Тема 1.2: «Первый закон термодинамики. Второй закон термодинамики»

 Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым явлениям, протекающим в термодинамическом процессе. Понятие энергии связано с движением материи. Энергия может принимать многие формы: механической работы, теплоты, химической энергии, энергии электрического и магнитного полей. В термодинамическом процессе взаимодействие окружающей среды и термодинамической системы осуществляется путем обмена энергией.

Многочисленные опыты и наблюдения привели к открытию фундаментального закона природы – закону сохранения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает или количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Подведенная к термодинамической системе теплота Q расходуется на изменение внутренней энергии ΔU системы и на совершение работы L. Q =Δ U + L

Второй закон термодинамики.

Первое начало термодинамики позволяет установить количественные соотношения между работой, теплотой и внутренней энергией термодинамической системы, однако оно не указывает направления передачи энергии.

Второй закон термодинамики утверждает, что невозможно устройство, которое переводило бы теплоту от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой без каких-либо изменений в других телах.

Второй закон термодинамики можно еще сформулировать так (М.Планк): невозможно создать периодически работающую машину, все действия которой сводились бы к совершению работы и к охлаждению одной только горячей среды. Эта формулировка по существу утверждает, что в цикле нельзя полностью преобразовать теплоту в работу: в любом цикле кроме участков, на которых теплота подводится, должны быть участки, где она отводится.

Если первое начало термодинамики утверждает, что невозможно создать двигатель, который мог бы бесконечно совершать работу без подвода энергии извне (вечный двигатель первого рода), то второе начало постулирует невозможность создания двигателя, который мог бы всю теплоту, полученную рабочим телом от горячей среды, преобразовать в работу, не отдавая сколько-нибудь теплоты холодной среде (вечный двигатель второго рода). Это еще одна из формулировок второго начала термодинамики.

Энтропия. Энтальпия.

Энтропи́я — широко используемый в естественных и точных науках термин. Впервые введён в рамках термодинамики как функция состояния термодинамической системы. Энтропия определяет меру необратимого рассеивания энергии или бесполезности энергии, ибо не всю энергию системы можно использовать для превращения в какую-нибудь полезную работу. Для понятия энтропии в данном разделе физики используют название термодинамическая энтропия. Термодинамическая энтропия обычно применяется для описания равновесных (обратимых) процессов.

Понятие энтропии впервые было введено Клаузиусом в термодинамике в 1865 году для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот, она является функцией состояния и остаётся постоянной при замкнутых обратимых процессах, тогда как в необратимых замкнутых — её изменение всегда положительно. В открытой системе может происходить уменьшение энтропии рассматриваемой системы за счет уноса энергии, например в виде излучения, при этом полная энтропия окружающей среды увеличивается.

Энтропия – мера беспорядка (и характеристика состояния). Визуально, чем более равномерно расположены вещи в некотором пространстве, тем больше энтропия. Если сахар лежит в стакане чая в виде кусочка, энтропия этого состояния мала, если растворился и распределился по всем объёму – велика.

Энтальпи́я (от др.-греч. — «нагреваю», теплосодержание) — функция состояния {\displaystyle H} термодинамической системы, определяемая как сумма внутренней энергии {\displaystyle U} и произведения давления {\displaystyle P} на объём.

H = U + PV

Все химические реакции сопровождаются выделением (экзотермические) или поглощением (эндотермические) тепла. Одно из приложений энтальпии основано на том, что множество химических процессов в реальных или лабораторных условиях реализуются именно при постоянном (атмосферном) давлении. Поэтому мерой теплового эффекта реакции служит изменение энтальпии ΔН в ходе химической реакции, в результате которой исходные вещества исчезают и образуются продукты реакции. В случае экзотермических реакций система теряет тепло и ΔН — величина отрицательная. В случае эндотермических реакций система поглощает тепло и ΔН — величина положительная. В частности, энтальпия образования — это количество теплоты, которое поглощается (если энтальпия образования положительна) или выделяется (если энтальпия образования отрицательна) при образовании сложного вещества из простых веществ.

Тема 1.3: «Теплообмен»

Основные понятия теплопередачи

Теория теплообмена изучает процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Перенос теплоты может передаваться тремя способами:

- теплопроводностью;

- конвекцией;

- излучением (радиацией).

Процесс передачи теплоты теплопроводностью происходит при непосредственном контакте тел или частицами тел с различными температурами и представляет собой молекулярный процесс передачи теплоты. При нагревании тела, кинетическая энергия его молекул возрастает и частицы более нагретой части тела, сталкиваясь с соседними молекулами, сообщают им часть своей кинетической энергии.

Конвекция – это перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа. При этом, перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа прямо пропорционально. Этот вид передачи теплоты сопровождается всегда теплопроводностью.

Процесс передачи теплоты внутренней энергии тела в виде электромагнитных волн называется излучением (радиацией). Этот процесс происходит в три стадии: 1) превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, 2) распространение э/м волн в пространстве, 3) поглощение энергии излучения другим телом.

Совокупность всех трех видов теплообмена называется сложным теплообменом.

Процессы теплообмена могут происходит в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния рабочих сред и т.д.

Массообмен - процесс переноса теплоты может сопровождаться переносом вещества. Например испарение воды в воздух, движение жидкостей или газов в трубопроводах и.т.п.