ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ.

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 12Следующая ⇒

Второе начало термодинамики рассматривает направление тепловых процессов, происходящих в природе. Многие процессы, которые не противоречат закону сохранения энергии, в природе происходить не могут.

Так, камень, лежащий на дне бассейна, не может вылететь из воды за счет энергии, полученной им при охлаждении воды и воздуха. ОБРАТИМЫМИ называют процессы, при которых возможно возвращение термодинамической системы в исходное состояние без изменения параметров окружающей среды. НЕОБРАТИМЫМИ процессами называют процессы, обратные которым являются одним из звеньев цепи более сложных процессов.

Следовательно, должен существовать параметр системы, определяющий направление тепловых процессов. Этим параметром является энтропия.

Энтропия системы полностью определяется состоянием системы и не зависит от того, как система пришла в это состояние. Энтропия системы, состоящей из двух независимых частей, равна сумме энтропий этих частей.

КПД идеальной тепловой машины

=> . Отношение Q/T называется приведенным количеством теплоты. Будем считать приведенную теплоту положительной, если система получает эту теплоту, отрицательной - если отдает. Значит, приведенное количество теплоты, полученное рабочим телом идеальной тепловой машины за цикл, равно нулю. Система вернулась в исходное состояние. Значит ее энтропия вернула прежнее значение, т.е. изменение энтропии за цикл равно нулю. Удобно считать, что изменение энтропии в каком - то процессе равно приведенному количеству теплоты, полученному системой. [S]=Дж/К. Надо помнить, что энтропия системы является ее параметром, а приведенное количество теплоты характеризует тепловой процесс.

Во всех обратимых процессах, к которым относятся процессы, протекающие в системах, где действуют консервативные силы или осуществляются равновесные тепловые процессы (это изопроцессы и частично адиабатный), изменение энтропии за цикл равно нулю.

Все реальные процессы в природе необратимы. При необратимых процессах энтропия возрастает. Рассмотрим, например, изменение энтропии при теплообмене. Пусть термодинамическая система состоит из двух тел, имеющих температуры Т₁ и Т₂, причем Т₁> Т₂. Если первое тело отдает второму количество теплоты Q, то:

Энтропия - это физическая величина, характеризующая направленность процессов в природе, т.к. все реальные процессы сопровождаются увеличением энтропии.

Второй такой величиной является термодинамическая вероятность.

Термодинамической вероятностью данного состояния некоторой системы тел называется отношение числа комбинаций отдельных элементов системы, с помощью которых реализуется данное состояние к общему числу возможных комбинаций. Время пребывания системы в том или ином состоянии пропорционально термодинамической вероятности этого состояния.

Отсюда ясна причина необратимости явлений природы. Система самопроизвольно переходит в наиболее вероятное состояние. Обратный же процесс (разделение смеси на компоненты, например) настолько маловероятен, что практически никогда не происходит. Понятие термодинамической вероятности объясняет необратимость перехода механической энергии во внутреннюю. Кинетическая энергия характеризует упорядоченное движение молекул. Вероятность такого состояния равна 1. Переход кинетической энергии во внутреннюю - это переход от упорядоченного движения к беспорядочному. Вероятность второго состояния громадна.Поэтому система переходит во второе состояние. Обратный же процесс практически никогда не происходит.

Больцман установил, что энтропия пропорциональна логарифму термодинамической вероятности. . k - постоянная Больцмана.

Используя понятие энтропии, можно сформулировать второй закон термодинамики в наиболее общей форме: при любых процессах, протекающих в замкнутой и адиабатически изолированной макроскопической системе, ее энтропия не убывает, т.е. DS³ О.

Из второго начала следует принцип запрета, сформулированный Клаузисом: невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии в форме тепла от холодного тела к горячему.

Второе начало термодинамики применяется к макроскопическим системам и имеет статический характер. С учетом молекулярной статистики:

В ЗАМКНУТОЙ АДИАБАТИЧЕСКИ ИЗОЛИРОВАННОЙ МАКРОСКОПИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ НАИБОЛЕЕ ВЕРОЯТНЫМ ЯВЛЯЕТСЯ ПРОЦЕСС, СОПРОВОЖДАЮЩИЙСЯ ВОЗРАСТАНИЕМ ЭНТРОПИИ.

Если Т=О, то S=О - третий закон термодинамики.

Свойства жидкостей.
Поверхностная энергия.

Молекула внутри жидкости симметрично окружена соседними молекулами и равнодействующая сил их притяжения равна нулю. Молекула, находящаяся в поверхностном слое, притягивается молекулами жидкости сильнее, чем молекулами пара, находящимися над ее поверхностью. Равнодействующая молекулярных сил направлена внутрь жидкости. Чтобы перевести молекулу из внутренних слоев к поверхности, надо совершить работу против этой силы. Следовательно, молекулы поверхностного слоя обладают избытком потенциальной энергии. Чем больше поверхность жидкости, тем большее число молекул обладает этой избыточной энергией.

