Термодинамика. Законы термодинамики

План:

Вступ.....................................................................................................................3

1. Основні поняття термодинаміки.................................................................4
2. Перший початок термодинаміки.................................................................5
3. Другий початок термодинаміки..................................................................6
4. Необхідні і достатні умови існування систем.............................................8
5. Ентропія Землі............................................................................................10
6. Термодинаміка і проблеми довкілля.........................................................13

Висновок..............................................................................................................17

Використана література....................................................................................18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ.

Термодинаміка вивчає закономірності теплового руху в рівноважних системах і під час переходу систем в рівновагу (класична або рівноважна, термодинамічна), а так само узагальнює ці закономірності на нерівноважні системи рівноважна термодинамічна або термодинаміка безповоротних процесів.

Термодинаміка безповоротних процесів є порівняно молодою і розділом термодинамічної фізики, що інтенсивно розвивається. Вона виникла в результаті узагальнення класичної термодинаміки на область малих відхилень системи від рівноваги і надалі була поширена на побудову теорії процесів в сильно нерівноважних системах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основні поняття термодинаміки.

Макроскопічна система - всякий матеріальний об'єкт, всяке тіло, що складається з великого числа  часток. Рівноважний стан системи - це такий стан, коли в системі  не лише усі параметри постійні в часі, і немає ніяких стаціонарних потоків за рахунок дії яких-небудь зовнішніх джерел. Ізольована або замкнута система - система, яка не обмінюється з навколишніми тілами ні енергією, ні речовиною. Відкрита система - система, яка обмінюється з навколишніми тілами енергією і речовиною. Закрита система - система, що не обмінюється з іншими тілами речовиною, але обмінюється енергією. Енергія системи - енергія безперервно рухомих і взаємодіючих часток. Повна енергія системи розділяється на зовнішню і внутрішню. Частина енергії, що складається з енергії руху системи як цілого і потенційної енергії системи в полі зовнішніх сил, називається зовнішньою енергією. Інша частина енергії системи називається внутрішньою енергією. Кількість теплоти - енергія, передана системі без зміни її зовнішніх параметрів. Процес називається рівноважним або квазістатичним, якщо усі параметри системи змінюються фізично нескінченно повільно, так що система увесь час знаходиться в рівноважних станах. Час релаксації - проміжок часу, в течії якого система повертається в стан рівноваги. Якщо зміна якого-небудь параметра a відбувається за час t, менше або рівніше часу релаксації τ (t≤τ), так що, то такий процес називається нерівноважним або нестатичним. Процес переходу системи із стану 1 в 2 називається оборотним, якщо повернення цієї системи в початковий стан з 2 в 1 можна здійснити без яких би то не було змін в навколишніх зовнішніх тілах. Процес же переходу системи із стану 1 в 2 називається безповоротним, якщо зворотний перехід системи з 2 в 1 не можна здійснити без змін в навколишніх тілах.

 

 

 

 

 

 

Перший початок термодинаміки.

Термодинаміка - дедуктивна наука. Її основні успіхи можуть бути охарактеризовані тим, що вона дозволяє отримати безліч різних співвідношень  межу величинами, що визначають стан тіл, спираючись на дуже загальні електричні закони - початку-термодинаміки. Обговоримо зміст цих основних законів і відповідним їм основних рівнянь термодинаміки. Однією з аксіом термодинаміки є перший початок термодинаміки, стверджуючий наступний, : внутрішня енергія термодинамічної системи є функцією стану, що змінюється тільки при взаємодії з оточенням. Зміна внутрішньої енергії пов'язана з роботою і кількістю теплоти рівнянням першого початку термодинаміки :

δQ = dE + δА. (1)

Вираження (1) по суті є  законом збереження енергії, що описує взаємодію макросистеми з оточенням. Перший початок термодинаміки, встановлюючи зв'язок між dE, δА і δQ, тим самим  дозволяє звести вимір dE до виміру макроскопічних величин, таких як робота або кількість теплоти. З іншого боку, перший початок термодинаміки дозволяє зробити певний висновок про ту механічну роботу, яку можна отримати в тому або іншому процесі, що представляє великий практичний інтерес. Історично встановлення першого початку термодинаміки (закону збереження енергії) було пов'язане якраз з невдачами при спробах сконструювати машину, яка здійснювала б роботу, не витрачаючи при цьому ніякої енергії і не отримуючи теплоти ззовні. У термодинаміці таку нездійсненну машину називають вічним двигуном першого роду. Для періодично діючої машини dE = 0; тому для періодичного виробництва нею роботи через закон збереження енергії необхідно або підводити кількість теплоти δQ або використовувати роботу δА інших джерел енергії. Неможливо побудувати вічний двигун, який виконував би велику роботу, чим кількість що поглинається їм ззовні енергії. Останнє твердження можна розглядати як одне з формулювань першого початку термодинаміки. Надалі для позначення елементарної зміни внутрішньої енергії dE, елементарної роботи δА і кількості теплоти δQ використовуватимемо тільки один символ: d.

