Основы термодинамики и биоэнергетики

Основы термодинамики  и биоэнергетики

 

Термодинамика – наука о взаимопревращениях различных форм энергии и законах этих превращений. Термодинамика базируется только на экспериментально обнаруженных объективных закономерностях, выраженных в двух основных началах термодинамики.

 

Термодинамика изучает :

1.  Переходы энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой;

2.  Энергетические эффекты, сопровождающие различные физические и химические процессы и зависимость их от условий протекания данных процессов;

3.  Возможность, направление и пределы самопроизвольного протекания процессов в рассматриваемых условиях.

 

 

Необходимо отметить, что классическая  термодинамика имеет следующие  ограничения:

1.  Термодинамика не рассматривает внутреннее строение тел и механизм протекающих в них процессов;

2.  Классическая термодинамика  изучает только макроскопические системы;

3.  В термодинамике отсутствует понятие "время".

Основным понятием в термодинамике  является система

 

Окружающая среда – это все, что находится в прямом или косвенном контакте в системой. Принято считать, что окружающая среда имеет такой большой размер, что отдача или приобретение ею теплоты не изменяет ее температуру

 

Термодинамическая система – тело или группа тел, находящихся во взаимодействии, мысленно или реально обособленные от окружающей среды.

 

Изолированная система – система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

 

Закрытая система – система, которая обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом.

 

Открытая система – система, которая обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией.

Основным понятием в термодинамике  является система

 

Гомогенная система – система, внутри которой нет поверхностей, разделяющих отличающиеся по свойствам части системы (фазы).

 

Гетерогенная система – система, внутри которой присутствуют поверхности, разделяющие отличающиеся по свойствам части системы.

 

Фаза – совокупность гомогенных частей гетерогенной системы, одинаковых по физическим и химическим свойствам, отделённая от других частей системы видимыми поверхностями раздела.

 

Совокупность всех физических  и химических свойств системы характеризует её термодинамическое состояние.

Все величины, характеризующие  какое-либо макроскопическое свойство  системы – параметры состояния.

 

Параметрами являются: масса (т), количество вещества (число молей n), объем (V), температура (Т), давление (р), концентрация (С).

 Значение параметра можно измерять непосредственно.

 

В термодинамике изменение параметра  или функции состояния системы  в результате процесса вычисляют как разность их значений, характеризующих конечное и начальное состояние системы.

Параметры системы разделяют  на

 

 Интенсивные – параметры, значения которых не зависят от числа частиц в системе (температура, давление, концентрация, плотность, химический потенциал). (Усредняются)

Или

(Интенсивные – свойства, которые не зависят от массы и которые выравниваются при контакте систем).

 

Экстенсивные – параметры, значения которых пропорциональны числу частиц в системе ( масса, объем, количество вещества, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, теплоемкость, термодинамические потенциалы) (Суммируются)

 

 

Для однозначной характеристики  системы необходимо использовать  некоторое число параметров, называемых независимыми ( или основными) (параметры, поддающиеся непосредственному измерению); все остальные параметры рассматриваются как функции независимых параметров.

 

Функции состояния (экстенсивные  величины) – значения, которые рассчитываются  по соответствующим формулам  исходя из значений параметров, описывающих данное состояние  системы.

Термодинамическое  равновесное  состояние   системы характеризуется постоянством всех свойств во времени в любой точке системы и отсутствием потоков вещества и энергии в системе

 

Переход системы из одного  состояния в другое является процессом.

Процесс - это переход системы из одного состояния в другое, сопровождающийся необратимым или обратимым изменением хотя бы одного параметра, характеризующего данную систему.

 

Самопроизвольный процесс  – процесс, не требующий затраты энергии из вне (например, переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому телу).

Несамопроизвольный (вынужденный) процесс – процесс, требующий для своего протекания затраты энергии (разделение смеси газов на индивидуальные компоненты).

Обратимый процесс – процесс, допускающий возможность возвращения системы в исходное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения.

Необратимый процесс – неравновесный процесс, который протекает в результате конечных воздействий на систему и не изменяет направления под влияние бесконечно малой силы. Необратимому процессу свойственны односторонность и меньшая работа.

Равновесный процесс – процесс, при котором система проходит через непрерывный ряд равновесных состояний.

В отличие от состояния системы, которое характеризуется значением  параметра или функции состояния, характеристикой процесса является их изменение или постоянство.

 

Процессы разделяют в зависимости  от изменения параметров системы  на изотермические, изобарические, изохорические:

 

изотермический процесс Т = const, ∆T = О

 

изобарический процесс  р = const, ∆ р = О

 

изохорический процесс  V = const, ∆ V = О

 

Жизнедеятельность человека протекает  при постоянстве температуры  и давления, т. е. при изобарно-изотермических условиях (р, Т = const).

Энергия (Е, кДж/моль) - количественная мера интенсивности различных форм перемещения и взаимодействия частиц в системе, включая перемещение системы в целом и ее взаимодействие с окружающей средой.

 

Энергия является неотъемлемым  свойством материи.

 

Потенциальная энергия обусловлена положением тела в поле некоторых сил,

Кинетическая энергия обусловлена изменением положения тела в пространстве

 

Внутренняя энергия системы (U , Дж/моль) представляет собой полную энергию системы, которая равна сумме потенциальной и кинетической энергии всех частиц этой системы, в том числе на молекулярном, атомном и субатомном уровнях:

 

 U = Е _^кин + Е _^пот

 

Экспериментально можно определить  изменение внутренней энергии ∆ U при взаимодействии системы с окружающей средой

Формы перехода энергии от  одной системы к другой могут  быть разбиты на две группы.

