Тэрмадынаміка

Анатаваная каляровая вэрсія першапачатковага цеплавога рухавіка Карно 1824 году, на якой пазначаны гарачае цела (кацёл), працоўны корпус (сыстэма і пара) і халоднае цела (вада). Літары пазначаныя ў адпаведнасьці з пунктамі прыпынку ў цыкле Карно.

Тэ́рмадына́міка — навука (разьдзел фізыкі) пра найбольш агульныя якасьці макраскапічных аб’ектаў, то бок тэрмадынамічных сыстэмаў, якія знаходзяцца ў стане тэрмадынамічнай раўнавагі, а таксама пра працэсы пераходу паміж гэтымі станамі, якія адпавядаюць пераўтварэньням формаў руху матэрыі. Тэрмадынаміку падзяляюць на агульную, тэхнічную, хімічную, тэрмадынаміку струменя і іншыя.

Тэрмадынаміка грунтуецца на двух зыходных палажэньнях і трох пачатках (законах) тэрмадынамікі, якія былі атрыманыя на аснове абагульненьня досьледаў чалавецтва і доказаў ня маюць.

Клясычная тэрмадынаміка карыстаецца фэнамэналягічным мэтадам дасьледаваньня, які не разглядае пабудову дасьледаванага рэчыва на мікраскапічным узроўні, а высьвятляе сувязь паміж макраскапічнымі велічынямі (такімі як ціск, тэмпэратура і г. д.). Таму высновы, атрыманыя пры дапамозе гэтага мэтаду, не залежаць ад іншых тэорыяў.

Тэрмадынаміка шырока прымяняецца ў навуцы і тэхніцы. Гістарычна склалася так, што тэрмадынаміка распрацоўвалася праз жаданьне павысіць эфэктыўнасьць і выходную магутнасьць пачатковых паравых рухавікоў, у прыватнасьці, дзякуючы працы францускага фізыка Нікаля Леанара Садзі Карно, які лічыў, што эфэктыўнасьць цеплавых рухавікоў ёсьць ключом, які можа дапамагчы Францыі атрымаць перамогу ў напалеонаўскіх войнах[1]. Брытанскі фізык ірляндзкага паходжаньня лорд Келвін быў першым, хто сфармуляваў кароткае вызначэньне тэрмадынамікі ў 1854 годзе.

Першапачатковае прыкладаньне тэрмадынамікі ў мэханічных цеплавых рухавіках было хутка распаўсюджана на вывучэньне хімічных злучэньняў і хімічных рэакцыяў. Хімічная тэрмадынаміка вывучае характар ​​ролі энтрапіі ў працэсе хімічных рэакцыяў і забясьпечвае асноўную частку атрыманьня і пашырэньня ведаў у гэтае галіне[2][3][4][5][6][7][8][9]. Статыстычная тэрмадынаміка, альбо статыстычная мэханіка тычыцца статыстычных прагнозаў калектыўнага руху часьцінак у выніку іхных мікраскапічных паводзінаў. У 1909 годзе Канстантын Карэтэодары прадставіў чыста матэматычны падыход у аксіёматычнай пастаноўцы, апісаньне якога часта называюць геамэтрычнай тэрмадынамікай.

Законы тэрмадынамікіРэдагаваць

Законы тэрмадынамікі
 
Нулявы закон тэрмадынамікі
Першы закон тэрмадынамікі
Другі закон тэрмадынамікі
Трэці закон тэрмадынамікі

Тэрмадынаміка галоўным чынам грунтуецца на чатырох законах, якія ёсьць унівэрсальна слушнымі для сыстэмаў, якія падпадаюць пад абмежаваньні, прадугледжанымі кожным зь іх. У розных тэарэтычных апісаньнях тэрмадынаміцы гэтыя законы могуць выяўляцца ў, здавалася б, розных формах, але найбольш вядомыя фармулёўкі наступныя.

Нулявы законРэдагаваць

Асноўны артыкул: Нулявы закон тэрмадынамікі

Нулявы закон тэрмадынамікі сьцьвярджае, што калі дзьве сыстэмы знаходзяцца ў цеплавой раўнавазе з трэцяй сыстэмай, яны таксама знаходзяцца ў цеплавой раўнавазе паміж сабой.

З гэтага сьцьвярджэньня вынікае, што цеплавая раўнавага ёсьць адносінамі эквівалентнасьці мноства разглядаемых тэрмадынамічных сыстэм. Кажуць, што сыстэмы знаходзяцца ў раўнавазе, калі дробныя выпадковыя абмены паміж імі, як то броўнаўскі рух, не прыводзяць да важкай зьмены энэргітычнага балянсу. Гэты закон заўсёды прымяняецца пры кожным вымярэньні тэмпэратуры. Такім чынам, калі чалавек імкнецца вызначыць, ці маюць два целы аднолькавую тэмпэратуру, ня варта прыводзіць іх у кантакт і вымяраць якія-небудзь зьмены іхных назіраных уласьцівасьцяў. Закон дае эмпірычнае вызначэньне тэмпэратуры і абгрунтаваньне пабудовы практычных тэрмомэтраў.

