Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Мая 2014 в 18:52, контрольная работа
Данная работа посвящена рассмотрению вопросов, соотнесенных со спецификой сущности законов классической термодинамики и их значения в рамках концепций современного естествознания.
Важность подобной темы обуславливается значением классической термодинамики для формирования адекватного представления о сущности явлений окружающего мира.
Введение 3
1. Законы классической термодинамики: сущность и содержание 5
Заключение 14
Список источников 16
Тема реферата – «Законы классической термодинамики».
Данная работа посвящена рассмотрению вопросов, соотнесенных со спецификой сущности законов классической термодинамики и их значения в рамках концепций современного естествознания.
Важность подобной темы обуславливается значением классической термодинамики для формирования адекватного представления о сущности явлений окружающего мира.
Законы классической термодинамики знаменуют собой отдельный этап развития представлений в сфере интерпретации природных явлений с позиции физики. Это объясняется тем, что именно в классической термодинамике изучаются соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. Подобное знание оказывается крайне значимым и для практической деятельности человека.
Следовательно, цель работы формулируется следующим образом: охарактеризовать сущность и содержание законов классической термодинамики. В соответствии с формулировкой цели выявляются задачи работы:
Следует также подчеркнуть, что в системе естественнонаучного знания в целом и, в частности, физического знания термодинамика занимает особое место. Это связано с тем, что в рамках данной науки происходит изучение наиболее общих свойств физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, а также исследование процессов перехода между подобными состояниями.
Смысловое «ядро» классической термодинамики составляют соответствующие законы. Подобные законы формулируются как принципы, отражающие физические аспекты термодинамических систем, а также как научная оценка возможности создания perpetuum mobile (вечного двигателя) первого и второго рода.
А.Ф. Лихин обращается к подробному рассмотрению двух первых законов классической термодинамики.
Первый закон (сохранения энергии) был практически одновременно открыт такими исследователями, как Ю. Майер и Дж. Джоуль. «Оба установили механический эквивалент теплоты. Но Дж. Джоулю принадлежит приоритет в создании знаменитой установки, в которой механическое движение винта под действием спускающихся вниз гирь приводило к нагреванию воды в сосуде», – пишет А.Ф. Лихин.1 В данной установке механическое движение в результате действия веса гирь приводило к интенсификации движения молекул воды, что, в свою очередь, вызывало повышение температуры жидкости. Кроме того, Джоулем был определен электрический эквивалент теплоты, что подтверждается следующим фактом: протекание электрического тока по проводнику вызывает нагревание последнего.
Важно подчеркнуть, что работы Майера и Джоуля способствовали популяризации представлений о механическом эквиваленте теплоты. Тем не менее, уже в 1820-х гг. подобные идеи были высказаны С. Карно, написавшим работу «О движущих силах огня и машинах, способных развивать эту силу» (1824).
С. Карно посветил ряд своих работ изучению термодинамической природы круговых циклов. Круговые циклы представляют собой термодинамические циклы, для которых характерным является возвращение тела в исходное положение. Карно активно использовал понятие идеальной тепловой машины, для которой выполняется условие ее изоляции от окружающей среды, от действия внешних сил. Фундаментом функционирования подобной машины являются обратимые термодинамические процессы.
А.Ф. Лихин указывает: «Закон сохранения энергии формулируется следующим образом: поступающая в термодинамическую систему энергия в форме тепла должна быть равна сумме приращений внутренней энергии системы и работы, совершаемой системой против действия внешних сил. Этот закон раскрывает функциональный смысл понятия энергии термодинамической системы».2
Данный закон также может быть использован при оценке возможности создания вечного двигателя первого рода. Необходимо, прежде всего, отметить различия между вечными двигателями первого и второго рода. Вечный двигатель первого рода не извлекает энергию из природной среды. Вечный двигатель второго рода представляет собой машину, уменьшающую энергию теплового резервуара и целиком превращающую ее в работу без каких либо изменений в окружающей среде. Таким образом, вечный двигатель второго рода превращает в работу все тепло, которое извлекается из окружающих тел.
