8142

20

Метод термодинамических потенциалов заключается в использовании свойств полных дифференциалов введенных функций для получения уравнений, определяющих изучаемое явление.

Термодинамические потенциалы можно вычислить с помощью основных законов термодинамики только для таких систем, для которых известны уравнения состояния (идеальный газ и равновесное излучение). В остальных случаях функции состояния приходится определять методами статистической физики или экспериментально, что усложняет использование рассматриваемого метода.

Метод термодинамических потенциалов применяют, главным образом, в

физической и химической термодинамиках.

Анализ научной методики термодинамики показывает, что ее развитие соответствует закону диалектики о единстве и борьбе противоположностей.

Оба рассмотренных метода (циклов и потенциалов), несмотря на внешнее различие, взаимно обогащают друг друга, имея единую цель – термодинамическое исследование физических явлений.

Общую характеристику термодинамики можно закончить словами ве-

ликого ученого А. Эйнштейна (1879-1955 гг.): «Теория производит тем большее впечатление, чем проще ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает, и чем шире область ее применения. Отсюда глубокое впечатление, которое произвела на меня термодинамика. Это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута».

21

- Ну что ж, мистер Сайрес, с чего начнем?, спросил на следующее утро Пенкроф. - С самого начала, ответил инженер.

Ж.Верн, «Таинственный остров»

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

2.1. Энергия и энергообмен

Поскольку термодинамика является наукой об энергии, необходимо,

прежде всего, раскрыть содержание этого понятия. Согласно диалектике,

энергия (от греческого energeia – действие) – это общая количественная мера различных форм движения материи.

Первой, подробно изученной, была механическая форма движения,

заключающаяся в деформации или изменении пространственного расположения макротел. Затем были исследованы электрическая, химическая, магнитная и другие формы движения материи и определены количественные меры каждой из них.

Особое место в термодинамике занимает тепловое движение, под ко-

торым понимают совокупность хаотического движения микрочастиц, из которых состоят макротела. В отличие от других форм движения, присущих как макро-, так и микротелам, тепловое движение имеет смысл только для совокупности большого количества микрочастиц.

Передача движения между телами может происходить как без изменения,

так и с изменением формы движения. Результаты опытов показывают, что изменение формы движения всегда эквивалентно, т.е. количество взаимопревращаемых форм движения одинаково. Это обстоятельство

22

позволило ввести общую, единую для всех форм движения, меру - энергию и сформулировать затем закон сохранения энергии.

Каждое физическое тело в зависимости от своей природы обладает способностью к различным изменениям и, следовательно, различным формам движения.

Для характеристики формы движения используют понятие вида энергии.

Соответственно различают кинетическую, потенциальную, гравитационную,

электрическую, химическую и другие виды энергии.

Также, как и передача движения, энергообмен между телами может происходить как без изменения, так и с изменением вида энергии. При этом возможно полное уничтожение одного и появление другого вида энергии

(например, полный переход в электрогенераторе механической энергии в электрическую и обратный переход этих видов энергии в электродвигателе).

Однако, во всех случаях суммарное количество энергии сохраняется постоянным, поскольку в соответствии с законом сохранения энергии последняя несоздаваема и неуничтожима.

Полная энергия W любого тела в общем случае состоит из внешней Wвн и

внутренней U энергий:

Внешняя энергия включает кинетическую энергию Wкин движения тела как целого и потенциальную энергию Wnom тела в поле действия внешних сил

(например, гравитационных сил):

которых состоит тело. Внутренняя энергия включает в общем случае кинетическую энергию Uкин хаотичного (теплового) движения микрочастиц и потенциальную энергию Unom их взаимодействия:

От понятия «вид энергии» следует отличать понятие «форма (или способ)

23

передачи энергии».

Передача энергии между телами происходит путем их взаимодействия. В

настоящее время различают четыре фундаментальных вида взаимодействия:

электрическое, гравитационное, ядерное и слабое. За исключением астрономических и внутриядерных явлений, во всех случаях на микроуровне проявляется лишь одно взаимодействие – электрическое. Однако макроскопические проявления этого взаимодействия разнообразны и определяют различные формы движения и, следовательно, виды энергии и формы ее передачи. Например, электрическое взаимодействие между ядрами и электронными оболочками атомов определяет упругость твердых тел,

электромагнитное излучение нагретых тел, химические изменения различных веществ.

