1. Что объединяет эти процессы?
1
 Плавление - переход вещества из твердого
состояния в жидкое.
 Отвердевание или кристаллизация - переход тела
из жидкого состояния в твердое.
 Испарение и кипение - парообразование - явление
превращения жидкости в пар.
 Образование облаков и осадки.

2. Образование облаков
В летний день земная поверхность имеет
более высокую температуру, чем
атмосферный воздух.
Слой воздуха у поверхности Земли
нагревается сильнее, чем слой,
находящийся над ним.
Подъем теплого воздуха в более высокие
слои атмосферы сопровождается его
расширением, которое происходит
сопровождается его охлаждением.
Водяной пар, содержащийся в воздухе, на
некоторой высоте из ненасыщенного
становится пересыщенным, происходит
конденсация пара и образуется облако,
2
состоящее из мельчайших капель воды.

3. Осадки
Если процесс конденсации пара в облаке идёт
более интенсивно, чем процесс испарения
капель воды на поверхности облака, развитие
облака может завершиться выпадением дождя,
снега или града.
Когда размер капли станет таким, что скорость
её падения превысит скорость подъёма
восходящего потока воздуха в облаке, капли
падающие вниз, сливаясь с более мелкими,
поднимающимися вверх выпадают в виде
дождя.
Если вершина облака состоит из кристалликов
льда, то возможно выпадение осадков в виде
снега или града. 3

4. 4

5. 5 Термодинамика
Эта наука изучает и объясняет
перечисленные процессы и явления.

6. 6
ЛЕКЦИЯ 10:
КОНЦЕПЦИЯ
НЕОБРАТИМОСТИ. ОСНОВЫ
ТЕРМОДИНАМИКИ
Презентацию подготовила М.А. Габова

7. 7
ТЕРМОДИНАМИКА –
НАУКА О ТЕПЛОВЫХ
ПРОЦЕССАХ
ВОПРОС 1.

8. Зарождение термодинамики
8
 Создание классической физики, начатое и
осуществленное Галилеем и Ньютоном в XVII-
XVIII веках, получило логическое завершение
только в конце XIX века.
 Параллельно с развитием механики, в XVIII веке
разрабатываются представления о тепле.
 Один из разделов о тепле — термометрия,
получил развитие в начале XVIII века благодаря
работам Реомюра, Цельсия, Фаренгейта.

9. Что такое термодинамика?
9
Термодинамика — наука о
наиболее общих свойствах
макроскопических физических
систем, находящихся в состоянии
термодинамического равновесия,
и о процессах перехода между
этими состояниями.

10. Ответы на 3 вопроса
10
1. возможен ли
данный процесс при
данных условиях?
2. если да, то в каком
направлении пойдет этот
процесс в данных
условиях? 3. чем процесс
закончится?

11. Основные понятия термодинамики
11
теплота Движение
тепловое
тепловой
процесс энергия
работа
энтропия

12. Что такое теплота?
12
 Теплота - не вещество, а средство или способ.
 Теплота есть количество энергии, получаемой
или отдаваемой системой при теплообмене
(при неизменных внешних параметрах
системы).
 Наряду с работой количество теплоты является
мерой изменения внутренней энергии системы.
 Теплота - не одна из форм энергии, а название
одного из способов передачи энергии.

13. Что такое тепловое движение?
13
 Тепловое движение представляет собой
беспорядочное движение микрочастиц, из которых
состоят все тела.
 Тепловое излучение является электромагнитным
излучением, испускаемым веществом и
возникающим за счёт его внутренней энергии.
 Тепловое расширение связано с изменением
размеров тела в процессе его нагревания.

14. 14
ПРОЦЕССЫ И СИСТЕМЫ
В ТЕРМОДИНАМИКЕ
ВОПРОС 2.

15. Макросистемы
15
Все законы термодинамики относятся к телам,
число молекул которых огромно.
Такие тела образуют макросистемы
 газ в баллоне,
 вода в стакане,
 песчинка,
 камень….