Нулявы закон першапачаткова ня быў прызнаны асобным законам тэрмадынаміцы, паколькі ягоная аснова была ўключаная ў іншыя законы тэрмадынаміцы. Першы, другі і трэці законы ўжо былі сфармуляваны на той час і знайшлі сваё прызнаньне сярод супольнасьці фізыкаў. З практычнага пункту гледжаньня было немэтаздогна зьмяняць існую нумэрацыю, а таму, з улікам значнасьці гэтага закону як базіснага для іншых, яго было вырашына пазначыць нулявым нумарам.

Першы законРэдагаваць

Асноўны артыкул: Першы закон тэрмадынамікі

Першы закон тэрмадынамікі сьцьвярджае, што ў працэсе безь перадачы рэчыва зьмена ўнутранае энэргіі   тэрмадынамічнай сыстэмы ёсьць роўнай энэргіі, атрыманай, як цяпло  , за вылікам тэрмадынамічнай працы  , выкананай сыстэмай[10].

 

Для працэсаў, якія ўключаюць перадачу рэчыва, варта мець на ўвазе, што з улікам адпаведных эталонных станаў сыстэмаў, калі дзьве сыстэмы, якія могуць мець розны хімічны склад, першапачаткова аддзяляюцца толькі непранікальнай перагародкай паміж сайбой, то бок ёсьць ізаляванымі, а потым аб’ядноўваюцца ў новую сыстэму праз выдаленьне гэтае перагародкі, то маем наступнае:

 ,

дзе   азначае ўнутраную энэргію аб’яднанай сыстэмы, а   і   абазначаюць унутраную энэргію адпаведных падзеленых сыстэмаў.

Гэты закон у дачыненьні да тэрмадынаміцы, ёсьць конкрэтызацыяй агульнафізычнага закону захаваньня энэргіі, які сьцьвярджае, што энэргія можа трансфармавацца, то бок зьмяняцца з адной формы ў іншую, але ня можа быць створаная альбо зьнішчаная[11].

Унутраная энэргія зьяўляецца галоўнай уласьцівасьцю тэрмадынамічнага стану, а цяпло і праца ёсьць рэжымам перадачы энэргіі, дзякуючы якім працэс можа зьмяніць гэты стан. Зьмена ўнутранай энэргіі сыстэмы можа быць дасягнутая праз спалучэньне цяпла, якое дадаецца ці адводзіцца з сыстэмы, і працы, якая выконваецца сыстэмай альбо над ёй. У залежнасьці ад стану, унутраная энэргія не залежыць ані ад спосабу, ані ад шляху праз прамежкавыя этапы, па якіх сыстэма перайшла ў свой стан.

Менавіта праз гэты закон вынікае, што пабудаваць вечны рухавік першага парадку немагчыма, бо карысная праца рухавіка ня можа быць выкананая адвечна без выкарыстаньня паліва або іншых энэргетычных рэсурсаў.

Другі законРэдагаваць

Асноўны артыкул: Другі закон тэрмадынамікі

Другі закон тэрмадынамікі сьцьвярджае, што цяпло ня можа самаадвольна перацякаць ад халоднага цела ад гарачага.

Гэты закон зьяўляецца праявай унівэрсальнага прынцыпу распаду, які назіраецца ў прыродзе. Другі закон ёсьць назіраньнем за тым, што зь цягам часу адрозьненьні ў тэмпэратуры, ціску і хімічным патэнцыяле, як правіла, імкнуцца да выраўноўваньня ў фізычнай сыстэме, ізаляванай ад зьнешняга сьвету. Гэта значыць, што калі маюцца два рэзэрвуары з гарачай і халоднай вадой, энэргія будзе незваротна перасоўвацца ад рэзэрвуара з гарачай вадой да рэзэрвуара з халоднай вадой да таго часу пакуль іхныя тэмпэратуры ня стануць роўнымі. Энтрапія зьяўляецца паказчыкам таго, як прагрэсуе гэты працэс. Энтрапія ізаляванай сыстэмы, якая не знаходзіцца ў раўнавазе, з часам будзе ўзрастаць, набліжаючыся да максымальнага значэньня пры раўнавазе. Аднак прынцыпы, якія кіруюць сыстэмамі, далёкія ад раўнавагі, па-ранейшаму застаюцца дыскусійнымі. Адным з такіх прынцыпаў зьяўляецца прынцып максымальнай генэрацыі энтрапіі[12][13]. У ім гаворыцца, што нераўнаважныя сыстэмы паводзяць сябе такім чынам, каб максымальна павялічыць сваю энтрапію[14].

