7. Основні закони термодинаміки. Умови термодинамічної рівноваги.

ПЕРШИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ

Закон збереження і перетворення енергії, поширений на теплові явища, називають першим законом термодинаміки: зміна внутрішньої енергії AU при переході її із одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил А' і кількості теплоти Q, переданої системі:

∆U = Q + А'.

Якщо система сама виконує роботу А, то (оскільки А' = -А) перший закон термодинаміки зручно формулювати так:

кількість теплоти Q, передана системі, витрачається на зміну її внутрішньої енергії ∆U і на виконання системою роботи А:

Q = ∆U + А.

Застосування першого закону термодинаміки до різних ізопроцесів у газах подано в таблиці.

Ізопроцеси у газах

Ізотермічний Т = const, m = const	Ізохорний V = const, m = const	Ізобарний p = const, m = const	Адіабатний Q = 0
∆Т = 0	∆V = 0	∆p = 0	Q = 0
∆U = 0	A = 0	Q = ∆+ A	∆U + A = 0
Q = A	Q = ∆U		∆U = 0
			∆U = A'

6.2.2. АДІАБАТНИМ ПРОЦЕС

Адіабатний процес — процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем, процес в теплоізольованій системі (рис. 6.6, а):

Q = 0.

♦ Під час адіабатного розширення газ виконує роботу за рахунок зменшення внутрішньої енергії (∆U = -A), тому при адіабатному розширенні температура газу знижується;

♦ Якщо газ стискають, то робота зовнішніх сил А' повністю витрачається на збільшення його внутрішньої енергії (∆U = А'), тому при адіабатному стисненні температура газу підвищується.

♦ Оскільки ідеальної теплоізолюючої оболонки в природі бути не може, то адіабатний процес у реальних умовах може бути тільки швидкоплинним: Q 0.

Графік адіабатного процесу в координатах р > V (рис. 6.6, б).

Рис. 6.6

Адіабата (Q = 0) розміщується більш круто, ніж ізотерма (Т = const). Це пояснюється тим, що при адіабатному стисненні збільшення тиску газу зумовлено не тільки збільшенням концентрації, як при ізотермічному стисненні, а й підвищенням температури.

6.2.3. ДРУГИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ

Другий закон термодинаміки

• Неможливо здійснити такий періодичний процес, єдиним наслідком якого було б повне перетворення на роботу теплоти, отримуваної від нагрівана (формулювання Кельвіна).

• Неможливий процес, єдиним результатом якого є передача енергії у формі теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого (формулювання Клаузіуса).

• Вічний двигун другого роду неможливий, тобто двигун, ККД якого при перетворенні теплоти на роботу дорівнює 100 % (формулювання Карно).

Упорядкований рух може переходити в неупорядкований спонтанно (природний процес) — це, наприклад, перетворення механічної енергії на теплову. Зворотний процес спонтанно відбуватися не може (необоротний процес), але він можливий за умови виконання роботи зовнішніми силами.

Умови термодинамічної рівноваги

При термодинамічній рівновазі передавання теплоти від одних тіл системи до інших та механічне відносне переміщення окремих частин і частинок системи відсутні, тобто має місце теплова, механічна й дифузійна рівновага.

Теплова рівновага (англ. thermal equilibrium) — стан матеріальних об'єктів, які перебувають у тепловому контакті, що характеризується повною відсутністю теплообміну між ними, який однозначно означає рівність їхніх температур[1].

Механічна рівновага — стан, при якому є неможливими будь-які макроскопічні рухи частин системи, але поступальний рух та обертання системи як цілого є допустимими. За відсутності зовнішніх порів і обертання системи умовою її механічної рівноваги є сталість тиску у всьому об'ємі системи.

Хімічна рівновага забезпечується сталістю хімічного потенціалу в об'ємі системи.

При термодинамічній рівновазі тиск і температура усіх тіл, які входять до системи, дорівнюватимуть температурі і тиску навколишнього середовища. Із зміною зовнішніх умов буде змінюватись і стан системи. Ця зміна спостерігатиметься доти, доки знову не настане рівність тисків і температур системи і середовища, яке її оточує, тобто не настане стійка рівновага.

Без зовнішнього впливу (самовільно) система вийти із стану рівноваги не спроможна.

Достатні умови термодинамічної рівноваги (умови стійкості) можуть бути отримані з другого закону термодинаміки. У загальному випадку система перебуває у термодинамічній рівновазі тоді, коли термодинамічний потенціал системи, отриманий на основі незалежних у даних умовах змінних, є мінімальним, а ентропія є максимальною.