Термодинамика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Термодинамика

Статья является частью одноименной серии.
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править

Термодинамика (от греч. Therme — тепло + Dynamis — сила) — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а также теплотехника.

В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называются термодинамическими системами. В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами — давление, температура, объём, …, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

В теоретической физике наряду с феноменологической термодинамикой, изучающей феноменологию тепловых процессов, выделяют термодинамику статистическую, которая была создана для механического обоснования термодинамики и была одним из первых разделов статистической физики.

Содержание

1 Разделы термодинамики
2 Физический смысл термодинамики
- 2.1 Необходимость термодинамики
- 2.2 Законы — начала термодинамики
3 Основные формулы термодинамики
- 3.1 Условные обозначения
- 3.2 Формулы
4 Парадоксы
5 См. также
6 Литература
7 Другие ссылки

[править] Разделы термодинамики

Классическая термодинамика состоит из разделов:

Главные законы термодинамики (иногда также называемые началами).
Уравнения состояния и прочие свойства простых термодинамических систем (идеальный газ, реальный газ, диэлектрики и магнетики и т. д.)
Равновесные процессы с простыми системами, термодинамические циклы.
Неравновесные процессы и закон неубывания энтропии.
Термодинамические фазы и фазовые переходы.

Кроме этого, современная термодинамика включает также следующие направления:

строгая математическая формулировка термодинамики на основе выпуклого анализа;
неэкстенсивная термодинамика;
применение термодинамики к нестандартным системам (см. термодинамика чёрных дыр).

[править] Физический смысл термодинамики

[править] Необходимость термодинамики

Термодинамика исторически возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Однако в процессе своего развития термодинамика проникла во все разделы физики, где возможно ввести понятие «температура» и позволила теоретически предсказать многие явления задолго до появления строгой теории этих явлений.

[править] Законы — начала термодинамики

Термодинамика основывается на трёх законах — началах, которые сформулированы на основе экспериментальных данных и поэтому могут быть приняты как постулаты.

* 1-й закон — первое начало термодинамики. Представляет собой формулировку обобщённого закона сохранения энергии для термодинамических процессов. В наиболее простой форме его можно записать как $δ Q = δ A + d U$ , где $d U$ есть полный дифференциал внутренней энергии системы, а $δ Q$ и $δ A$ есть элементарное количество теплоты, переданное системе, и элементарная работа, совершенная системой соответственно. Нужно учитывать, что $δ A$ и $δ Q$ нельзя считать дифференциалами в обычном смысле этого понятия, поскольку эти величины существенно зависят от типа процесса, в результате которого состояние системы изменилось.

* 2-й закон — второе начало термодинамики: Второй закон термодинамики исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Имеется несколько различных, но в тоже время эквивалентных формулировок этого закона. 1 — Постулат Клаузиуса. Процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких либо других изменений в системе. Это явление называют рассеиванием или дисперсией энергии. 2 — Постулат Кельвина. Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе.

* 3-й закон — третье начало термодинамики: Теорема Нернста: Энтропия любой системы при абсолютном нуле температуры всегда может быть принята равной нулю.

* Примечание — нулевое начало термодинамики:

Для каждой изолированной термодинамической системы существует состояние термодинамического равновесия, которого она при фиксированных внешних условиях с течением времени самопроизвольно достигает.

[править] Основные формулы термодинамики

[править] Условные обозначения

Обозначение	Название величины	Размерность / Значение	Формула
$~T$	Температура	K
$~P$	Давление	Па
$~V$	Объём	м³
$~W_{cp}$	Средняя энергия молекулы	Дж
$~W_{Kcp}$	Средняя кинетическая энергия молекулы	Дж
$~m$	Масса	кг
$~\mu$	Молярная масса	кг/моль
$~N_A$	Постоянная Авогадро	6.0221415(10)·10²³ моль^–1
$~k$	Постоянная Больцмана	1.3806505(24)·10^–23 Дж/К
$~R$	Газовая постоянная	8.314472(15) Дж/(К·моль)	$~R = k \cdot N_A$
$~i$	Число степеней свободы молекулы	–
$~U$	Внутренняя энергия газа	Дж
$~A$	Работа, совершённая газом	Дж
$~Q$	Тепло, переданное газу	Дж
$~C_P$	Молярная теплоёмкость газа при постоянном давлении	Дж/(К·моль)
$~C_V$	Молярная теплоёмкость газа при постоянном объёме	Дж/(К·моль)
$~c$	Удельная теплоёмкость	Дж/(К·кг)
$~\gamma$	Показатель адиабаты	–	$~\gamma = \frac{i+2}{i}$

