Чем ограничивается применение термодинамического метода

Чем ограничивается применение термодинамического метода

Задачей термодинамики, как и молекулярно-кинетической теории (статистической физики), является установление зависимостей между физическими величинами, характеризующими рассматриваемое тело и окружающую среду, и непосредственно наблюдаемыми на опыте, т. е. макроскопическими величинами. Термодинамика, в отличие от статистической физики, не строит никаких модельных представлений об атомно-молекулярном строении вещества, поэтому в ней отсутствуют любые величины, характеризующие отдельные частицы (диаметры молекул и атомов, их масса, структура и т. п.), ее выводы не зависят от этих моделей и сфера применимости значительно шире. В настоящее время до высокого совершенства разработаны техническая термо-динамика, изучающая процессы взаимного превращения теплоты и механической работы, термодинамика химических и фазовых превра-щений, термодинамика электрических и магнитных явлений, термо-динамика излучений, радиоактивного распада, процессов развития звезд и т. д. Возникает законный вопрос, чем же обуславливается возможность такого универсального применения термодинамического метода?

Термодинамика основывается на трех законах, установленных на огромном количестве физических опытов, из которых все остальные положения этой науки получаются путем строго логичных рассуждений.

Первый закон термодинамики непосредственно связан с абсолютным по своему существу, одним из наиболее общих законов природы – законом сохранения и превращения энергии. Характерно, что термодинамика привлекает его в специфичной форме, позволяющей установить непосредственную связь между физическими величинами, характеризующими влияние разнородных воздействий (тепловых, электрических, магнитных и других) на свойства рассматриваемого материального тела.

Изначально первый закон термодинамики относился всего лишь к двум формам энергии: тепловой и механической, что позволяло с его помощью исследовать связи только между тепловыми и механическими явлениями. Этот факт отражен в самом названии термодинамики.

Второй закон термодинамики – закон о возможности протекания любых самопроизвольных процессов. На его основе можно предсказать, при каких внешних условиях возможен процесс, и в каком направлении он будет протекать. Возможность протекания процесса в том или ином направлении представляет не только теоретический, но и большой практический интерес.

Третий закон термодинамики – закон об абсолютном значении энтропии, фундаментальной величине в физике. Несмотря на огромное теоретическое значение третьего закона, его практическое применение ограничивается областью физико-химических превращений. К примеру, этот закон позволяет вычислить так называемую константу равновесия химической реакции и, как следствие, максимально возможный выход продукта реакции, не прибегая к опытному ее определению.

В теории тепловых машин этот закон не находит применения, ибо там всегда рассматриваются только изменения энтропии, а не ее абсолютное значение.

Таким образом, в основе термодинамики лежат три закона – общие и неопровержимые истины, установленные в результате обобщения большего числа опытных данных.

Отметим, что термодинамический метод оказывается тем точнее, чем больше частиц в рассматриваемой системе, или чем меньше относительные флуктуации рассматриваемых величин. Для систем, содержащих малое число частиц, термодинамика неприменима.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Таким образом, область применения термодинамики необратимых процессов ограничивается не очень большим значением градиентов, определяющих поведение системы термодинамических параметров. Вследствие этого становится закономерным применение термодинамических методов для локального описания любой из частей системы. [31]

В справочном пособии изложены основные методы расчетов состава стекольной шихты и стекла, а также важнейших физико-химических свойств стекла. Книга содержит раздел, посвященный применению термодинамических методов определения расхода тепла на варку стекол и примеры расчетов. [32]

Техническая термодинамика изучает применение законов термодинамики и их следствий к тепловым двигателям. Назначение химической термодинамики состоит в применении термодинамического метода для изучения химических процессов. [33]

Учет светового давления необходим при применении термодинамических методов к проблеме равновесного теплового излучения. [34]

Только с помощью этих дополнительных данных, строго говоря, выходяпщх за рамки классической термодинамики, могли быть достигнуты огромные современные успехи в применении термодинамического метода к химическим равновесиям и другим проблемам. Без них применение термодинамических уравнений не могло бы быть доведено до конкретных для каждого случая числовых решений. [36]

Термодинамический метод основан на законах термодинамики, являющихся обобщением огромного опытного материала в области взаимной связи и превращений различных форм энергии. Такой метод применяется во многих энергетических расчетах при превращении веществ и в расчетах химических равновесий. Применение термодинамического метода не зависит от полноты наших сведений о молекулярном механизме процессов. Это позволило изучить практически важные реакции и реализовать их в технологии раньше, чем стал известен их механизм. [37]