16. Термодинамическая система
16
 Система тел или частиц в которой
могут происходить процессы,
связанные с преобразованием
энергии

17. Типы макроскопических систем
17
Закрытые
замкнуты, изолированы от Открытые
внешней среды, не обмениваются с окружающей
обмениваются с ней ни средой веществом, энергией,
веществом, ни энергией, ни информацией, имеют вход и
информацией. выход.
Все параметры несут Все параметры
определенную полноту и неопределенные, случайные.
ясность.

18. Термодинамический метод
18
 Основа термодинамического метода –
определение состояния термодинамической
системы, представляющей собой совокупность
макроскопических тел, которые взаимодействуют и
обмениваются энергией между собой и с внешней
средой.
 Состояние системы – это совокупность ее
свойств.
 Изменение состояния системы – это процесс.

19. Равновесные и неравновесные
19
процессы
Если система находится в Если в системе существует
состоянии равновесия (не перенос заряда, массы,
обменивается энергией, энергии и т. п. (то есть
массой, зарядом) с иными существуют градиенты),
системами, то при состояние будет
неизменных внешних неравновесным.
условиях такое состояние не Системы реагируют на
меняется со временем. внешние условия.
В равновесных системах Поведение систем носит
градиенты температуры или случайный характер и не
концентрации отсутствуют. зависит от начальных
условий.

20. Обратимый и необратимый
20
процессы
• Сжатый газ, находящийся в цилиндре с
 Необратимый процесс. подвижным поршнем, расширяется до
 Обратимый процесс. тех пор, пока его обратныене станет
Процессы, давление
которым самопроизвольно
равно внешнему давлению. А может ли
не происходят, называются
газ самопроизвольно сжаться?
необратимыми.
• Если в сосуде имеются два различных
газа, разделённые перегородкой, то
При диффузии газы после удаления перегородки начнётся
смешиваются, равномерно диффузия, в результате которой
распределяясь по объёму сосуда
процессы, которые возможно установится равновесие – концентрация
осуществить в обратном каждого из газов в любом месте сосуда
направлении, последовательно окажется одинаковой. Может ли
произойти самопроизвольное
повторяя в обратном порядке
разделение смеси газов?
все промежуточные состояния
прямого процесса, называются• Маятник в вакууме выведен из
обратимыми состояния равновесия (трение в подвесе
отсутствует), что с ним будет
происходить?

21. Необратимость тепловых
21
процессов
• В калориметр с холодной водой
 Как происходит
Процесс теплообмена между
опустили горячее тело. Что при
процесс телами будет происходить? Может
этом происходит так: горячие
теплообмена между тела охлаждаются, передавая
ли при этом холодная вода ещё
телами? больше охладиться, а тело
энергию менее нагретым телам,
температура которых увеличивается.
нагреться?
 До каких пор • Возможен ли теплообмен тел,
происходит предоставленных самим себе
следующим образом: холодные
теплообмен? тела охлаждаются, а горячие тела
при этом нагреваются?
?
Горячее Холодное
тело
Q
тело
!
Q

22. Необратимые процессы
22
и термодинамика
 Реальные процессы, протекающие в
действительности, строго говоря, являются
необратимыми.
 У всех явлений в природе есть определенное
направление.
 Именно необратимые процессы указывают
направление течения времени.
 Термодинамика помогает исследователям
заранее узнать, пойдет ли реальный процесс,
не осуществляя его в действительности.

23. 23
ЭНЕРГИЯ И ЭНТРОПИЯ
ВОПРОС 3.

24. Что такое энергия?
24
физическая величина,
являющаяся единой мерой ядерная
различных форм движения энергия существует во
материи и мерой перехода всевозможных формах
движения материи из одних Энергия –
форм в другие.
фундамен энергия, связанная с
энергия, связанная с
движением
тальное гравитационным
понятие в взаимодействием
(кинетическая)
(энергия тяготения)
физике.
тепловая, электрическая энергия упругости в
и световая энергии пружинах
Одна из наиболее универсальных форм передачи энергии -
тепловая

25. Энтропия
25
 В 1854 г. Р. Клаузиус ввел
понятие энтропии (от греч.
еn — в, внутри + trope —
поворот, превращение) как
меры внутренней
неупорядоченности
системы.

