Содержание
Введение
Глава 1. Основные понятия термодинамики
Глава 2. Три начала термодинамики
Глава 3. Термодинамические потенциалы
Глава 4. Фазовые равновесия
Глава 5. Связь современной термодинамики и электроникой
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Термодинамика исторически возникла как эмпирическая наука об основных способах изменения внутренней энергии тела для совершения механической работы. Она изучает макроскопические системы, состоящие из множества контактирующих между собой частиц. Однако в процессе своего развития термодинамика проникла во все разделы физики, начиная с физики твердого тела, заканчивая космологией. Из многолетних трудов гениев Больцмана, Гесса, Гельмгольца, Гиббса и других, выходит лаконичная, но мощная физико-математическая теория исследования термодинамических систем.
Особого внимания заслуживает обширная часть термодинамики - химическая термодинамика, где изучаются :
· превращения различных видов энергии при химических реакциях, процессах растворения, кристаллизации;
· энергетические эффекты, сопровождающие химические и физические процессы;
· возможности и границы самопроизвольного протекания процессов, и условия равновесия.
Химические реакции почти все время сопровождаются высвобождением или поглощением определенного количества теплоты, тепловыми эффектами, а условия их протекания происходят в силу справедливости основных трех постулатов термодинамики.
Цель данной работы - ознакомление с современной термодинамической теорией поверхности.
Среди задач я выделю такие :
1 Четко определить физико-математическую модель термодинамической системы.
2 Проанализировать ее составляющие и зависимые параметры, функции.
3 Описать существование и поведение ТДС в разных агрегатных состояниях.
термодинамика потенциал фазовые равновесия
ГЛАВА 1. Основные понятия термодинамики
Объектом изучения современной термодинамики является термодинамическая система, под которой имеют ввиду совокупность некоторых материальных тел: частиц, молекул, атомов.
Каждое состояние характеризуется определённым набором значений различных физических характеристик, которые получили название термодинамических параметров и функций состояния системы.
Термодинамические параметры и функции делятся на интенсивные и экстенсивные. Интенсивные не зависят от количества вещества системы, экстенсивные, наоборот, зависят. Изменение одного из параметров приводит к изменению состояния в целом.
К интенсивным параметрам относятся: давление, температура, концентрация, плотность и ряд других.
К экстенсивным параметрам относят: массу, объем, теплоемкость и тд.
Функция состояния - это такая функция независимых параметров, значение которой, однозначно определяет равновесное состояние системы. К основным ТД функциям относятся: внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и тд.
Все системы в ХТД можно разделить на 3 категории по активности обмена между компонентами системы и окружающей средой:
1) Открытые, которые могут обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Как в результате в процессе взаимодействия с окружающей средой, у открытых систем изменяются параметры и функции состояния.
2) Изолированные, в подобных системах отсутствует и массообмен, и теплообмен, ее можно представить, как совокупность подсистем, очень слабо реагирующих друг с другом. Однако, в реальности такой системы не существует, а используем мы ее для упрощения описания термодинамических процессов. В силу отсутствия у изолированных систем взаимодействия между подсистемами, то она должна, в конечном счете, прийти к равновесию.
3) Закрытые, что могут обмениваться только энергией.
ТДС так же можем быть гомогенной, если состоит из 1 фазы, и гетерогенной, если из нескольких. Под фазой нужно понимать равновесное состояние системы, отличное по физическим свойствам от других состояний или равновесий. Гетерогенная система состоит из нескольких фаз. Примером может служить плавающий в воде лед.
Температура является количественной характеристикой теплового равновесия. В состоянии равновесия температуры тел равны между собой.
Для определения самопроизвольности реакции вводят дополнительные микропараметры и микросостояния.
ГЛАВА 2. Три начала термодинамики
В большинстве случаев различные микросостоянии имеют разные энергии. При переходе системы из одного состояния в другое, в соответствии с законом полного сохранения энергии, обязана выделится или поглотиться энергия в той или иной форме.