 

Другий початок  термодинаміки.

Другий початок термодинаміки - один з принципів термодинаміки, постулювало існування ще однієї функції стану - ентропії і визначає характер її зміни в оборотних і безповоротних процесах, стверджуючи, що зміна ентропії в макросистемах більше або дорівнює зміні приведеної теплоти для нерівноважних і рівноважних процесів відповідно. Математичним вираженням другого початку термодинаміки є співвідношення між елементарною зміною ентропії і приведеною теплотою :

. (2)

Скористаємося першим початком термодинаміки і виразимо у вираженні (2) кількість теплоти dQ через зміну  внутрішньої енергії dE і елементарну  роботу dA. Отримаємо:

(3)

Знак рівності у вираженні (3) відповідає оборотним процесам, нерівність характеризує зміну ентропії в нерівноважних  процесах. Таким чином, для рівноважних  процесів з вираження (3) маємо рівність:

TdS = dE + dA (4)

зване основним рівнянням термодинаміки для рівноважних процесів, і нерівність:

TdS>dE + dA (5)

зване основною нерівністю термодинаміки для нерівноважних  процесів.

Процеси в макросистемах  можуть протікати тільки за умови  виконання співвідношень (2). Існує  декілька еквівалентних формулювань другого початку термодинаміки, вони відбивають історичний хід розвитку знань в цій області і підкреслюють різні сторони проблеми. Формулювання Клаузіуса (1850) : процес, при якому в системі не відбувається ніяких змін, окрім передачі теплоти від гарячого тіла до холодного, є безповоротним; інакше кажучи, теплота не може мимоволі перейти від холоднішого тіла до гарячішому без яких-небудь інших змін в системі. Формулювання Томсона(1851) : процес, при якому теплота переходить в роботу, є безповоротним; інакше кажучи, неможливо перетворити в роботу усю теплоту, узяту від тіла з однорідною температурою, не виробляючи ніяких інших змін в стані системи. Принцип неможливості створення вічного двигуна другого роду : неможливо створити періодично працюючу машину, яка виконувала б роботу за рахунок поглинання теплоти одного теплового резервуару, не викликаючи при цьому ніяких інших змін стану системи. (Таку уявну машину прийнято називати вічним двигуном другого роду)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Необхідні і  достатні умови існування систем.

Народження життя на Землі, її розвиток і існування, антропогенна діяльність знаходяться в строгій  відповідності з другим початком термодинаміки - законом зростання  ентропії. Цей закон показує, як і  яким чином відбувається неминуче погіршення якості довкілля для досягнення головної мети - забезпечення існування життя на планеті і стійкого розвитку. Для еволюції впорядкованих систем і їх існування потрібно необхідні і достатні умови:

• потрібні джерела, що забезпечують системи речовиною, енергією з низькою ентропією;
• можливість позбавлення від відходів, що мають високу ентропію.