При увеличении площади поверхности жидкости ее внутренняя энергия увеличивается. Эта часть внутренней энергии пропорциональна площади поверхности жидкости. Ее называют ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИЕЙ. Всякая система стремится к устойчивому равновесию, связанному с минимумом потенциальной энергии. Под действием молекулярного притяжения молекулы, если могут, переходят из поверхностного слоя внутрь жидкости, поверхностная энергия при этом уменьшается. Поэтому площадь поверхности жидкости минимальна при данных условиях. Предоставленная самой себе жидкость принимает шарообразную форму, т.к. для данного ее объема минимальную площадь поверхности имеет шар.

КОЭФФИЦИЕНТОМ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ жидкости (удельной поверхностной энергией) называется работа, необходимая для изотермического увеличения ее площади поверхности на единицу.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости и температуры. При увеличении температуры коэффициент поверхностного натяжения уменьшается и при критической температуре равен нулю.

Для уменьшения коэффициента поверхностного натяжения в жидкость добавляются специальные примеси, располагающиеся на поверхности и уменьшающие поверхностную энергию (поверхностно - активные вещества): мыло, жирные кислоты и т.п.

Стремление жидкости сократить свою поверхность до минимума связано с действием СИЛ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ, имеющих электромагнитную природу. Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости перпендикулярно к границе жидкости. Рассмотрим работу силы поверхностного натяжения при увеличении площади жидкости, образующей пленку на прямоугольном каркасе, одна сторона которого может перемещаться. Для увеличения площади пленки, приложим силу F, под действием которой подвижная сторона каркаса длиной L равномерно переместится на x. Силе F противодействовали две силы поверхностного натяжения. Работа по увеличению площади:

=> . В СИ [s]= .

Т.е. коэффициент поверхностного натяжения жидкости - это сила поверхностного натяжения, действующая на единицу длины границы жидкости.

Лапласово давление.

Под изогнутой поверхностью жидкости появляется проекция сил поверхностного натяжения по радиусу к центру кривизны. Силы поверхностного натяжения приводят к появлению добавочного давления, называемого лапласовым, направленного к центру кривизны. Представим себе элемент изогнутой поверхности в виде сферы радиуса R. На его границу - окружность радиуса r, действуют силы поверхностного натяжения F_i. Их проекции F_i0 действуют по нормали на поверхность .

Значит, если выдуть из одного раствора на концах трубочки два мыльных пузыря, то меньший из них будет уменьшаться, перекачивая воздух в больший.

В общем случае: давление, вызываемое кривизной поверхности жидкости, определяется формулой Лапласа

где R₁ и R₂ - радиусы кривизны двух взаимно перпендикулярных сечений поверхности жидкости. R> О, если выпуклый мениск (центр кривизны лежит внутри жидкости). R < O, если мениск вогнутый.

Смачивание.

Если силы притяжения между молекулами жидкости меньше, чем между молекулами жидкости и твердого тела, то жидкость растекается по поверхности твердого тела. Такое явление называется СМАЧИВАНИЕМ. При этом краевой угол (угол между поверхностью твердого тела и касательной к поверхности жидкости и отсчитываемый внутри жидкости) является острым. Если силы притяжения между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и твердого тела, то наблюдается явление НЕСМАЧИВАНИЯ, при котором краевой угол тупой. При полном смачивании краевой угол равен нулю, несмачивании - 18О⁰.

У смачивающей жидкости, налитой в сосуд, мениск вогнутый, у несмачивающей - выпуклый. Не бывает абсолютного смачивания или несмачивания: жидкость, смачивающая одни вещества, не смачивает другие.

Капиллярные явления.

Действием сил поверхностного натяжения объясняется существование КАПИЛЛЯРНЫХЯВЛЕНИЙ - поднятия смачивающей жидкости и опускания несмачивающей в узких трубках (капиллярах).

Высоту поднятия жидкости в капилляре можно рассчитать и через силы поверхностного натяжения (см. учебник), и через лапласово давление. Рассмотрим давление смачивающей жидкости плотности r, поднявшейся в капилляре радиуса r, на уровне АА. Если краевой угол равен Q, то поверхность жидкости представляет собой часть сферы радиуса R, причем .

Так как жидкость находится в равновесии, то давления на уровне АА вне и внутри капилляра равны, т.е.

. У лапласова давления взят знак минус, потому что интересующая нас точка находится под вогнутой поверхностью. => .

Cледовательно,

Нетрудно показать, глубина опускания несмачивающей жидкости определяется по той же формуле.

Для полного смачивания можно считать поверхность жидкости сферой с радиусом равным радиусу капилляра. Тогда,

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