Федеральноеагентство по образованию
Государственноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский Государственный Экономический Университет»
Центрдистанционного образования
Контрольнаяработа
на тему: «Развитиетермодинамики. Формирование представлений о превращении энергии»
Исполнитель:
студент группы: УЗ-09 СР
Кобякова Наталья Олеговнаг. Екатеринбург2009г.
Содержание
Введение
1. Развитие термодинамики. Формирование представлений опревращении энергии
1.1 Первый закон термодинамики
1.2 Второй закон термодинамики
1.3 Третий закон термодинамики
Заключение
Глоссарий
Именной указатель
Список использованной литературы
Введение
Термодинамика — разделприкладной физики или теоретической теплотехники, в котором исследуется превращениедвижения в теплоту и наоборот. В термодинамике рассматриваются не тольковопросы распространения теплоты, но и физические и химические изменения,связанные с поглощением теплоты веществом, а также, наоборот, выделение теплотыв ходе физических и химических превращений.
Термодинамика находитширокое применение в физической химии и химической физике при анализефизических и химических процессов, в современной физиологии и биологии, вдвигателестроении, теплотехнике, авиационной и ракетно-космической технике.Первоначально в термодинамике много внимания уделялось обратимым процессам иравновесным состояниям, так что более подходящим для нее казалось название «термостатика»,но благодаря С.Аррениусу (1859–1927) и Г. Эйрингу (1901–1981) получило весьмаосновательную разработку ее применение к анализу скоростей химических реакций(химической кинетике). В настоящее время главной проблемой в термодинамикеявляется ее применение к необратимым процессам, и уже достигнуты большие успехив построении теории, по широте охвата сравнимой с термодинамикой обратимыхпроцессов.
1. Развитиетермодинамики. Формирование представлений о превращении энергии
До возникновениятермодинамики понятие времени по существу отсутствовало в классической физике втом виде, в каком оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающихпроцессы, протекающие во времени и имеющих свою историю. Хотя в качествепеременной время входит во все уравнения классической и квантовой механики, темне менее, оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе.Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е.относить его как будущему, так и к прошлому.
Положение существенноизменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловыхпроцессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике.Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешнихсил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих вмеханических системах, то термодинамика вынуждена была исследовать физическиепроцессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Однако она неанализирует внутреннее строение термодинамических систем, как это делаетстатистическая физика, рассматривающая теплоту как беспорядочное движение огромногочисла молекул.
Термодинамика возникла изобобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространенияи превращения тепла. Самым очевидным является тот факт, что распространениетепла представляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, например, чтотепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы,нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы.Не менее известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а ненаоборот [1, 14].
Термодинамикарассматривает системы, между которыми возможен обмен энергией, без учетамикроскопического строения тел, составляющих систему, и характеристик отдельныхчастиц. Различают термодинамику равновесных систем или систем, переходящих кравновесию (классическая, или равновесная термодинамика) и неравновесных систем(неравновесная термодинамика). Классическая термодинамика чаще всего называетсяпросто термодинамикой и именно она составляет основу так называемойТермодинамической Картины Мира (ТКМ), которая сформировалась к середине 19 в.Неравновесная термодинамика получила развитие во второй половине 20-го века ииграет особую роль при рассмотрении биологических систем и феномена жизни вцелом.
Таким образом, приисследовании тепловых явлений выделились два научных направления:
1. Термодинамика,изучающая тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества;
2.Молекулярно-кинетическая теория (развитие кинетической теории вещества впротивовес теории теплорода) [1, 19].
В 18 в. были изобретеныпаровые насосы, а затем паровые машины. В начале 19 века появились пароходы,началось строительство железных дорог. Широкое применение пара выдвинуло напервый план исследования тепловых явлений, поиск путей повышения эффективностипаровых машин. Возникла и стала быстро развиваться термодинамика. Процесс ееразвития был фактически процессом интеграции знаний. Если в начале века толькочто родившаяся термодинамика выступала как механическая теория теплоты, то насклоне века она представляла собой весьма общую теорию, выходящую собственно зарамки тепловых явлений, прикладываемую ко всем физическим и химическимпроцессам, происходящим в веществе, в различных системах. Важным достижением напути этого процесса интеграции знаний было открытие фундаментального законаприроды — закона сохранения и превращения энергии.