У клясычнае тэрмадынаміцы другі закон ёсьць асноўным пастулятам, прыдатным да любой сыстэмы, якая ўключае перадачу цеплавой энэргіі. У статыстычнай тэрмадынаміцы другі закон зьяўляецца следзтвам меркаванай выпадковасьці малекулярнага хаосу. Існуе мноства вэрсіяў другога закону, але ўсе яны маюць аднолькавы эфэкт, які тлумачыцца зьявай незваротнасьці ў прыродзе.

Згодна з гэтым законам немагчыма пабудаваць вечны рухавік другога парадку, які, аднойчы стартаваны, пераўтвараў бы ў карысную працу ўсё цяпло здабытае звонку.

Трэці законРэдагаваць

Асноўны артыкул: Трэці закон тэрмадынамікі

Трэці закон тэрмадынамікі сьцьвярджае, што калі тэмпэратура сыстэмы набліжаецца да абсалютнага нулю, усе працэсы спыняюцца і энтрапія сыстэмы набліжаецца да мінімальнага значэньня.

Гэты закон тэрмадынамікі ёсьць статыстычным законам прыроды адносна энтрапіі і немагчымасьці дасягненьня абсалютнага нулю тэмпэратуры. Гэты закон забясьпечвае абсалютны арыентыр для вызначэньня энтрапіі. Энтрапія, вызначаная адносна гэтага пункту, зьяўляецца абсалютнай энтрапіяй. Альтэрнатыўныя азначэньні маюць сьвярджэньне, што энтрапія ўсіх сыстэмаў і ўсіх станаў сыстэмы ёсьць найменшай пры абсалютным нулі, альбо гэтак жа немагчыма дасягнуць абсалютнага нулю тэмпэратуры любой абмежаванай колькасьцю працэсаў.

Абсалютным нулём зьяўляецца тэмпэратура —273,15 °С ці 0 кельвінаў, пры якой усялякая актыўнасьць спыняецца.

КрыніцыРэдагаваць

  1. ^ Clausius, Rudolf (1850). On the Motive Power of Heat, and on the Laws which can be deduced from it for the Theory of Heat. Poggendorff's Annalen der Physik, LXXIX (Dover Reprint). — ISBN 0-486-59065-8.
  2. ^ Gibbs, Willard, J. (1874—1878). «Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences». III. New Haven. — С. 108—248, 343—524.
  3. ^ Duhem, P.M.M. (1886). «Le Potential Thermodynamique et ses Applications». Hermann. Paris.
  4. ^ Lewis, Gilbert N.; Randall, Merle (1923). «Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances». McGraw-Hill Book Co. Inc.
  5. ^ Guggenheim, E.A. (1933). «Modern Thermodynamics by the Methods of J.W. Gibbs». Methuen. London.
  6. ^ Guggenheim, E.A. (1967). «Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists». 5th edition. North-Holland. Amsterdam.
  7. ^ Enrico Fermi (1956). «Thermodynamics. Courier Dover Publications». — С. 9. — ISBN 978-0486603612.
  8. ^ Perrot, Pierre (1998). «A to Z of Thermodynamics». Oxford University Press. — ISBN 978-0-19-856552-9.
  9. ^ Clark, John, O.E. (2004). «The Essential Dictionary of Science». Barnes & Noble Books. — ISBN 978-0-7607-4616-5.
  10. ^ Bailyn, M. (1994). «A Survey of Thermodynamics». American Institute of Physics. AIP Press. Woodbury NY. — С. 79. — ISBN 0883187973.
  11. ^ Callen, H.B. (1960/1985). «Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics». 2nd edition. John Wiley & Sons. Hoboken NY. — С. 11—13. — ISBN 9780471862567.
  12. ^ Onsager, Lars (1931). «Reciprocal Relations in Irreversible Processes». Phys. Rev. 37 (405). — С. 405—426. DOI:10.1103/physrev.37.405.
  13. ^ Ziegler, H. (1983). «An Introduction to Thermomechanics». North Holland. — ISBN 9780444598936.
  14. ^ Belkin, Andrey; et., al. (2015). «Self-Assembled Wiggling Nano-Structures and the Principle of Maximum Entropy Production». Sci. Rep. 5. — С. 8323. — DOI:10.1038/srep08323. PMC 4321171. PMID 25662746.

Вонкавыя спасылкіРэдагаваць

  Тэрмадынамікасховішча мультымэдыйных матэрыялаў