Первое начало термодинамики устанавливает как эта энергия меняется.
А именно, теплота, подводимая к ТДС расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой некоторой работы.
- это для элементарной единицы теплоты (1.1)
Здесь
Стоит заметить, что существование 1 закона термодинамики оспаривает создание вечного двигателя первого порядка, т.е машину, что способна совершать работу без потребления энергии.
- в полной форме (1.2)
Возможны следующие процессы при разных условиях (когда один из интенсивных параметров постоянен)
1 Изохорный (v = const) = , вся теплота расходуется на увеличение внутренней энергии.
2 Изобарный (p = const)
Можно выразить энергию расширенной системы(H), где
2 + U2 ) - (PV1 + U1 ) = H2 - H1 =
энтальпия системы (1.3)
Теплота, подводимая к системе, идет на увеличение энтальпии. Это энергетическая функция, которая так же, как и внутренняя энергия должна зависеть от температуры, однако кроме внутренней энергии она включает в себя еще и работу, которую система может совершить при расширении.
3 Изотермический (t = const)
(1.4)
- все тепло идет на изменение работы.
4 Адиабатический процесс, это процесс, без подведения к системе теплоты:
(1.5)
При адиабатическом расширении T2 < T2
При адиабатическом сжатии T2 > T1
5 Политропический процесс
Все вышеперечисленные процессы - частные примеры политропических процессов. Процесс называется политропическим, когда сохраняется теплоемкость тела.
Уравнение политропы выглядит: (1.6)
где степень политропы ,
Графики политропических процессов, в зависимости от степени n выглядят так:
Рис 1.0 - политропические процессы, в зависимости от n
Эмпирически ясно, что количество тепла Q1, доставленное телу от нагревателю при температуре T1 и количество теплоты Q2 , отданное холодильнику при температуре T2 численное между собой не равно, однако их отношения сохраняются так что :
(1.7)
Из этого уравнения приведенных теплот видно, что теплота, полученная и отданная рабочим телом в круговом процессе, остается равной. Приведенная теплота является функцией состояния, она характеризует состояние тела. Так что интегрирование бесконечно малых приведенных теплот дает понятие энтропии.
(1.8)
Это одно из самых фундаментальных понятий в физике, энтропия описывает меру необратимого рассеивания энергии в системе, бесконечно малую часть.
Выясним величину изменения этой величины:
(1.9)
Подставив это выражение в (1.1), имеем
- термодинамическое тождество (2.0)
Определим энергию F, способная производить работу в 2.0, тогда
(2.1)
F - Энергия Гельмгольца.
Энергия Гельмгольца - мера самопроизвольного протекания процессов при изохорно-изотермических реакциях, т.е, это максимальная полезная работа, совершаемая в изохорно-изотермическом процессе с обратным знаком, что означает убыль этой энергии в самопроизвольном процессе.
Второй постулат термодинамики говорит о необратимости термодинамических процессов.
При контакте двух тел разной температуры теплота самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее. Для обратного процесса необходимо приложить некоторую работу. Такой процесс происходит в обычном холодильнике.
Второе начало термодинамики определяет направление протекания самопроизвольных процессов.
Постулат Клаузиуса: Тепло не может само по себе перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой.
Определение Оствальда: Невозможно создать такую машину, которое работало бы за счет охлаждения теплого резервуара.
Формулировка Карно: «Там, где есть разница температур, возможно совершение работы».
Математическим выражением второго постулата будет следующим: рассмотрим систему из двух контактирующих тел с разными температурами. Тепло будет переходить от тела с большей температурой к телу с меньшей, до тех пор, пока температуры обоих тел не выровняются. При этом от одного тела к другому будет передано определенное количество тепла Q. Но энтропия при этом у первого тела уменьшится на меньшую величину, и она увеличится у второго тела на такую же, которое принимает теплоту, так как, по определению, dS=.