[править] Формулы

Уравнение состояние идеального газа (уравнение Менделеева–Клапейрона)	$~PV = \frac{m}{\mu}RT$
Изменение внутренней энергии газа	$~\Delta U = \Delta Q - \Delta A$
Работа газа	$~A = \int PdV$
Средняя энергия молекулы газа	$~W_{cp} = \frac{i}{2}kT$
Средняя кинетическая энергия молекулы газа	$~W_{Kcp} = \frac{3}{2}kT$
Внутренняя энергия газа	$~U = \frac{i}{2}PV$ $~U = \frac{i}{2}\frac{m}{\mu}RT$
Вывод формулы Внутренняя энергия газа равна сумме энергий всех входящих в него молекул $~U = \sum W_i = N \cdot W_{cp} = \frac{m}{\mu}N_A \cdot \frac{i}{2}kT = \frac{i}{2}\frac{m}{\mu}RT = \frac{i}{2}PV$
Теплоёмкость газа при постоянном объёме	$~C_V = \frac{i}{2}R$
Вывод формулы Количество теплоты, полученной телом, выражается через его массу и теплоёмкость известной формулой $~Q = mc\Delta T = \frac{m}{\mu}C\Delta T.$ Поскольку в изохорическом процессе газ не совершает работу, количество полученной им теплоты равно изменению внутренней энергии: $~Q = \Delta U = \frac{i}{2}\frac{m}{\mu}R\Delta T.$ Приравнивая правые части обоих уравнений, получим $~\frac{m}{\mu}C_V\Delta T = \frac{i}{2}\frac{m}{\mu}R\Delta T;$ $~C_V = \frac{i}{2}R.$
Теплоёмкость газа при постоянном давлении	$~C_P = \frac{i+2}{2}R$
Вывод формулы Количество теплоты, полученной телом, выражается через его массу и теплоёмкость известной формулой $~Q = mc\Delta T = \frac{m}{\mu}C\Delta T.$ Поскольку в изобарическом процессе количество полученной газом теплоты равно изменению внутренней энергии плюс совершённой газом работе, запишем : $~Q = \Delta U + \Delta A = \frac{i}{2}\frac{m}{\mu}R\Delta T + P\Delta V = \frac{i}{2}\frac{m}{\mu}R\Delta T + \frac{m}{\mu}R\Delta T = \frac{i+2}{2} \cdot \frac{m}{\mu}R\Delta T.$ Приравнивая правые части обоих уравнений, получим $~\frac{m}{\mu}C_P\Delta T = \frac{i+2}{2} \cdot \frac{m}{\mu}R\Delta T;$ $~C_P = \frac{i+2}{2}R.$

[править] Парадоксы

Парадокс Гиббса.

[править] См. также

Термодинамическое равновесие

[править] Литература

Гиббс Дж. В. Термодинамика. Статистическая механика. Серия: Классики науки. М.: Наука 1982. 584 с.
Базаров И. П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991, 376 с.
Базаров И. П., Геворкян Э. В., Николаев П. Н. Неравновесная термодинамика и физическая кинетика. М.: Изд-во МГУ, 1989.
Базаров И. П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. Изд. 2-ое испр. М.: Едиториал УРСС, 2003. 120 с.
Базаров И. П. Методологические проблемы статистической физики и термодинамики. М.: Изд-во МГУ, 1979.
Де Гроот С. Р. Термодинамика необратимых процессов. М.: Гос. Изд.-во техн.-теор. лит., 1956. 280 с.
Де Гроот С., Мазур П. Неравновесная термодинамика. М.: Мир, 1964. 456 с.
Гуров К. П. Феноменологическая термодинамика необратимых процессов (физические основы). — М.: Наука, Глав. ред. физ-мат лит-ры, 1978. 128 с.
Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы. М.: Мир, 1974. 404 с.
Карно С., Клаузиус Р., Томсон В. (лорд Кельвин), Больцман Л., Смолуховский М. Под ред. и комментариями и предисловием: Тимирязев А. К. Второе начало термодинамики. Антология. Изд.2. Серия: Физико-математическое наследие: физика (термодинамика и статистическая механика). — М.: Изд-во ЛКИ, 2007. — 312 с.
Квасников И. А. Термодинамика и статистическая физика. Т.1: Теория равновесных систем: Термодинамика. Том.1. Изд. 2, испр. и доп. М.: УРСС, 2002. 240 с.
Кубо Р. Термодинамика. М.: Мир, 1970
Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1960. 160 c.
Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. М.: Мир, 2002. 464 с.
Стратонович Р. Л. Нелинейная неравновесная термодинамика. М.: Наука, 1985. 480 с.
Сычев В. В. Дифференциальные уравнения термодинамики. Изд. 2-е. М.: Высшая школа, 1991. 224 с.
Шредингер Э. Статистическая термодинамика Ижевск: РХД, 1999. 96 с.

[править] Другие ссылки

Термодинамика необратимых процессов (Сайт о химии)

Физика (экспериментальная • теоретическая)
Основные разделы	Механика • Термодинамика • Молекулярная физика • Электричество • Магнетизм • Колебания • Волны • Квантовая физика • Ядерная физика • Атомная физика • Физика элементарных частиц • Теория поля
Механика	Классическая механика • Специальная теория относительности • Общая теория относительности • Релятивистская механика • Квантовая механика • Механика сплошных сред
Термодинамика и молекулярная физика	Физика плазмы • Физика конденсированного состояния
Электродинамика	Оптика
Колебания и волны	Оптика • Акустика • Радиофизика • Теория колебаний
Связанные науки	Химическая физика • Физическая химия • Математическая физика • Астрофизика • Геофизика • Биофизика • Физика атмосферы • Метрология • Материаловедение
Другие разделы	Космология • Статистическая физика • Физическая кинетика • Квантовая теория поля • Нелинейная динамика

Термодинамика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Содержание

[править] Разделы термодинамики

[править] Физический смысл термодинамики

[править] Необходимость термодинамики

[править] Законы — начала термодинамики

[править] Основные формулы термодинамики

[править] Условные обозначения

[править] Формулы

[править] Парадоксы

[править] См. также

[править] Литература

[править] Другие ссылки

Просмотры

Личные инструменты

Навигация

Поиск

Участие

Инструменты

На других языках