 

В первую группу входит только одна форма перехода движения путем хаотических столкновений молекул двух соприкасающихся тел, т.е. путём теплопроводности (и одновременно путём излучения). Мерой передаваемого таким способом движения является теплота (Q, Дж).  Теплота есть форма передачи энергии путём неупорядоченного движения молекул.

 

В термодинамике Q считается положительной, если она сообщается системе из окружающей среды, при этом внутренняя энергия системы увеличивается.

 

 Во вторую группу включаются различные формы перехода движения, общей чертой которых является перемещение масс, охватывающих очень большие числа молекул (т.е. макроскопических масс), под действием каких-либо сил. Таковы поднятие тел в поле тяготения, переход некоторого количества электричества от большего электростатического потенциала к меньшему, расширение газа, находящегося под давлением и др. Общей мерой передаваемого такими способами движения является работа (А) – форма передачи энергии путём упорядоченного движения частиц.

 

Работа и теплота не являются свойствами системы, а характеризуют процесс обмена энергией системы с окружающей средой. В статических условиях теплота и работа не существуют и не могут содержаться в теле.

 

Теплота и работа характеризуют качественно и количественно две различные формы передачи движения (только процесс) от данной части материального мира к другой.

 

Энтропия (S) - термодинамическая функция, характеризующая меру неупорядоченности системы, т. е. неоднородности расположения и движения ее частиц. Энтропия имеет размерность Дж/(моль • К).

 

Энтропия является экстенсивным свойством системы (характеризует величину рассеивания энергии), поэтому изменение S (∆ S) системы в результате какого-либо процесса равно разности энтропии конечного и начального состояний системы, независимо от пути процесса:

∆ S = S конечная – S начальная

 

Изменение энтропии системы  в условиях термодинамически  обратимого процесса равно отношению  передаваемой теплоты к абсолютной  температуре, при которой осуществляется  данный процесс:

Информация (I) - мера организованности системы, т. е. упорядоченности расположения и движения ее частиц.

 

Энтропия и информация являются статистическими характеристиками движения, описывающими его с противоположных сторон.

 

 

Информация выражается  в битах, причем 1 бит информации эквивалентен 10~23 Дж/К, т. е. очень малой термодинамической величине.

В любой системе имеет место  закон сохранения:

 

I + S = const

 

энтропия есть мера недостатка  информации

Статистическая интерпретация  энтропии

энтропия есть функция состояния, описывающая степень неупорядоченности  системы. Количественная связь между  энтропией S и термодинамической  вероятностью W выражается формулой  Больцмана:

                       

Статистическое толкование второго  начала термодинамики придает  энтропии конкретный физический  смысл меры термодинамической  вероятности состояния системы.

 

Это видно из взаимосвязи  этих величин с соответствующими  вероятностями данного состояния:

 

W- термодинамическая вероятность,  равная числу возможных состояний  системы при заданных энергии,  объема и числа частиц; ω  – математическая вероятность  данного информационного состояния  системы; постоянная Больцмана

Нулевой закон термодинамики

 

Две системы, находящие в термическом  равновесии с третьей,

состоят в термическом равновесии  между собой 

Ральф Фаулер (1931)

 

Рассмотрим три изолированные  термодинамические системы.

Пусть каждая система характеризуется  давлением Pi и объёмом Vi

 

Три изолированные термодинамические  системы (до соприкосновения)

 

Если системы могут термически взаимодействовать, то при их соприкосновении давление и объём в них будут меняться.

 

Установление термического равновесия  между двумя системами будет  связано с взаимозависимым изменением  четырёх переменных, характеризующих  их состояние.

Для систем I и II при достижении равновесного состояния можно записать:

 

Для систем II и III в этом случае также будет выполняться равенство нулю значения функции M:

 

Тогда, согласно нулевому закону термодинамики, системы I и III также находятся в равновесии:

 

Для решения системы трёх уравнений необходимо заменить (P¹, V¹) на функцию x; (P², V²) – на y; (P³, V³) – на z. Получим:

 

Решение относительно z последних двух уравнений даёт: Z = X(x); Z = Y( y). Отсюда X(x) = Y( y). Следовательно, должны существовать такие функции f¹(P¹, V¹) и f²(P², V²), что при термическом равновесии систем I и II имеет место равенство

Используя другую пару уравнений, получим равенство трёх функций:

 

Это даёт основание считать, что существует функция переменных 

T(P, V) = 0, обладающая таким свойством, что две любые системы, находящиеся в термическом равновесии, характеризуются одинаковыми значениями T. Такая функция называется эмпирической температурой.

 

Из нулевого закона следует, что определение температуры возможно лишь для состояния равновесия.

 

Указанное свойство описывает систему с точки зрения «тёплая – холодная», и его можно связать с температурной шкалой.

Так как функция T(P, V ) = 0 эквивалентна f(P, V, T ) = 0, то нулевой закон термодинамики утверждает существование уравнения состояния идеального газа Менделеева – Клапейрона:

Первый закон термодинамики

 

Первый закон (первое начало) термодинамики - это всеобщий закон природы, закон сохранения и превращения  энергии, соответствующий основному  положению диалектического материализма  о вечности и неуничтожимости  движения. Впервые этот закон  в 1842 г. сформулировал выдающийся  немецкий физик Ю. Мейер, врач  по образованию.