Основатель термодинамикиС. Карно в своем труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах,способах развивать эту силу» пишет: «Тепло — это не что иное, какдвижущая сила, или вернее движение, изменившее свой вид. Это движение частицтел. Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует вприроде в неизменном количестве, она никогда не создается, никогда неуничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызывает то один роддвижения, то другой ...» Чтобы усмотреть здесь закон сохранения ипревращения энергии — достаточно вместо «движущей силы» поставить«энергию» (термин «энергия» был введен еще Юнгом в 1807 г., но прижился не сразу; под «энергией» Юнг понимал произведение массы тела наквадрат его скорости).
Открытие законасохранения и превращения энергии обычно связывают с именами Р. Майера, Д.Джоуля, Г. Гельмгольца. Второе начало термодинамики как некоторое эмпирическоеправило было впервые сформулировано в 1850 г. Р. Клаузиусом и в 1851 У.Томсоном (Клаузиус ввел понятия внутренней энергии, а также величины, названной«энтропией») [1, 23].
1.1 Первый законтермодинамики
На рис. 1 условноизображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой иокружающими телами. Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторонутермодинамической системы. Величина A > 0, если система совершаетположительную работу над окружающими телами.
Если система обмениваетсятеплом с окружающими телами и совершает работу (положительную илиотрицательную), то изменяется состояние системы, то есть изменяются еемакроскопические параметры (температура, давление, объем).
Так как внутренняя энергияU однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующимисостояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершенияработы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.
/>
Рисунок 1 — Обменэнергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообменаи совершаемой работы
Первый законтермодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии длятермодинамической системы. Он формулируется следующим образом:
Изменение ΔUвнутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разностимежду количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершеннойсистемой над внешними телами
ΔU = Q – A
1.2 Второй законтермодинамики
На современном научномязыке второе начало термодинамики звучит так: В необратимых процессах полнаяэнтропия системы всегда возрастает. Клаузиус и Томсон пришли к фундаментальномувыводу, относящемуся к Вселенной в целом. В действительности обратимыхпроцессов не бывает. Любое механическое движение происходит с хотя бы с малойдолей превращения механической энергии в тепловую — выделяемую при трении. Раноили поздно все движущиеся тела остановятся, наступит равновесие, отвечающеемаксимальной энтропии. Томсон заключил, что «миру грозит тепловаясмерть». И в то же время «энергия мира остается неизменной».Второй закон термодинамики называют законом возрастания энтропии.
В дальнейшем немецкийфизик Рудольф Клаузиус (1822—1888) использовал для формулировки второго законатермодинамики понятие энтропии, которое впоследствии австрийский физик ЛюдвигБольцман (1844— 1906) интерпретировал в терминах изменения порядка в системе.Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок всистеме. В таком случае второй закон термодинамики постулирует:
Энтропия замкнутойсистемы, т. е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией нивеществом, постоянно возрастает.
А это означает, что такиесистемы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса идезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, вкоторой всякое производство работы становится невозможным [2, 47].
Поскольку об изменениисистем в классической термодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии,то последняя и выступает в качестве своеобразной стрелы времени. В механическихпроцессах ни о каком реальном времени говорить не приходится. Задав в нихначальное состояние (координаты и импульсы), можно, согласно уравнениямдвижения, однозначно определить любое другое ее состояние в будущем илипрошлом. Поэтому время в них выступает просто как параметр, знак которого можноменять на обратный, и таким образом вернуться к первоначальному состояниюсистемы. Ничего подобного не встречается в термодинамических процессах, которыеявляются необратимыми по своей природе.
Термодинамика впервыеввела в физику понятие времени в весьма своеобразной форме, а именнонеобратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропиясистемы, тем больший временной промежуток прошла система в своей эволюции.
