Введення
Чим глибше проникають дослідники в таємниці природи, тим більше стираються межі між окремими областями науки і тим важче дати точне визначення і розмежування окремих дисциплін. Це повною мірою відноситься до предмету термодинаміки. Розглядаючи взаємні перетворення тепла і різних видів енергії, термодинаміка являє собою дисципліну, або скоріше навіть метод, який дуже широко використовується фізиками, хіміками і дослідниками в інших галузях науки для встановлення внутрішнього зв'язку між різними явищами природи і узагальнення накопиченого експериментального матеріалу. Оскільки енергетичні перетворення супроводжують всім матеріальним змінам і енергія характеризує міру руху матерії, а рух являє собою невід'ємне властивість матерії і основну форму її существоанія, то область докладання термодинаміки охоплює величезну кількість фізичних і хімічних явищ.
Термодинаміка спирається на фундаментальні закони (початку), які є узагальненням спостережень над процесами, що протікають в природі незалежно від конкретних властивостей тіл. Цим пояснюється універсальність закономірностей і співвідношень між фізичними величинами, одержуваних при термодинамічних дослідженнях.
Перший закон термодинаміки характеризує і описує процеси перетворення енергії з кількісної сторони і дає все необхідне для складання енергетичного балансу будь-якої установки або процесу. Звичайно формулюється в такий спосіб: теплота, поглинута системою із зовнішнього середовища, йде на збільшення внутрішньої енергії системи і здійснення роботи проти зовнішніх сил.
Другий закон термодинаміки, будучи найважливішим законом природи, визначає напрям, по якому протікають термодинамічні процеси, встановлює можливі межі перетворення теплоти в роботу при кругових процесах, дозволяє дати суворе визначення таких понять, як ентропія, температура і т.д. У цій зв'язку другий закон термодинаміки суттєво доповнює перший.
В Як третій початку термодинаміки приймається принцип недосяжності абсолютного нуля.
Технічна термодинаміка включає застосування цих же законів та їх наслідків до теплових двигунам.
Зміст хімічної термодинаміки полягає в застосуванні термодинамічного методу до вивченню хімічних процесів. Вона вивчає перетворення тепла, пов'язані з хімічними реакціями і агрегатними перетвореннями. При цьому формулюються закономірності, що дозволяють визначати напрям і межа протікання цих процесів.
В теорії теплообміну вивчаються закономірності переносу теплоти з однієї області простору в іншу. Процеси переносу теплоти являють собою процеси обміну внутрішньою енергією між елементами розглянутої системи у формі теплоти.
В Залежно від характеру обміну енергії і маси з навколишнім середовищем через межі системи розрізняють три групи систем. Ізольовані системи не обмінюються із зовнішнім середовищем ні енергією, ні масою, вони повністю ізольовані від впливу навколишнього середовища. Системи, які через свої кордони обмінюються енергією з навколишнім середовищем, але не можуть обмінюватися масою (речовиною), відносяться до закритих систем. Відкриті системи обмінюються з навколишнім середовищем і енергією, і масою.
Клаузіус Рудольф Юліус Емануель (Clausius Rudolf Julius Emanuel)
(Німецький фізик)
Народився 2 січня 1822 в Кесліне (нині Кошалін, Польща) в сім'ї пастора. Навчався в приватній школі, потім у гімназії. Закінчив Берлінський університет (1848 рік), де отримав ступінь доктора філософії. У 1850-1857 роках викладав у Берліні та Цюріху. Професор університетів в Цюріху (з 1857 року), Вюрцбурзі (з 1867 року), Бонні (з 1869 року). З 1884 року - ректор Боннського університету.
Головні роботи Клаузиуса присвячені основам термодинаміки і кінетичної теорії газів. Він першим дав сувору формулювання принципу еквівалентності теплоти і роботи. В 1850 незалежно від У. Ранкина отримав співвідношення між цими величинами (Перший початок термодинаміки) і розробив ідеальний термодинамічний цикл парової машини (цикл Ранкина - Клаузіуса). У тому ж році (одночасно з У. Томсоном) дав перше формулювання другого початку термодинаміки. У 1865 році ввів поняття ентропії.