Итак, закон сохранения энергии постулирует невозможность создания вечного двигателя первого рода, совершающего работу без подвода энергии или совершающего работу в количестве, превосходящем количество энергии, подведенное извне.
С.Х. Карпенков также делает ряд замечаний, значимых в данном контексте. Любая термодинамическая система, находящаяся в том или ином состоянии, характеризуется наличием внутренней энергией. Это энергия теплового (поступательного, вращательного, колебательного) движения молекул, а также потенциальная энергией их взаимодействия. Потенциальной возможностью характеризуются два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы в рамках взаимодействия с внешними телами. К таким способам относится совершение работы, а также теплообмен.
В рамках процесса превращения энергии свое значение проявляет закон сохранения механической энергии. Тепловое движение также является механическим, однако оно характеризуется не направленностью, а хаотичностью. Следовательно, при всех процессах превращения обязательным является выполнение закона сохранения энергии как внешних, так и внутренних движений.
Как отмечает С.Х. Карпенков, подобный постулат и составляет базис первого начала термодинамики. Его можно сформулировать следующим образом: количество теплоты , которое было сообщено телу, расходуется на увеличение внутренней энергии тела , а также на совершение телом работы . Таким образом, верным оказывается следующее равенство: .
«При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу», – отмечает С.Х. Карпенков.3
В.А. Смолко подчеркивает, что первое положение можно сформулировать в нескольких видах:4
1. Невозможно возникновение и уничтожение энергии.
2. Любая система движения
3. Внутренняя энергия является однозначной формой состояния.
4. Вечный двигатель первого рода невозможен.
5. Бесконечно малые изменения внутренней энергии являются полным дифференциалом.
6. Сумма количества теплоты и работы не зависит от пути процесса.
Как отмечает Т.Я. Дубнищева, во второй половине XIX в. закон сохранения и превращения энергии стал рассматриваться как всеобщий закон природы. Важно обратить внимание и на тот факт, что активное использование понятия энергии стало основой для распространения такого подхода, который сопряжен с рассмотрением всех явлений и процессов природы в рамках определенного единства. «Понятие «энергия» прочно вошло в нашу жизнь. Под энергией чаще всего понимают способность тела совершать работу. Лорд Кельвин признал, что силы могут исчезать и возникать, а энергия не уничтожается. Это понятие соответствовало и его религиозным взглядам: он считал, что Творец в самый момент творения мира наделил его запасом энергии, и этот божественный дар будет существовать вечно, тогда как эфемерные силы подвержены многим превратностям, и с их помощью в мире ткется ткань явлений преходящих», – указывает Т.Я. Дубнищева.5
Второй закон классической термодинамики был сформулирован Р. Клаузисом. В соответствии с данной формулировкой теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому телу. У. Кельвин представил собственную формулировку данного закона: невозможным оказывается конструирование периодически действующей машины, единственным итогом деятельности которой было бы поднятие груза посредством охлаждения теплового резервуара.
Значение второго начала термодинамики было по достоинству оценено, в частности, таким известным ученым, относящимися к числу основоположников термодинамики неравновесных процессов, как И.Р. Пригожиным. Пригожин подчеркивал, что в истории науки второй закон термодинамики сыграл выдающуюся роль, превосходящую его непосредственное приложение к тем процессам, о которых в нем идет речь. Пригожин призывает оценить работы Больцмана (кинетическая теория), разработку Планком квантовой теории излучения и теории спонтанной эмиссии Эйнштейном в контексте достижений второго закона термодинамики.
Важно также отметить, что с целью уточнения физического содержания второго закона термодинамики Р. Клаузис воспользовался таким понятием, как «энтропия». В трактовке данного ученого энтропия соотносилась с мерой неупорядоченности термодинамической системы, являющейся изолированной. В данном случае речь идет о переходе со временем подобной системы к состоянию, которое характеризуется хаотическим движением элементов.
