Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
II закон термодинамики. Равновесные и неравновесные, обратимые и необратимые, самопроизвольные и несамопроизвольные процессы. Постулаты Клаузиуса и томсона. Цикл Карно.
Равновесные и неравновесные, обратимые и необратимые, самопроизвольные и несамопроизвольные процессы.
Р Р Р
V V V (а) (б) (в) Рис. (а), (б), (в) - графики изотермического расширения идеального газа, находящегося в сосуде под давлением (см. лекцию 1); внешнее давление многократно ступенчато уменьшается. Рис. (а): точки на кривой - точки состояния равновесия. Рис. (б): процесс протекает между теми же исходным и конечным состоянием, но скачки P и V здесь меньше, чем на рис. (а); кривые прямого и обратного процессов сблизились, число равновесных остановок возросло. Изменяя давление последовательно и многократно на бесконечно малую величину, мы можем провести процесс так, что система будет находиться в каждый момент времени бесконечно близко к равновесию. Тогда кривые прямого и обратного процесса станут бесконечно близко друг к другу и к равновесной кривой, заключенной между ними. В этом процессе работа расширения, совершаемая системой, будет наибольшей. Такой процесс будет протекать бесконечно медленно, т.к. число скачков будет бесконечно велико, а время, необходимое для совершения одного скачка, конечно. Рис. (в): процесс проходит в прямом и обратном направлении через одни и те же состояния, бесконечно близкие к равновесию; этот процесс называется равновесным. Работа равновесного процесса имеет максимальную величину по сравнению с неравновесными процессами (рис. а и б) и называется максимальной работой. Если равновесный процесс протекает в прямом, а затем в обратном направлении так, что не только система, но и окружающая среда возвращается в исходное состояние и в результате процесса не остается никаких изменений во всех участвовавших в процессе телах, то процесс называется обратимым. Иногда равновесный процесс называют обратимым изменением системы. Равновесный процесс - предельный тип процесса, абстракция; реальные физические и химические процессы всегда в большей или меньшей степени неравновесны. Само понятие «равновесный процесс» противоречиво: равновесие - и процесс. Термодинамика вынуждена использовать в своих теоретических исследованиях понятие равновесных процессов, особенно в связи со II ЗТ. I ЗТ в форме его основных уравнений приложим в равной мере и к равновесным, и к неравновесным процессам, однако расчеты по I ЗТ во многих случаях могут быть количественно проведены только для равновесных процессов (вычисление работы).
Пример равновесных процессов - идеальные механические процессы, протекающие без трения. Примеры крайних случаев неравновесных процессов: переход теплоты от тела с большей Т к телу с меньшей Т; переход механической работы в теплоту при трении; расширение газов в пустоту; самопроизвольное смешение газов или жидкостей путем диффузии; взрыв смеси горючего с окислителем. Эти процессы не могут быть проведены в обратном направлении через те же промежуточные состояния, что и прямые процессы. Неравновесные процессы протекают с конечной, иногда большой, скоростью; при этом система, являющаяся неравновесной, изменяясь, приближается к равновесию. С наступлением равновесия (сравниваются Т тел, газы и жидкости смешаются...) процесс заканчивается. Очевидно, что все неравновесные процессы протекают в направлении достижения равновесия и протекают «сами собой», т.е. без воздействия внешней силы. Очевидно также, что обратные по направлению процессы будут удалять систему от равновесия и без внешнего воздействия не могут пойти. Процессы, протекающие сами собой и приближающие систему к равновесию, являются самопроизвольными (положительными). Процессы, не могущие протекать сами собой, без воздействия извне, удаляющие систему от равновесия - несамопроизвольные (отрицательные). В изолированной системе, где исключены внешние воздействия, могут протекать только самопроизвольные процессы. Т.о., по эмпирическому признаку - возможности протекания процесса без сопровождения каким-либо другим процессом - все реальные процессы делятся на два типа: положительные и отрицательные. Равновесные процессы лежат на границе между этими двумя классами процессов, не относясь к какому-либо из них.
ЦИКЛ КАРНО. В машинах, производящих работу (тепловых машинах, например), определенное количество какого-либо вещества, называемое рабочим телом, совершает циклическую последовательность процессов, периодически возвращаясь в исходное состояние. Таким путем достигается превращение теплоты в работу.