26. Энергия и энтропия
26
энергия — это мера некоторой
энтропия — это мера качества
потенциальной возможности энергии, то есть реальной
системы совершить полезную способности ее произвести
работу, то есть упорядоченноеработу без привлечения
действие внешнего воздействия
Энтропия – это мера обесцененной энергии, бесполезной
энергии, которую нельзя использовать для получения
работы.

27. Энергия в необратимых процессах
27
 При любом необратимом процессе энергия
увеличивается до того, пока не прекратятся
какие-либо процессы, т.е. пока не станет F = 0.
 И это произойдет, при достижении замкнутой
системы равновесного состояния, т.е. когда все
параметры состояния системы (Р, Т) во всех
точках системы станут одинаковыми.
 Вывести систему из этого равновесного
состояния можно только затратив энергию из
вне.

28. Энтропия определяет
28
состояние системы
 Какими бы путями ни перешла система из одного
состояния в другое, изменение ее энтропии будет
всегда одно и то же.
 При обратимых процессах полное изменение
энтропии системы равно нулю.
 Если процесс необратим, то энтропия
замкнутой системы возрастает.
 Если по расчету общая энтропия системы
уменьшается, то процесс в данном направлении
невозможен.

29. Энтропия как мера беспорядка
29
Вся энергия распределяется
равномерно между молекулами
воды. При этом энтропия
увеличивается, и мы получаем
При перемешивании горячей воды и энергию, более равномерно
холодной ее температура
усредняется.
распределенную и в форме, менее
удобной для использования.
 Недостаточно иметь энергию, нужно, чтобы она была в форме,
удобной для использования, и не «беспорядочная».
 Энтропия – мера беспорядка, и при необратимых процессах
она всегда растет.
 Любой самопроизвольно протекающий в замкнутой
изолированной системе процесс должен увеличивать
энтропию.

30. Плавление и кристаллизация
30
 при плавлении энтропия возрастает, а при
кристаллизации уменьшается.
 Физический смысл: фазовая область
молекулы в твердом теле гораздо меньше,
чем в жидкости, так как в твердом теле
каждой молекуле доступна только малая
область пространства между соседними
узлами кристаллической решетки, а в
жидкости молекулы занимают всю область
пространства.

31. Испарение и конденсация
31
 при испарении энтропия возрастает, а
при конденсации уменьшается.
При равных температурах фазовая
область молекул газа значительно
больше фазовой области молекул
жидкости, и энтропия газа больше
энтропии жидкости.
Газ, по сравнению с жидкостью,
гораздо менее упорядоченная,
более хаотичная система.

32. 32
НАЧАЛА
ТЕРМОДИНАМИКИ
ВОПРОС 4.

33. Первое начало
33
Закон сохранения энергии в замкнутой
(изолированной) системе в случае, когда в
ней имеют место механические и
тепловые процессы.
В изолированной системе энергия может
только превращаться из одной формы в
другую, но ее количество всегда остается
постоянным.
Если система не изолирована, энергия может
изменяться за счет обмена между частями
системы или разными системами.

34. Первое начало
34
 Первый закон термодинамики
гласит: тепло, сообщенное
системе, расходуется на
увеличение ее внутренней энергии и
на совершение работы против
внешних сил.
 Через несколько минут вы услышите
звон разбитого стекла: это ртуть,
расширившись (а расширение
связано с увеличением межатомных
расстояний, то есть с увеличением
внутренней энергии ртути), и не имея
выхода, надавила на стекло 60
резервуара и совершила работу,
разрушив его.

35. Возможен ли вечный двигатель?
35
 Первый закон термодинамики в другой
редакции:
 нельзя построить периодически действующую
машину, которая бы совершала работу, больше
подводимой к ней извне энергии.
 Вечный двигатель первого рода невозможен.

36. Возможен ли вечный двигатель?
36
 Вечный двигатель второго рода - это
циклически действующая машина, способная
совершать работу за счет переноса тепла от
холодного тела к горячему.
 Это не запрещено первым началом
термодинамики, но практически невозможно.
 Существование вечного двигателя второго рода
запрещает второе начало термодинамики.