М.К. Гусейханов, О.Р. Раджабов в учебнике «Концепции современного естествознания» отмечают: «Физический смысл энтропии и само понятие энтропии введено в физическую теорию, чтобы отличать в случае изолированных систем обратимые процессы, при которых энтропия максимальна и постоянна от необратимых процессов, когда энтропия возрастает».6
Второе начало термодинамики, которое определяет направление тепловых процессов, также может быть обозначено как закон возрастания энтропии. В таком случае данное начало формулируется следующим образом: в отношении всех тепловых процессов, протекающих в замкнутой системе, энтропия системы возрастает; при этом наибольшее значение энтропии замкнутой системы проявляется при тепловом равновесии.
С.Х. Карпенков также отмечает, что любой тепловой процесс в сравнении с механическим движением характеризуется свойством необратимости. Для данных процессов обратные процессы (те, в рамках которых реализуются те же тепловые состояния в обратном направлении) фактически невероятны. Именно в этом заключается такая особенность термодинамических процессов, как необратимость. Подобные закономерности могут быть проиллюстрированы определенными примерами. Так, при соприкосновении двух тел, характеризующихся различными показателями температуры, тело, являющееся более нагретым, будет передавать энергию телу, у которого температура является меньшей. При этом обратный процесс, заключающийся в самопроизвольном переходе тепла от более холодного тела к более нагретому, оказывается невозможным. Подобным свойством необратимости характеризуются и другие процессы. Например, можно взять сосуд, разделить его на две части перегородкой и наполнить одну из частей газом. После удаления перегородки газ заполнит весь сосуд. Однако без внешнего воздействия газ не сможет полностью собраться в отдельной части сосуда.
В этом смысле важным оказывается положение, в соответствии с которым, система, свободная от постороннего вмешательства, при любых обстоятельствах будет стремиться достичь состояния термодинамического равновесия, что проявляется в нахождении тел в состоянии покоя по отношению друг к другу, а также в равенстве температур и давления. В этом смысле равенство температур в произвольно выбранных точках является условием равновесия частей одной системы или нескольких систем как таковых.
С.Х. Карпенков замечает: «Это положение называется нулевым началом термодинамики. Достигнув равновесия, система сама по себе из него не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. Необратимы и все механические процессы, сопровождающиеся трением. Трение вызывает замедление движения тел, при котором кинетическая энергия переходит в тепло. Замедление эквивалентно приближению к состоянию равновесия, при котором движение тел отсутствует».7
С.Х. Карпенков также указывает на невозможность протекания реальных процессов в таких системах тел, для которых характерным является термодинамическое равновесие. Использование тел, находящихся в термодинамическом равновесии, не позволяет совершить какую-либо работу, поскольку любая работа соотнесена с механическим движением, иначе говоря, с трансформацией тепловой энергии в кинетическую. Это утверждение, закрепляющее невозможность получения работы посредством тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, по мнению С.Х. Карпенкова, дает ключ к пониманию второго начала термодинамики.
С.Х. Карпенков отмечает, что для всех естественных процессов выполняется положение о переходе от порядка к хаосу. Энтропия выступает мерой хаоса, возрастающей для естественных процессов.
Следует также отметить: в силу того, что в классической термодинамике изменение системы определяется по увеличению ее энтропии, то сама энтропия может рассматриваться как определенная стрела времени. По этой причине говорят о том, что в термодинамике понятие времени рассматривается в специфической форме, связанной с необратимостью процесса возрастания энтропии в системе.
Необходимо также сказать о том, что в середине XIX столетия дискуссионной являлась тема тепловой смерти Вселенной. В рамках данного направления Р. Клаузиус при интерпретации Вселенной в качестве замкнутой системы применил к ней второе начало термодинамики. Изыскания привели Клаузиуса к следующему выводу: энтропия Вселенной неминуемо достигнет максимума. В этом смысле все формы движения рано или поздно трансформируются в тепловые. Исход теплоты от горячих тел к холодным будет иметь своим следствием то, что температура любых тел во Вселенной будет идентичной. Именно по этой причине можно будет говорить об установлении полного теплового равновесия. Такое состояние будет характеризоваться полным прекращением любых процессов во Вселенной. Подобные последствия и обозначаются понятием «тепловая смерть Вселенной». «Ограниченность такого вывода заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, к которым относится и наша Вселенная», – подчеркивает С.Х. Карпенков.8