В процессе развития термодинамики было установлено, что все формы энергообмена сводятся к двум принципиально различным способам:

совершению работы и теплообмену.

2.1.1. Работа и теплота как формы энергообмена

Работой называют передачу энергии, происходящую в результате макроскопического (видимого), упорядоченного, направленного движения,

обусловленного силовым воздействием одного тела на другое. Количество передаваемой при этом энергии также называют работой. Величина работы L

равна уменьшению запаса энергии тела, совершающего работу, и увеличению запаса энергии тела, над которым совершается работа.

Простейшим и наиболее наглядным видом работы является механическая работа перемещения в пространстве или деформации макроскопического тела.

Другими видами работ являются электрическая, магнитная и др. Общим свойством всех видов работ является возможность их полного количественного преобразования друг в друга, а также изменение внешней энергии хотя бы одного из тел, участвующих в энергообмене.

Работа есть макроформа передачи энергии между телами. Она прояв-

24

ляется только в процессе энергообмена и поэтому является функцией этого процесса. Следовательно, величина работы зависит от характера процесса энергообмена. Этим работа принципиально отличается от энергии, запас которой в теле определяется только конкретным состоянием этого тела,

поскольку энергия является функцией состояния.

Теплотой или теплообменом называют передачу энергии, происходящую под воздействием хаотического, т.е. теплового движения микрочастиц.

Количество Q передаваемой при этом энергии также называют теплотой.

Теплообмен обусловлен наличием разности температур между телами и может происходить как при непосредственном контакте тел, так и путем излучения телом электромагнитных волн, поглощаемых затем другим телом.

В результате теплообмена внутренняя энергия более нагретого тела (не подпитываемого другой энергией) уменьшается на количество передаваемой теплоты, а внутренняя энергия менее нагретого тела (не передающего свою энергию другим телам) возрастает на ту же величину.

Теплота есть микроформа передачи энергии между телами. Как и работа,

теплота проявляется только в процессе энергообмена и, следовательно,

является функцией этого процесса. Поэтому количество передаваемой теплоты зависит от характера процесса энергообмена.

Энергия, как таковая, является функцией состояния тела, может быть запасена (аккумулирована) телом и храниться в нем неограниченное время.

В отличие от энергии, работа и теплота не могут быть запасены "впрок" и

существуют только во время протекания процесса энергообмена (подобно тому, как свет электролампы существует лишь при протекании через нее электрического тока и мгновенно исчезает после прекращения последнего).

По своей сути работа и теплота не являются видами энергии, они оп-

ределяют лишь количество энергии, передаваемой между телами в форме работы или теплообмена соответственно.

Следует подчеркнуть, что работа и теплота являются неравноценными формами передачи энергии. Работа может быть непосредственно направлена на

25

пополнение запаса любого вида энергии (например, потенциальной энергии тяжести, электрической, магнитной и т.д.). Теплота же непосредственно, т.е. без промежуточного преобразования в работу, может быть использована для пополнения запаса только внутренней энергии тела. Неравноценность теплоты и работы в указанном смысле является следствием второго закона термодинамики,

запрещающего некомпенсированный непрерывный переход теплоты в работу.

2.1.2. Эксергия и энергия

Второй закон термодинамики вносит ограничения на полноту пре-

вращения энергии из одного вида в другой. Согласно этому закону имеется три группы энергии. В первую группу входят энергии, способность которых к преобразованию неограничена. К ним относятся механическая, электрическая,

химическая энергии, каждая из которых может быть полностью, без остатка преобразована в любой другой вид. Ко второй группе относятся энергии,

преобразуемые из одного вида в другой в ограниченном количестве. Такими являются внутренняя энергия и энергия, передаваемая в форме теплоты.