Tо есть, в результате этого самопроизвольного процесса, энтропия системы из двух тел станет больше суммы энтропий этих тел до начала процесса. Иначе говоря, самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с высокой температурой к телу с более низкой температурой привел к тому, что энтропия системы из этих двух тел увеличилась.
Изменение энтропии при постоянстве температуры можно вычислить так:
(2.2)
Если обозначить поток энтропии, обусловленный взаимодействием с окр. Средой (deS) и (diS) - изменения внутри системы, то
(2.3)
всегда больше нуля, а знак не определен
Тогда, когда в системе проходят обратимые последствия
Необратимые явления происходят при .
Для изолированных систем внешний поток стремится к нулю, так что =
Состояние может существовать неопределенно долго, если система достигла состояния, когда
(2.4)
Получается, что если в систему поступает достаточный отрицательный поток энтропии из окр. Среды, то в системе поддерживается упорядоченное состояние.
Таким образом, неравновесность может служить источником упорядоченности.
Третье начало термодинамики гласит: абсолютная температура принципиально недостижима, поскольку при T=0 и S=0.
В 1911 году Макс Планк сформулировал третье начало термодинамики как условие обращения в нуль энтропии всех тел при стремлении температуры к абсолютному нулю: S > 0. Отсюда S0 = 0, что даёт возможность определять абсолютное значения энтропии и других термодинамических потенциалов.
Рассмотрим определение энтропии по Больцману.
При описании модели ТДС на микроуровне необходимо знать положение частицы и энергию, первое определяется через координаты, второе через 3 направленных вектора импульсов. В итоге получается 6 параметров, а учитывая количества молекул в теле, то общее число параметров, для описания системы становится невозможно большим. Если мы рассмотрим простую систему из двух частиц, то, очевидно, количество перестановок между ними ограничено (рис.1.0).
Рис 2.0 Число перестановок между двумя молекулами
Как видно из рисунка, всего таких способов будет четыре, но два нижних одинаковы, так что количество микросостояний равно трем.
Два верхних микросостояния реализуются только одним способом, а третье, нижнее - двумя. Число способов и является термодинамическим весом W, величина которой приведена справа от рисунков. Все четыре способа равновероятны, однако у каждой перестановки по одному возможному состоянию, а в последней их два. Очевидно, в равных условиях система будет находится в третьем состоянии чаще, чем в остальных двух. Это означает, что вероятность нахождения системы в менее упорядоченном макроскопическом состоянии больше, чем в упорядоченном.
Если в системе имеется N1 частиц одного вида, N2 частиц второго и так далее, то число перестановок будет меньше N!, а из комбинаторики следует такая формула :
W (2.5)
Термодинамическая вероятность связана с одной из основных макроскопических характеристик системы энтропией S соотношением Больцмана:
(2.6)
В статистической термодинамике энтропия не только функция состояния системы и физическая величина, характеризующая направленность процессов в природе, но и мера беспорядка и хаоса. В изолированных системах изменение энтропии служит критерием, определяющим направление процесса.
Третье начало можно сформулировать исходя из определения Больцмана. При Т количество возможных состояний в системе стремится к единице, а значит и статистический вес, исходя из (2.5) = 1, a тогда Что и описывает третий закон.
Температурная зависимость энтропии определяется возрастанием «беспорядка» при повышении температуры. Все вещества при низких температурах имеют твердое агрегатное состояние, которое при нагревании в определенный момент начинает плавиться и вещество переходит в жидкое состояние. Естественно, что беспорядок жидкости будет выше твердого тела. Дальнейшее нагревание приведет к кипению жидкости, также протекающему при (Т=const). Образовавшийся газ наиболее беспорядочен, при этом дальнейшее повышение температуры будет приводить к возрастанию его энтропии. Вывод: энтропия вещества увеличивается при повышении температур, а при фазовых переходах энтропия изменяется «скачком»