37. Второе начало
37
 При каких
В циклически
условиях может действующем тепловом
осуществляться двигателе невозможно
теплопередача от преобразовать всё
холодного тела к количество теплоты,
горячему? полученное от
нагревателя,
в механическую работу.
A< Q1

38. Второе начало
38
 Невозможно построить периодически
действующую тепловую машину, вся деятельность
которой сводилась бы к совершению механической
работы и охлаждению теплового резервуара.
 Холодильник - обычная тепловая машина.
Нагреватель в нем - охлаждаемые продукты,
рабочее тело — фреон, холодильник —
окружающий воздух.
 Тепловая энергия отнимается от продуктов и
передается окружающей среде за счет работы
компрессора.
 Циклические процессы конденсации и испарения
рабочего тела обеспечиваются внешним по
отношению к системе источником энергии.

39. Второе начало
39
Немецкий физик, один из основателей термодинамики,
Рудольф Клаузиус (1822-1888 гг.):
 теплота не может переходить сама собой от
более холодного тела к более теплому.
 невозможен процесс, при котором теплота
переходила бы самопроизвольно от более холодных
тел к более нагретым.
Независимо от Клаузиуса в 1851 г. его английский
коллега Уильям Томсон (барон Кельвин):
 невозможно существование такой тепловой
машины, которая производила бы путем
охлаждения моря или земли механическую работу в
любом количестве, вплоть до исчерпания теплоты
суши и моря.

40. Второе начало
40
 невозможен процесс, единственным
результатом которого было бы поглощение
теплоты от нагревателя и полное
преобразование этой теплоты в работу (еще
один кельвинский вариант формулировки
второго начала термодинамики).
 Второе начало термодинамики позволяет
разделить все процессы на естественные —
переход работы в тепло, самопроизвольный
переток тепла от горячего тела к холодному — и
на противоестественные.

41. Второе начало и энтропия
41
 Второе начало термодинамики как утверждение в
формулировке Клаузиуса — необратимые
процессы в изолированных системах всегда идут
с возрастанием энтропии — сообщает нам о том,
что все самопроизвольно протекающие процессы в
замкнутой (изолированной) системе ведут к
увеличению беспорядка, к возрастанию хаоса и к
снижению качества энергии.
 Самопроизвольно протекающие процессы ведут к
разрушению всех структур и затуханию всех
процессов.

42. Тепловая смерть Вселенной
42
 Клаузиус: «Энтропия Вселенной возрастает».
 Вселенная движется к «тепловой смерти».
 Раз все виды энергии деградируют, превращаясь в
тепло, то когда-нибудь закончат свое существование
звезды, отдав свою энергию в окружающее
пространство, и вся Вселенная придет в самое
простое состояние хаоса - термодинамического
равновесия с температурой лишь на несколько
градусов выше абсолютного нуля. В этом
пространстве будут разбросаны безжизненные,
остывшие шары планет и звезд. Не будет источников
энергии - не будет жизни, не будет ничего.

43. Третье начало
43
 Третье начало термодинамики характеризует
свойства вещества при очень низких температурах.
 Оно утверждает невозможность охлаждения
вещества до температуры абсолютного нуля.
 По мере приближения температуры любого тела к
абсолютному 0 изменение его энтропии при
изменении его любого свойства тоже стремится к 0.
 Дается возможность расчета абсолютной величины
энтропии.
 На основе этого закона был осуществлен синтез
алмазов из графита.