Термодинамика дает целый набор средств качественной и количественной проверки состоятельности экспериментальных данных о фазовых равновесиях. Эти средства ( методы) достаточно разнообразны и в дальнейшем мы их последовательно рассмотрим. Для применения термодинамических методов важно знать их возможности и ограничения, которые являются прямым следствием особенностей самой термодинамики. На основании законов термодинамики можно определить, каким общим требованиям должны удовлетворять диаграммы равновесия, какие диаграммы невозможны, определить некоторые связи между переменными состояния ( температурой, давлением, составом), но феноменологическая термодинамика ничего не может сказать, какова должна быть диаграмма равновесия для данной, конкретной системы. [39]

ТНаряду с молекулярно-кинетическим методом, в молекулярной физике используется также термодинамический метод. В отличие от молекулярно-кинетической теории, в термодинамике изучают макроскопические свойства тел и различные процессы в них, не обращаясь к микроструктуре тел и происходящим них микропроцессам. Возможность применения термодинамического метода связана с тем, что многие свойства тел обусловлены происходящими в них процессами превращения энергии из одних видов в другие. Фундаментальные законы энергетических превращений, называемые началами или принципами термодинамики, были установлены путем обобщения большого числа опытных фактов. На их основе в термодинамике получены многочисленные результаты, имеющие очень общий характер. [40]

Термодинамика в отличие от молекулярной физики изучает макроскопические свойства тела или системы тел и процессы их взаимодействия, не интересуясь микроскопической картиной. Это обстоятельство имеет особо важное значение при исследовании переноса влаги в капиллярно-пористых телах, где молекулярная картина необычайно сложна. В то же время применение термодинамических методов не означает отказ от молекулярно-кинетического метода. Термодинамика и молекулярно-кинетйческая теория должны взаимно дополнять друг друга, один и тот же опытный материал должен служить предметом комплексного анализа. Перенос влаги неотделим от переноса теплоты, и явления тепломассопереноса необходимо рассматривать в их неразрывной 1 связи. Поэтому вполне естественным является применение к массопереносу тех методов и той системы понятий, которые с успехом применяются в явлениях переноса теплоты. [41]

Источник

Термодинамика

Лекция 1. Предмет технической термодинамики и ее методы

1. Предмет термодинамики

2. Основные параметры состояния тела

3. Понятие о термодинамическом процессе

4. Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы

5. Термодинамическое равновесие

1. Предмет термодинамики

Термодинамика наука о превращениях различных видов энергии из одного в другой, и о наиболее общих макроскопических свойствах материи. Она изучает различные как физические, так и химические явления, обусловленные превращениями энергии. Применение закономерностей термодинамики позволяет анализировать свойства веществ, предсказывать их поведение в различных условиях. Термодинамика дает возможность исследовать различные процессы от простых в однородных средах до сложных с физическими и химическими превращениями, биологических и др.

Слово «термодинамика» происходит от греч. «therme» – тепло и «dynamis» – сила. Название науки возникло в период ее основания – в начале XIX в. В настоящее время слово «термодинамика» трактуют так: наука «о силах, связанных с теплотой».

Термодинамика основана на двух, экспериментально установ­ленных законах (началах).

Первый закон (начало) является по существу законом преобразования и сохранения энергии применительно к процессам, изучаемым в термодинамике; невозможен процесс возникновения или исчезновения энергии.

Второй закон (начало) – определяет направление течения реальных (неравновесных) процессов; невозможен процесс, имеющий единственным своим результатом превращение теплоты в работу.

Термодинамический метод исследования основан на законах (началах) термодинамики и представляет собой их логическое и математическое развитие.

Объект исследования в термодинамике называют термодинамической системой или, в простом случае, термодинамическим телом. Одна из особенностей метода термодинамики состоит в том, что система (тело) противопоставляется всем другим телам, которые называют окружающей средой. Термодинамика построена дедуктивно: частные выводы получены из общих законов (начал).

Принято разделять термодинамику на физическую, или общую, химическую и техническую.

Физическая термодинамика разрабатывает метод термодинамики и применяет его для изучения фазовых превращений термоэлектрических и магнитных явлений, излучения, поверхностных явлений и т. п.

Химическая термодинамика изучает процессы с физическими и химическими превращениями с помощью метода термодинамики.

Техническая термодинамика устанавливает закономерности взаимного преобразования теплоты и работы, для чего изучает свойства газов и паров (рабочих тел) и процессы изменения их состояния; устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, протекающими в тепловых двигателях и холодильных установках. Одна из основных ее задач – отыскание наиболее рациональных способов взаимного превращения теплоты, и работы.

Источник

Термодинамика для «чайников»: первое начало, или почему невозможно построить вечный двигатель

В продолжение нашего курса «Физика для чайников» начнем рассматривать основы такого важнейшего раздела как термодинамика.

