Теоретические основы теплотехники - 7 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

О
кружающий нас мир материален, материя находится в непрерывном движении. Меру движения материи
называют энергией. Чаще всего мы встречаемся с механической и тепловой формами движения мате-
рии. В первом случае движение связано с перемещением в пространстве макрообъемов материи, а во
втором – с движением только на микроуровне (тепловое движение молекул). Изменения энергии в ре-
зультате таких движений называют соответственно механической работой и теплотой.
Тело или группу макротел, энергетические свойства которых подлежат изучению, называют термо-
динамической системой. Все остальные тела, способные взаимодействовать с системой, составляют ок-
ружающую среду. Границу между системой и средой называют контрольной поверхностью. Если кон-
трольная поверхность допускает обмен массой между системой и окружающей средой, то систему на-
зывают открытой, если же такой обмен невозможен, – систему называют закрытой. Закрытые системы
проще и именно с них начинают изучение основ термодинамики.
Одну из аксиом термодинамики составляет ее нулевое правило: всякие изменения в системе возмож-
ны только в результате взаимодействия с окружающей средой. Априорно принимая это положение, мы
исключаем из объектов анализа многие биологические системы, обладающие способностью самопроиз-
вольных изменений.
Состояния и свойства системы характеризуются рядом физических величин. При взаимодействии с
окружающей средой некоторые из них изменяются, и их называют параметрами состояния системы.
Другие же величины при этом практически не меняют своего численного значения и их называют фи-
зическими константами. Физконстанты характеризуют свойства вещества, заполняющего систему, а па-
раметры состояния – особенности состояния этого вещества. Примеры параметров: р, Т, V (давление,
температура, объем); примеры физконстант: с
р
, r (теплоемкость, теплота парообразования).
Систему называют однородной, если параметры ее не изменяются в пространстве, и равновесной,
если они не изменяются по времени. Нулевое правило термодинамики иногда формулируют и так: при
отсутствии внешних воздействий система рано или поздно приходит к однородному и равновесному
состоянию.
Параметры состояния можно разделить на две группы. Потенциалами
p
называют такие параметры,
разница которых в среде и системе является движущей силой взаимодействия. При
ii
pp
вн
= взаимодей-
ствие i-го рода невозможно. Взаимодействие в принципе возможно только при
ii
pp
вн
≠ . Примеры по-
тенциалов: р, Т, Е (электрический потенциал). Координатами
i
x называют такие параметры, изменение
которых в системе свидетельствует о протекании взаимодействия. Если 0≠
i
xd , то взаимодействие со-
вершается, при 0=
i
xd взаимодействие не совершается даже при наличии необходимой разности потен-
циалов (из-за наличия частичной или полной изоляции системы). Примеры координат: V, m (при хими-
ческих взаимодействиях), число электрических зарядов, протекающих при электрических взаимодейст-
виях и др. Вдумчивый анализ позволяет обнаружить для любого типа взаимодействий и потенциал, и
координату состояния.
По аналогии с математической теорией поля в термодинамике принято следующее правило знаков
для потенциалов: разность
ii
pp
вн
− считается положительной (т.е.
ii
pp
вн
> ), если при этом возникает
процесс взаимодействия с возрастанием соответствующей координаты состояния (
0>
i
xd ).
Координату теплового состояния называют энтропией. Сложность этого параметра в том, что он
носит статистический характер и не обнаруживается непосредственным опытом или измерениями. Эн-
тропия системы определяется вероятностью ее состояния. Под вероятностью состояния системы пони-
мают число способов, которыми можно достичь данного состояния, начиная от некоторого первона-
чального. Поэтому вероятность состояния системы в числовой форме отражает меру хаотичности рас-
положения элементов, ее составляющих. Минимальной частицей макромира является молекула. Значит,
вероятность состояния характеризует степень упорядоченности (или беспорядка) распределения моле-
кул в объеме термодинамической системы. Л. Больцман показал, что величина энтропии пропорцио-
нальна вероятности состояния W и определяется формулой WkS ln
=
, где k – постоянная Стефана-
Больцмана (одна из универсальных физических констант).
При подводе тепла к системе растет интенсивность теплового движения молекул, растет и степень
хаотичности распределения их в пространстве. Значит при этом численно возрастают и W, и S. При отво-
де тепла все происходит наоборот: энтропия S уменьшается.
Заканчивая параграф, отметим, что изложенный подход при введении понятия об энтропии сложил-
ся сравнительно недавно. Для более подробного изучения этот раздела термодинамики можно пореко-

Страницы