Тепловые и механическиепроцессы несхожи. Все явления, описываемые механикой Ньютона, — чистомеханические явления — обратимы. Это значит, что законы механики не меняютсяпри изменении знака времени, т.е. замены в формулах t на -t. В самом деле,второй закон Ньютона содержит ускорение (вторую производную от перемещения повремени), где время в квадрате.
Но что такое знаквремени? Время течет из прошлого через настоящее в будущее. Возвращение назадне происходит. Действительность необратима. Человек рождается, растет,достигает зрелости, старится и умирает. Жизнь необратима. Если выразитьматематически, то в уравнение движения войдет сила трения, пропорциональнаяскорости, (скорость в первой степени и инвариантность по отношению к замене tна -t исчезает).
Если два тела с разнымитемпературами, находятся в контакте, теплота перетекает от более нагретого телак менее нагретому. Температуры выравниваются. Прошлое — разность температур,будущее — равные температуры. Процесс перехода теплоты от одного тела к другомунеобратим. Невозможно самопроизвольно разделение тела, находящегося приопределенной температуре, на две части — горячую и холодную. Различие междумеханическими и тепловыми явлениями оказались связанными с самыми глубокимивопросами естествознания [2, 59].
Раскрытие природы исмысла необратимых процессов стало одной из центральных проблем физики 19 века.И не только физики. Система, в которой протекают тепловые процессы, способна кнеобратимому развитию, т.е. к эволюции. Ясное понимание такой способностипришло в науку лет через тридцать после труда Карно, но было этим трудомподготовлено. В те же десятилетия строилась эволюционная теория в биологии,нашедшая свое выражение в «Происхождении видов» Чарльза Дарвина,опубликованном в 1859 г. Речь шла об эволюции, т.е. о необратимом развитииживой природы. Наиболее резкое противоречие в прошлом веке возникло междупрежней физикой и эволюционной теорией Дарвина. Если, например, в механике всепроцессы представляются обратимыми, лишенными своей истории и развития, тотеория Дарвина убедительно доказала, что новые виды растений и животныхвозникают в ходе эволюции в результате борьбы за существование. В этой борьбевыживают те организмы, которые оказываются лучше приспособленными кизменившимся условиям окружающей среды. Следовательно, в живой природе всепроцессы являются необратимыми. То же самое можно сказать в принципе и осоциально-экономических, культурно-исторических и гуманитарных системах, хотяэволюция в природе происходит значительно медленнее, чем в обществе. Связимежду биологией и физикой, вначале казавшиеся несуществующими, сыгралигромадную роль в развитии науки.
В изолированных системахнаправление времени совпадает с направлением возрастания энтропии. К моментузарождения термодинамики в естествознании господствовала механика Ньютона собратимым временем, механика неразвивающегося мира. Времени в этоместествознании не было. Оно существовало в гуманитарных науках, прежде всего вистории. Время впервые появилось во втором начале термодинамики — возниклонеобратимое возрастание энтропии в самопроизвольных процессах. Но в остальномтермодинамика была термостатикой — наукой о равновесиях и равновесныхпроцессах.
1.3 Третий законтермодинамики
При стремлениитемпературы к абсолютному нулю, энтропия системы приближается к постоянномуминимуму. Энтропия открыла путь от технологии (тепловые машины) к космологии(направление времени и судьба Вселенной). Он знаменовал переход отсуществующего к возникающему. Наступил век Дарвина — из биологии (а такжегуманитарных наук) в физику вошли представления о развитии, о росте вероятностисостояния физической системы. Первый этап термодинамики завершился построениемстатистической физики в трудах Больцмана и Гиббса. Энтропия стала меройнеупорядоченности системы, объективной характеристикой недостатка информации осистеме [3, 64].