Активное развитие термодинамики началось в девятнадцатом веке. Именно тогда люди начали строить первые паровые машины, а потом активно внедрять их в производство. Началась промышленная революция, и, естественно, всем хотелось увеличить коэффициент полезного действия машин, чтобы произвести больше продукции, доехать подальше и в конце-концов получить больше денег. Все это очень хорошо стимулировало развитие науки и наоборот. Но давайте ближе к сути вопроса.

Парогенераторная прожекторная установка

Термодинамика – раздел физики, изучающий макроскопические системы, их наиболее общие свойства, способы передачи и превращения энергии в таких системах.

Что такое макроскопические системы? Это системы, состоящие из очень большого числа частиц. Например, баллон с газом или воздушный шар. Описание таких систем методами классической механики просто невозможно – ведь мы не можем измерить скорость, энергию и другие параметры каждой молекулы газа в отдельности. Тем не менее, поведение всей совокупности частиц подчиняется статистическим закономерностям. По сути любой видимый нами (невооруженным глазом) предмет может быть определен как термодинамическая система.

Термодинамическая система – реально или мысленно выделяемая макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц, не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц. Соответственно, для описания термодинамической системы используются макроскопические параметры, не относящиеся к каждой частице, но описывающие систему целиком. Это температура, давление, объем, масса системы и проч.

Важно отметить, что термодинамические системы могут быть замкнутыми и незамкнутыми. Замкнутая система – это такая система, которую при помощи реальной или воображаемой оболочки оградили от окружающей среды, при этом количество частиц в системе остается постоянным.

Система может находится в разных состояниях. Например, мы взяли баллон с газом и начали его нагревать. Тем самым мы изменили энергию молекул газа, они стали двигаться быстрее, и система перешла в какое-то новое состояние с более высокой температурой. Но что будет, если систему оставить в покое? Тогда система через какое-то время придет в состояние термодинамического равновесия.

Термодинамическое равновесие – это состояние системы, в котором ее макроскопические параметры (температура, объем и др.) остаются неизменными с течением времени.

Термодинамика стоит на трех своих столпах. Существуют три основных постулата или три закона термодинамики. Они называются соответственно первым, вторым и третьим началами термодинамики. Рассмотрим первое начало или первый закон термодинамики.

Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики гласит:

В любой изолированной системе запас энергии остается постоянным.

К слову, у данного постулата есть еще несколько эквивалентных формулировок. Приведем их ниже:

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил.

Невозможен вечный двигатель первого рода (двигатель, совершающий работу без затраты энергии).

Запишем также математическое выражение первого начала термодинамики:

Почему невозможен вечный двигатель первого рода?

Людей издревле привлекала ее величество Халява. Философский камень, превращающий любой металл в золото, скатерть самобранка, с которой не нужно готовить, джин, исполняющий любые желания. Еще одной такой идеей была идея вечного двигателя.

Если никто не пытался найти скатерть-самобранку, то вечный двигатель пытались изобрести очень много раз. На протяжении веков разные люди спрашивали себя: как построить вечный двигатель? Согласно историческим записям первым такую попытку предпринял в двенадцатом веке некий индийский ученый. Затем было еще множество попыток, в том числе плотно занимался вопросом и Леонардо да Винчи. Наконец, в девятнадцатом веке светлые головы Германа Гельмгольца и Джеймса Джоуля сформулировали первое начало динамики и подтвердили его опытами, чем развеяли все сомнения. В помощь также статья, о том, как делать презентацию в ворде и powerpoint.

Вечный двигатель Леонардо да Винчи

Вечный двигатель невозможен, потому что так устроен мир. Об этом говорят нам законы термодинамики. Согласно первому началу термодинамики, количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил. Например, газ, помещенный в цилиндр с поршнем, получая определенное количество теплоты, увеличивает свою внутреннюю энергию, молекулы движутся быстрее, газ занимает больший объем и толкает поршень (работа против внешних сил). Иными словами, если работа совершается без внешнего притока энергии, она может совершаться лишь за счет внутренней энергии системы, которая рано иди поздно иссякнет, преобразовавшись в совершенную работу, на чем все закончится и система придет к состоянию термодинамического равновесия. Ведь энергия в мире никуда не уходит и не приходит, ее количество остается постоянным, а меняется лишь форма. Конечно, Вы обратили внимание на то, что речь идет о так называемом вечном двигателе первого рода (который может совершать работу без энергии). Спешим заверить, существование вечного двигателя второго рода также невозможно и объясняется вторым началом термодинамики, о котором мы поговорим в ближайшем будущем.

Энергия и ее формы

Надеемся, знакомство с термодинамикой прошло для Вас приятно и Вы полюбите ее всем сердцем. Если же этого не произойдет, Вы всегда можете поручить выполнение задач по термодинамике нашим авторам, пока сами занимаетесь более приятными делами.

Источник