Клаузіус вніс великий внесок у розвиток молекулярно-кінетичної теорії газів. Він вперше застосував тут новий підхід - так званий метод середніх величин (те, що тепер називається статистичними методами), пояснив з єдиних позицій такі різні явища, як внутрішнє тертя, теплопровідність, дифузія. Ввів поняття середньої довжини вільного пробігу молекул і в 1860 році обчислив її величину, що в подальшому дозволило оцінити розмір молекул. Узагальнив рівняння газового стану Ван-дер-Ваальса, виявив сенс рівняння, що зв'язує температуру плавлення (або кипіння) речовини з тиском (рівняння Клапейрона - Клаузіуса).
Крім цього, Клаузіус розробив теорію поляризації діелектриків, з якої незалежно від О. Моссоті вивів співвідношення між діелектричною проникністю і поляризуемостью (формула Клаузіуса - Моссоті).
Помер Клаузіус в Бонні 24 серпня 1888.
Загальна характеристика та формулювання другого закону термодинаміки
Історично другий початок термодинаміки було сформульовано набагато раніше першого початку, але з часом воно отримувало все нове і нове тлумачення, а його формулювання ставали все більш строгими. Вперше основне положення другого початку було дано М. В. Ломоносовим (1747 р.). У роботі В«Роздуми про причини теплоти та холоднечі В»Ломоносов говорить:В« Якщо більш тепле тіло А приходить в зіткнення з іншим тілом Б, менш теплим, то що знаходяться в точці дотику частинки тіла А швидше обертаються, ніж сусідні з ним частинки тіла Б. Від більш швидкого обертання частинки тіла А прискорюють обертальний рух частинок тіла Б, тобто передають їм частину свого руху; скільки руху йде від перших, стільки ж додається до других. Тому коли частинки тіла А прискорюють обертальний рух частинок тіла Б, то уповільнюють своє власне. Звідси коли тіло А при зіткненні нагріває тіло Б, то саме воно охолоджується В»... і далі,В« Тіло А при дії на тіло Б не може надати останньому велику швидкість руху, яку має сама. Якщо тіло Б холодне і занурено в тепле газоподібне тіло А, то тепловий рух частинок тіла А призведе в тепловий рух частинки тіла Б, але в частинках тіла Б не може порушити більш швидкий рух, ніж яке мається на частинках тіла А. тому холодне тіло Б, занурене в тіло А, не може сприйняти велику ступінь теплоти, ніж яку має тіло А В».
Природні процеси завжди спрямовані в бік досягнення системою рівноважного стану (Механічного, термічного або будь-якого іншого). Це явище відбито другим законом термодинаміки, що мають велике значення і для аналізу роботи теплоенергетичних машин. У відповідності з цим законом, наприклад, теплота мимовільно може переходити тільки від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою. Для здійснення зворотного процесу повинна бути витрачена певна робота. У зв'язку з цим другий закон термодинаміки можна сформулювати наступним чином: теплота ніколи не переходить з більш холодного тіла на більш гаряче, тоді як зворотний процес протікає мимовільно (постулат Клаузіуса, 1850 р.).
Другий закон термодинаміки визначає також умови, за яких теплота може, як завгодно довго перетворюватися в роботу. У будь-якому розімкнутому термодинамічній процесі при збільшенні обсягу вчиняється позитивна робота. Але процес розширення не може тривати нескінченно, отже, можливість перетворення теплоти в роботу обмежена.
Безперервне перетворення теплоти в роботу здійснюється тільки в круговому процесі або циклі.
Кожен елементарний процес, що входить в цикл, здійснюється при підводі або відведенні теплоти Q, супроводжується вчиненням або витратою роботи, збільшенням або зменшенням внутрішньої енергії, але завжди при виконанні умови Q = U + A, яке показує, що без підведення теплоти (Q = 0) зовнішня робота може здійснюват...