Важнейшим из обратимых циклов является цикл Карно. Он состоит из 4 процессов. Рассмотрим цикл Карно для 1 моля идеального газа. 1). Изотермическое расширение при Т = Т1: газ находится в контакте с нагревателем с Т1, получает теплоту Q1, совершает работу А1 А1 = RT1 ln = SABba = Q1 2). Адиабатическое расширение: Т1 падает до Т2
А = åA i = A1 + A2 + A3 + A4 = SABCD = RT1 ln - RT2 ln = Q1 - Q2 A > 0 Þ Q1 - Q2 > 0 Þ Q1 > Q2 Внутренняя энергия идеального газа не изменилась. Работа, произведенная газом, совершена за счет теплоты Q1, поглощенной системой от некоторого источника тепла с постоянной Т1 (нагреватель). Однако только часть теплоты превращается в работу. Другая часть теплоты - Q2 - передана газом внешней среде - некоторому телу с постоянной Т2 (холодильник). Для адиабаты ВС: Т1V2g-1 = T2V3g-1 Для адиабаты AD: T1V1g-1 = T2V4g-1 Разделим эти равенства друг на друга и извлечем корень степени g-1: = A = Q1 - Q2 = RT1 ln - RT2 ln = R ln (T1 - T2) = RT1 ln = = Q1 = = = h Отношение A/Q1 показывает, какая часть теплоты, поглощенной газом, превращается в работу; оно называется КПД цикла. В данном случае это КПД цикла Карно с идеальным газом, рассматриваемого как тепловая машина. Величина КПД (h) зависит от разности температур, между которыми работает цикл Карно: 1. Т1 = Т2: h = 0, А = 0 - получение А при Т = const невозможно; Т нагревателя и холодильника должны быть различны; 2. Т2 = 0: h = 1, А = Q1 - теоретически полное превращение Q1 в А возможно при холодильнике с Т = 0 К. Теорема Карно-Клаузиуса: КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, не зависит от природы рабочего тела машины, а лишь от температур нагревателя и холодильника. Цикл Карно равновесен, т.к. все составляющие его процессы равновесны. При проведении этого цикла в обратном направлении все характеризующие его величины имеют те же значения, что в прямом цикле, но обратные знаки. Теплота Q2 поглощается газом у тела с низшей Т = Т2 и вместе с отрицательной работой А цикла передается телу с высшей Т1. В сумме нагреватель получает теплоту Q1 = А + Q2. Т.о., в обратном цикле Карно А превращается в Q и одновременно теплота Q2 переносится от тела с низшей Т к телу с высшей Т. Обратный цикл Карно дает схему действия идеальной холодильной машины. КПД обратного цикла - такое же, как и у прямого. Цикл Карно для идеального газа - идеальная, не осуществимая на практике схема тепловой (холодильной) машины. В технической термодинамике рассматриваются др. циклы, более близкие к реальным процессам, и вычисляются их КПД (циклы Рэнкина и Дизеля, например). КПД тепловой машины, работающей необратимо, меньше, чем КПД машины, работающей по обратимому циклу Карно между теми же температурами.
II ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. Из I ЗТ и вытекающих из него закономерностей нельзя сделать вывода о том, возможен ли вообще данный процесс и в каком направлении он протекает. Между тем реальные процессы протекают в определенном направлении и, как правило, не изменив условий, нельзя заставить процесс пойти в обратном направлении. Возможность предвидеть направление того или иного процесса является очень важной для науки и техники.
II ЗТ накладывает определенные ограничения на взаимные переходы энергии из одного вида в др. Он позволяет предвидеть направление течения процесса и глубину его протекания. Формулировки II закона термодинамики: 1. Постулат Клаузиуса: единственным результатом любой совокупности процессов не может быть переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Обратный указанному переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому - это обычный неравновесный процесс передачи тепла путем теплопроводности. Он не может быть обращен, т.е. проведен в обратном направлении через ту же последовательность состояний. Процесс теплопроводности необратим. 2. Другое опытное положение, имеющее ту же основу: единственным результатом любой совокупности процессов не может быть превращение теплоты в работу. Т.о., самопроизвольный процесс превращения работы в теплоту (путем трения) необратим, так же, как и теплопроводность. 3. Постулат Томсона: теплота наиболее холодного тела из участвующих в круговом процессе не может служить источником работы. 4. Невозможен вечный двигатель второго рода (машина, которая давала бы работу, используя энергию какого-либо источника, и имела бы Т, одинаковую с Т этого источника). ПостулатыКлаузиуса и Томсона - формулировки II ЗТ и эквивалентны друг другу, т.е. каждое из них может быть доказано на основании другого. Их можно объединить в один: единственным результатом цикла не может быть отрицательный процесс. Это наиболее широкая формулировка, но ее недостаток в том, что она требует дополнительного определения отрицательного процесса. Исходные постулаты Клаузиуса и Томсона, имея вид частных формулировок, оказываются (каждый в отдельности) совершенно достаточными для построения всех выводов, следующих из другого постулата. В цикле Карно переход теплоты в работу - отрицательный процесс. Он компенсируется положительным процессом - передачей тепла от нагревателя к холодильнику. Математическое выражение II ЗТ:
A = Q1 , dA = Q Лекция 5 Энтропия. Вычисление энтропии. Постулат Планка. h = = 1 - = 1 - = или - = 0 Отношение Q/Т - приведенная теплота. Вышеприведенная запись означает: алгебраическая сумма приведенных теплот по обратимому циклу Карно равна нулю.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-06-23; просмотров: 791; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.15.223.201 (0.018 с.) |