Особливість живого організму  полягає в тому, що він підтримує  себе на порівняно низькому рівні  ентропії, користуючись високоякісною  енергією, за рахунок зростання ентропії довкілля, а умовою існування життя є достатність запасів ентропій природного довкілля. Для забезпечення життя довкілля повинне знаходитися в "достатньому впорядкованому стані". У ній повинні знаходитися ряд живлячих підсистем : сонячне випромінювання, повітря, вода, мінерали, рослини, тварини і тому подібне. Існування і розвиток життя створюють нові високовпорядковані системи, але при цьому прискорюються процеси зростання ентропії. У довкілля (у космос) виносяться низькоякісні потоки енергії (довгохвильові випромінювання) і інші відходи людської цивілізації. Життя створює актуальну впорядкованість з неактуальної невпорядкованості. При цьому відбувається збільшення ентропії в неактуальній частині загальної системи. У нашому випадку актуальною підсистемою є біосфера на Землі, неактуальній, - космічний простір, звідки приходить сонячне випромінювання, що дає життя на Землі. Туди ж, в космічний простір, розсіюється випромінювання із земної поверхні. Це випромінювання має більшу ентропію, тобто нижчою якістю енергії, чим потік сонячного випромінювання. Тому зростання впорядкованості в біосфері Землі з великим надлишком сплачене збільшенням ентропії Всесвітом. Головне при цьому полягає в тому, що відбувається переміщення зростання ентропії в неактуальні частини системи. Таким чином, у цілковитій згоді із законом зростання ентропії досягається локальне зменшення ентропії в актуальних для життя людини підсистемах. Насправді, немає жодного процесу в житті, де порушувався б закон зростання ентропії. Усі процеси в біосфері пов'язані з цим законом. Людина, як вищий продукт живої природи, знаходиться на верхньому рівні піраміди ентропії, де її значення має дуже мале значення, але стійкість цього рівня забезпечується за рахунок значного зростання ентропії рівнів, що пролягають нижче, і інших живлячих підсистем. Положення рівня людини дуже чутливо до будь-яких зовнішніх дій і потрібно великий набір додаткових достатніх умов, що забезпечують відносну стабільність існування цього рівня, що склався в ході тривалих процесів еволюції живої матерії. Мало того, що для забезпечення людського життя потрібні повітря, вода, їжа, житло, сонячне випромінювання і багато що інше, але вимагається, щоб вода і повітря були чистими. Такі, до яких звикла людина за довгі роки еволюційного розвитку. Потрібно великий набір біотичних і абиотических чинників, що забезпечують достатність стійкості життя. Швидка зміна одного з цих чинників може порушити стійкість рівня в піраміді, де знаходиться людина. Ні склад води, ні склад повітря і так далі не повинні швидко мінятися від складу, що склався за еволюційний період. Якщо, наприклад, абиотические чинники міняються (склад води, повітря і тому подібне), то швидкість цих змін має бути такою, щоб устигав спрацьовувати механізм адаптації живого організму. Необхідні (обов'язкова наявність низької ентропії відкритої підсистеми за рахунок більшого приросту ентропії зовнішніх живлячих систем) і достатні (набір біотичних і абиотических чинників, що постійних або міняються із швидкістю адаптації) умови забезпечують стійкість життя в біосфері. Необхідно відмітити, що ці умови не охоплюють усі сторони багатогранного життя людини і суспільства з його наукою, культурою, виробництвом, мистецтвом, етикою, мораллю і так далі, проте вони є фундаментом і каркасом будівлі, в якій живе і творить людина.

 

 

Ентропія Землі.

Планета Земля разом  з живою і неживою природою є складною самостійною екосистемою, в якій треба піклуватися про  її стан, здатний забезпечити існування  життя. Для цього необхідно, щоб  були, по-перше, джерела, в яких відбуватиметься зростання ентропії в системі "Земля - космос" за рахунок зменшення ентропії в ноосфері, по-друге, потрібні способи позбавлення від відходів людської цивілізації. Найважливішим джерелом енергії з низьким значенням ентропії є сонячне випромінювання, яке забезпечує життєдіяльність біосфери, протікання різних нерівноважних процесів, включаючи фотосинтез і інші біохімічні і біофізичні реакції. Довгохвильове теплове випромінювання Землі, що йде в космос, відносить частину "відходів" у вигляді приросту ентропії, як неминучого побічного продукту багатьох земних процесів природного і техногенного походження. Баланс енергії при цьому зберігається. Головне полягає в тому, що сонячна енергія має нижчу ентропію (отже, вищою якістю енергії), ніж довгохвильове випромінювання Землі, що йде в космос, має вищу ентропію (отже, нижчою якістю енергії). Іншими словами, Земля отримує від Сонця якісну енергію з низькою ентропією, а віддає в космос неякісне випромінювання з високою ентропією і, таким чином, "очищається" від надлишку ентропії. Останній процес також важливий, як і перший процес отримання якісного сонячного випромінювання. Ці дві сторони доки не викликають занепокоєння: сонячного випромінювання вистачить на мільйони років, а приріст ентропії у Всесвіті за рахунок вступу надлишків ентропії від антропогенної діяльності нікчемно мало. Питання в іншому. В результаті науково-технічної революції і науково-технічного прогресу порушується стійка рівновага системи "Людина - середовище". Нині настільки багато різних видів забруднень біосфери, що потрібно спеціальні додаткові заходи для їх утилізації. Але з іншого боку, для їх утилізації потрібно енергію і засоби. Це викликає приріст ентропії в інших областях, які поставляють цю енергію і засоби. Виникає зачароване коло, одне місце очищають, пересуваючи відходи в інше місце, аналогічно тому, що димар будується вище з тим, щоб продукти вихлопу відносилися по можливості далі, в сусідню область. Якщо розглядати в цілому усю Земну кулю, то категорія "чисте виробництво", "повна утилізація" при глобальному балансі є позбавленням від своїх відходів за рахунок збільшення їх сумарної кількості на планеті. Для виходу з цього порочного круга можна розглянути два шляхи:

• краще і ефективніше від використовувати сонячне випромінювання;
• знайти і ввести нові джерела енергії з низькою ентропією.