процессы конденсации и испарения рабочего тела обеспечиваются внешним по отношению к системе источником энергии.

38

Второе начало

Немецкий физик, один из основателей термодинамики, Рудольф Клаузиус (1822-1888 гг.):

теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому.

невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от более холодных тел к более нагретым.

Независимо от Клаузиуса в 1851 г. его английский коллега Уильям Томсон (барон Кельвин):

невозможно существование такой тепловой машины, которая производила бы путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания теплоты суши и моря.

39

невозможен процесс, единственным результатом которого было бы поглощение теплоты от нагревателя и полное преобразование этой теплоты в работу (еще один кельвинский вариант формулировки второго начала термодинамики).

Второе начало термодинамики позволяет разделить все процессы на естественные — переход работы в тепло, самопроизвольный переток тепла от горячего тела к холодному — и на противоестественные.

Второе начало40

Второе начало и энтропия

Второе начало термодинамики как утверждение в формулировке Клаузиуса — необратимые процессы в изолированных системах всегда идут с возрастанием энтропии — сообщает нам о том, что все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутой (изолированной) системе ведут к увеличению беспорядка, к возрастанию хаоса и к снижению качества энергии.

Самопроизвольно протекающие процессы ведут к разрушению всех структур и затуханию всех процессов.

41

Тепловая смерть Вселенной

Клаузиус: «Энтропия Вселенной возрастает». Вселенная движется к «тепловой смерти». Раз все виды энергии деградируют, превращаясь в

тепло, то когда-нибудь закончат свое существование звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и вся Вселенная придет в самое простое состояние хаоса - термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие шары планет и звезд. Не будет источников энергии - не будет жизни, не будет ничего.

42

Третье начало

Третье начало термодинамики характеризует свойства вещества при очень низких температурах.

Оно утверждает невозможность охлаждения вещества до температуры абсолютного нуля.

По мере приближения температуры любого тела к абсолютному 0 изменение его энтропии при изменении его любого свойства тоже стремится к 0.

Дается возможность расчета абсолютной величины энтропии.

На основе этого закона был осуществлен синтез алмазов из графита.

43

Термодинамика Тепловые явления

процессыМакросистемы

Равновесные - нет обмена E, m, q;- состояние системы не меняется со временем- нет перепадов температуры , концентрации

Неравновесные- перенос E, m, q;- перепады температуры , концентрации ;- система реагирует на внешние условия ;- поведение систем случайно

Закрытые- не обмениваются веществом, энергией , информацией ;- параметры определенные , полные, ясные;- равновесные процессы ;- энергия сохраняется ;- стремятся к равновесию

Открытые- обмениваются со средой веществом , энергией , информацией ;- все параметры неопределенные , случайные;- неравновесные процессы ;- энергия не сохраняется ;- не могут быть в равновесии

Обратимые- возможен обратный переход из одного равновесного состояния в другое;- в окружающей среде изменений не будет ;- нет различия между прошлым и будущим

Необратимые - невозможно обратное направление перехода;- указывает направление течения времени

Возможен ли процесс в реальности ?Надо рассчитать энтропию !

Энтропия – форма выражения количества связанной энергии , которую имеет вещество .Энтропия системы определяется вероятностью ее состояния.Энтропия системы изменяется одинаково при переходах из одного состояния в другое .В обратимом процессе энтропия равна 0.Если энтропия уменьшается , то процесс невозможен .

Законы (начала) термодинамики

1 начало: Закон сохранения энергии в замкнутой системе при механических и тепловых процессах .Всякая система стремится к термодинамическому равновесию (тала в покое , температура и давление одинаковы ) и достигнув его, сама из него не выходит .

2 начало : Невозможен процесс , при котором теплота переходит самопроизвольно от более холодных тел к более нагретым.В закрытых системах для всех тепловых процессов энтропия системы возрастает .Максимальная энтропия – при тепловом равновесии .

3 начало: При приближении температуры тела к абсолютному 0 изменение энтропии при изменении любого его свойства тоже стремится к 0.Можно рассчитать абсолютную величину энтропии .44

45

Роберт Юлиус Майер

Майер по профессии врач, работал некоторое время судовым врачом. Однажды штурман сказал ему, что во время сильной бури вода нагревается. Майер занес замечание штурмана в свой дневник и впоследствии проверил его.

В порту у берегов Явы он заметил, что кровь матросов значительно светлее венозной крови жителей умеренных поясов. Местные врачи объяснили, что такой цвет крови - обычное явление для этих мест.

Роберт Майер установил количественное соотношение между теплотой и работой и первый вычислил значение механического эквивалента тепла.

46

Джеймс Прескотт Джоуль

Джоуль – английский промышленник, его занимала мысль о создании максимально экономного двигателя. Видимо, в ходе его экспериментальных работ у него возникла мысль о соотношении между полученной работой и затраченной энергией.В юности он занимался экспериментальными исследованиями в области электромагнетизма и обнаружил нагревание проводников, по которым протекал ток.В 1849г. Джоуль опубликовал описание опыта, ставшего классическим, являющимся доказательством выполнения закона сохранения и превращения энергии.«Могучие силы природы неразрушимы и во всех случаях , когда затрачивается механическая сила, получается точное эквивалентное количество теплоты» Д. Джоуль.

47

Герман Гельмгольц

Гельмгольц окончил Медико- хирургический институт в Берлине, работал военным хирургом в гусарском полку.Одновременно с Майером и не зависимо от него, тоже с теоретических позиций закон сохранения энергии разрабатывал Гельмгольц.«Целью настоящего исследования … являлось желание доказать теоретическую, практическую и эвристическую важность этого закона».

Г. Гельмгольц 1821 - 1894

48

Эмиль Христианович Ленц

В1820 году поступил в университет, в1823 – 1826г.г. в должности физика принимал участие в кругосветной экспедиции.

При изучении теплового действия тока Ленц открыл независимо от Джоуля закон, который носит теперь имя Джоуля – Ленца.

Свой результат Ленц получил раньше Джоуля, метод был более совершенным, результаты более точными, однако публикация Джоуля опередила публикацию Ленца.

1804-1865

Клаузиус Рудольф Юлиус Эмануэль

(1822 – 1888) – немецкий физик-теоретик, один из создателей термодинамики и кинетической теории газов. Его работы посвящены молекулярной физике, термодинамике, теории паровых машин, теоретической механике, математической физике. Развивая идеи С. Карно, точно сформулировал принцип эквивалентности теплоты и работы. В 1850 г. получил общие соотношения между теплотой и механической работой (первое начало термодинамики) и разработал идеальный термодинамический цикл паровой машины (цикл Ранкина-Клаузиуса). Ввел понятие энтропии.

49