Последняя, например, не может быть полностью преобразована в механическую энергию в непрерывном процессе и частично обязательно должна быть передана окружающей среде также в форме теплоты.

К третьей группе относят энергии, полностью непереводимые в другие виды. Такой является энергия окружающею среды, а также энергия,

передаваемая в форме работы вытеснения против давления окружающей среды.

Все неограниченно превратимые формы энергии называют эксергией.

Термин «эксергия» предложил в 1953 г. немецкий ученый З. Рант.

Эксергией является также та часть ограниченно превратимой энергии,

которая может быть преобразована в другие виды энергии.

Непереводимые в эксергию виды энергии называют анергией. Анергией является также та часть ограниченно превратимой энергии, которая не может быть преобразована в другие виды энергии.

Таким образом, в общем случае энергию W можно представить в виде

причем как первое, так и второе слагаемые правой части уравнения могут быть равны нулю. Так, для полностью превратимых энергий первой группы анергия равна нулю, а для полностью непревратимых энергий третьей группы нулю равна эксергия.

Введение понятия эксергии позволило более глубоко оценивать эф-

фективность различных теплоэнергетических устройств.

2.2. Термодинамическая система

Термодинамическое исследование начинают с выделения части про-

странства, подлежащей изучению. Выделенную часть пространства называют термодинамической системой. Следовательно, объектом изучения в термодинамике является термодинамическая система. Все что находится вне системы, называют окружающей или внешней средой. Из окружающей среды также может быть выделена другая система.

Термодинамическая система может включать в себя одно или несколько тел, или являться рабочим телом теплосиловой установки.

В некоторых случаях в систему включают частично или полностью окружающую среду. Такую систему называют расширенной.

Воображаемую или материальную поверхность, отделяющую систему от окружающей среды, называют границей системы или контрольной по-

верхностью. Границы системы могут быть проницаемы или непроницаемы для потоков вещества и энергии.

Закрытой называют систему, границы которой непроницаемы для потока вещества. Поэтому закрытая система содержит постоянное количество вещества, хотя объем ее может изменяться, если границы системы подвижны.

Примером такой системы является газ, содержащийся в цилиндре с подвижным поршнем (рис. 2.1). Перемещением поршня можно изменять границы и объем

27

газа в системе, сохраняя постоянной массу газа.

Открытой называют систему, границы которой проницаемы для потока вещества. Примером открытой системы служит теплообменник с потоками веществ А и Б (рис. 2.2).

29

2.2.1. Состояние системы

Состояние системы есть форма ее существования. Состояние термодинамической системы определяется характером ее взаимодействия с окружающей средой. Если система достаточно долго изолирована от окружающей среды, то в результате непрерывного взаимодействия микрочастиц внутри системы с течением времени прекращается видимый макроскопический обмен энергией и веществом между различными частями системы. При этом любые одноименные физические характеристики во всех точках системы выравниваются по величине. Такую систему называют равновесной. Иными словами, равновесной является такая система, во всех точках которой одноименные макропараметры равны по величине.

Равновесное состояние является наиболее вероятным и может сохра-

няться сколь угодно долго при условии полной изоляции системы от ок-

ружающей среды. Самопроизвольно выйти из равновесного состояния такая система не может.

Приведенные выше положения определяют содержание первого по-

стулата термодинамики. Согласно статистической физике смысл термоди-

намического равновесия заключается в том, что у всякой изолированной системы существует такое определенное и единственное макроскопическое состояние, которое чаще всего создается непрерывно движущимися частицами.

Это есть наиболее вероятное состояние, в которое и переходит изолированная система с течением времени.

Следовательно, первый постулат не является абсолютным, а выражает лишь наиболее вероятное поведение системы. Никогда не прекращающееся движение микрочастиц системы приводит к ее спонтанным отклонениям

(флуктуациям) от равновесного состояния. Относительные спонтанные отклонения макроскопической системы от равновесия при прочих равных условиях тем меньше, чем больше частиц в системе. Так как термодинамические системы состоят из очень большого числа частиц, то флуктуациями в большинстве случаев можно пренебречь, что и делается в