44. Тепловые явления
Термодинамика Макросистемы
процессы
Неравновесные Открытые Закрытые
Равновесные
- перенос E, m, q; - обмениваются со средой - не обмениваются
- нет обмена E, m, q;
- перепады веществом , энергией , веществом , энергией ,
- состояние системы
температуры , информацией ; информацией ;
не меняется со
концентрации ; - все параметры - параметры определенные ,
временем
- система реагирует неопределенные , случайные; полные, ясные;
- нет перепадов
на внешние условия ; - неравновесные процессы ; - равновесные процессы ;
температуры ,
- поведение систем - энергия не сохраняется ; - энергия сохраняется ;
концентрации
случайно - не могут быть в равновесии - стремятся к равновесию
Обратимые Возможен ли процесс в реальности ?
Необратимые
- возможен обратный Надо рассчитать энтропию !
- невозможно
переход из одного Энтропия – форма выражения количества связанной
обратное
равновесного энергии , которую имеет вещество .
направление
состояния в другое; Энтропия системы определяется вероятностью ее
перехода;
- в окружающей среде состояния.
- указывает
изменений не будет ; Энтропия системы изменяется одинаково при переходах
направление течения
- нет различия между из одного состояния в другое .
времени
прошлым и будущим В обратимом процессе энтропия равна 0.
Если энтропия уменьшается , то процесс невозможен .
Законы (начала)
термодинамики
2 начало : Невозможен процесс ,
1 начало: Закон сохранения
при котором теплота переходит 3 начало : При приближении
энергии в замкнутой системе
самопроизвольно от более температуры тела к
при механических и тепловых
холодных тел к более абсолютному 0 изменение
процессах .
нагретым . энтропии при изменении
Всякая система стремится к
В закрытых системах для всех любого его свойства тоже
термодинамическому равновесию
тепловых процессов энтропия стремится к 0.
(тала в покое , температура и
системы возрастает . Можно рассчитать абсолютную
давление одинаковы ) и достигнув
44 его, сама из него не выходит .
Максимальная энтропия – при величину энтропии .
тепловом равновесии .

45. Роберт Юлиус Майер
 Майер по профессии врач, работал
некоторое время судовым врачом.
Однажды штурман сказал ему, что во время
сильной бури вода нагревается. Майер
занес замечание штурмана в свой дневник
и впоследствии проверил его.
 В порту у берегов Явы он заметил, что кровь
матросов значительно светлее венозной
крови жителей умеренных поясов. Местные
врачи объяснили, что такой цвет крови -
обычное явление для этих мест.
 Роберт Майер установил количественное
соотношение между теплотой и работой и
первый вычислил значение механического
45
эквивалента тепла.

46. Джеймс Прескотт Джоуль
46
Джоуль – английский промышленник, его
занимала мысль о создании максимально
экономного двигателя. Видимо, в ходе его
экспериментальных работ у него возникла
мысль о соотношении между полученной
работой и затраченной энергией.
В юности он занимался экспериментальными
исследованиями в области электромагнетизма и
обнаружил нагревание проводников, по которым
протекал ток.
В 1849г. Джоуль опубликовал описание опыта,
ставшего классическим, являющимся
доказательством выполнения закона
сохранения и превращения энергии.
«Могучие силы природы неразрушимы и во всех
случаях , когда затрачивается механическая
сила, получается точное эквивалентное
количество теплоты» Д. Джоуль.

47. Герман Гельмгольц
47
Гельмгольц окончил Медико-
хирургический институт в Берлине,
работал военным хирургом в гусарском
полку.
Одновременно с Майером и не зависимо
от него, тоже с теоретических позиций
закон сохранения энергии разрабатывал
Гельмгольц.
«Целью настоящего исследования …
являлось желание доказать
теоретическую, практическую и
эвристическую важность этого закона».
Г. Гельмгольц
1821 - 1894

48. Эмиль Христианович Ленц
 В1820 году поступил в университет,
в1823 – 1826г.г. в должности физика
принимал участие в кругосветной
экспедиции.
 При изучении теплового действия
тока Ленц открыл независимо от
Джоуля закон, который носит
теперь имя Джоуля – Ленца.
 Свой результат Ленц получил
раньше Джоуля, метод был более
1804-1865
совершенным, результаты более
точными, однако публикация
Джоуля опередила публикацию
48
Ленца.

49. Клаузиус Рудольф Юлиус Эмануэль
49
 (1822 – 1888) – немецкий физик-теоретик, один из
создателей термодинамики и кинетической теории
газов.
Его работы посвящены молекулярной физике,
термодинамике, теории паровых машин,
теоретической механике, математической физике.
Развивая идеи С. Карно, точно сформулировал
принцип эквивалентности теплоты и работы.
В 1850 г. получил общие соотношения между
теплотой и механической работой (первое начало
термодинамики) и разработал идеальный
термодинамический цикл паровой машины (цикл
Ранкина-Клаузиуса).
Ввел понятие энтропии.