На втором этапе развитиятермодинамики наука обратилась к изучению открытых неравновесных систем,близких, однако, к равновесию. Это линейная термодинамика открытых системсоздана трудами Онзагера, Пригожина и других наших современников. В этой наукезависимость от времени стала количественной. Неравновесная термодинамика не ограничиваетсяконстатацией возрастания энтропии в необратимых процессах, но вычисляетскорость этого возрастания — производную продукции энтропии по времени, т.е.функцию диссипации. Два основных положения линейной термодинамики существенны инетривиальны. Во-первых, возможность существования открытой системы встационарном неравновесном состоянии, в котором внутренняя продукция энтропиикомпенсируется ее оттоком из открытой системы. Во-вторых, сопряжениединамических процессов, благодаря которому в открытой системе процесс,невозможный в отсутствие сопряжения, так сам по себе он связан с понижениемэнтропии, реализуется за счет свободной энергии других, энтропийно выгодныхпроцессов.
Классическаятермодинамика оказалась неспособной решить и космологические проблемы характерапроцессов, происходящих во Вселенной. Первую попытку распространить законытермодинамики на Вселенную предпринял один из основателей этой теории — Р.Клаузиус, выдвинувший два постулата:
• энергия Вселеннойвсегда постоянна;
• энтропия Вселеннойвсегда возрастает [3, 84].
Если принять второйпостулат, то необходимо признать, что все процессы во Вселенной направлены всторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующегомаксимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшейстепенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселеннойнаступит тепловая смерть и никакой полезной работы в ней произвести будетнельзя. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученыхи философов, но в середине прошлого века было еще мало научных аргументов дляопровержения мнения Р. Клаузиуса и обоснования альтернативного взгляда.Некоторые авторы предполагали, что наряду с энтропийными процессами в природепроисходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют наступлению«тепловой смерти» во Вселенной. Другие высказывали сомнение вправомерности распространения понятий термодинамики, в частности энтропии, сотдельных систем на Вселенную в целом. Но только единицы догадывались, что самопонятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущейабстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются вприроде.
В последние десятилетиянаступил третий этап развития термодинамики — возникла физика диссипативныхсистем, физика неравновесных процессов. Открытые системы способны творитьпорядок из хаоса за счет экспорта энтропии, ее оттока из открытой системы.Организм питается отрицательной энтропией, а не положительной энергией.Сформировалась новая область физики — физика диссипативных систем илисинергетика (Хакен). Через сто лет после «Происхождения видов»Дарвина физика объединилась с биологией в понимании процессов необратимогоразвития, естествознание впервые встретилось с синергетикой именно в«Происхождении видов».
Термодинамикапревратилась в стройную феноменологическую теорию, описывающую в самом общемвиде энергетические процессы в любых системах; понятия, принципы, методытермодинамики оказались поистине всеобъемлющими.
Заключение
Современная наука исинергетика объясняют процесс самоорганизации систем следующим образом.
1. Система должна бытьоткрытой. Закрытая система в соответствии с законами термодинамики должна вконечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией.
2. Открытая системадолжна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия. В точкеравновесия система обладает максимальной энтропией и поэтому не способна ккакой-либо организации: в этом состоянии достигается максимум еесамодезорганизации. В состоянии, близком к равновесию, система со временемприблизится к нему и придет в состояние полной дезорганизации.
3. Фундаментальнымпринципом самоорганизации служит возникновение и усиление порядка черезфлуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения, системы от некоторогосреднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Но воткрытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временемвозрастают и в конце концов приводят к «расшатыванию» прежнегопорядка и возникновению нового. Этот процесс обычно характеризуют как принципобразования порядка через флуктуации. Так как флуктуации носят случайныйхарактер, то становится ясно, что появление нового в мире всегда связано сдействием случайных факторов. Об этом говорили античные философы Эпикур(341–270 до н.э.) и Лукреций Кар (99–45 до н.э.)
4. Возникновениесамоорганизации опирается на положительную обратную связь. Функционированиеразличных автоматических устройств основывается на принципе отрицательнойобратной связи, т.е. на получение обратных сигналов от исполнительных органовотносительно положения системы и последующей корректировки этого положенияуправляющими устройствами. В самоорганизующейся системе изменения, появляющиесяв системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что и приводит вконце концов к возникновению нового порядка и структуры.
5. Процессысамоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаютсянарушением симметрии. Так, мы уже видели, что при описании необратимых процессовпришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов вмеханике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями,приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.
6. Самоорганизация можетначаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующихмежду собой элементов, имеющих некоторые критические размеры. В противномслучае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны дляпоявления коллективного поведения элементов системы и тем самым возникновениясамоорганизации.
Можно сделать вывод, чточем выше по эволюционной лестнице система, тем более сложными и многочисленнымиоказываются факторы, играющие роль в самоорганизации.
Три закона термодинамикивместе с молекулярно-кинетической теорией составили основу термодинамики,сформировавшейся ныне в универсальную строго логическую научную дисциплину.
Глоссарий
Адиабатическиизолированная система — термодинамическая система, которая не обменивается сокружающей средой энергией в форме теплоты.
Внешние силы — это силы,действующие на тело извне. Под влиянием внешних сил тело или начинаетдвигаться, если оно находилось в состоянии покоя, или изменяется скорость егодвижения, или направление движения. Внешние силы в большинстве случаевуравновешены другими силами и их влияние незаметно.
Внутренняя энергия — полная энергия этого тела за вычетом кинетической энергии тела как целого ипотенциальной энергии тела во внешнем поле сил.
Механические системы — обладает определённым числом k степеней свободы и описывается с помощьюобобщённых координат q1, … qk.
Обратимый процесс — равновесный тепловой процесс называется обратимым, если его можно провестиобратно и в телах, окружающих систему, не останется никаких изменений.
Открытая система — система, которая взаимодействует с окружающей ее средой в каком-либо аспекте:информационном, энергетическом, вещественном и т. д.
Равнове́сныйтепловой процесс — тепловой процесс, в котором система проходит непрерывный рядбесконечно близких равновесных термодинамических состояний
Изолированная система(замкнутая cистема) — термодинамическая система, которая не обменивается сокружающей средой ни веществом, ни энергией. Молекулярно-кинетическая теория -
Тепловой процесс — изменение макроскопического состояния термодинамическойсистемы. Система, в которой идёт тепловой процесс, называется рабочим телом.
Тепловая энергия — форма энергии, связанная с движением атомов, молекул илидругих частиц из которых состоит тело.
Термодинамика — разделфизики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии.
Классическая механика — механика, в основе которой лежат Ньютона законы механики и предметом изучениякоторой является движение макроскопических материальных тел, совершаемое соскоростями, малыми по сравнению со скоростью света.
Квантовая механика — фундаментальная физическая теория динамического поведения всех элементарныхформ вещества и излучения, а также их взаимодействий. Квантовая механикапредставляет собой теоретическую основу, на которой строится современная теорияатомов, атомных ядер, молекул и физических тел, а также элементарных частиц, изкоторых все это состоит.
Энтропия — (от греч. ἐντροπία— поворот, превращение) — понятие, впервые введённое Клаузиусом в термодинамикедля определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклоненияреального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот,она является функцией состояния и остаётся постоянной при обратимых процессах,тогда как в необратимых — её изменение всегда положительно.
Именной указатель
Людвиг Больцман —австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики имолекулярно-кинетической теории. Член Австрийской академии наук (1895),член-корреспондент Петербургской академии наук (1899) и ряда других.
Джозайя Уиллард Гиббс —американский математик, физик и физикохимик, один из создателей векторногоанализа и математической теории термодинамики, что во многом предопределилоразвитие всех современных точных наук и естествознания в целом; чей образзапечатлён в «Галерее славы великих американцев». Его имя присвоеномногим величинам и понятиям химической термодинамики: энергия Гиббса, парадоксГиббса, правило фаз Гиббса — Гельмгольца, треугольник Гиббса — Розебома,уравнения Гиббса — Дюгема и др.
Гельмгольц Герман ЛюдвигФердинанд — немецкий естествоиспытатель, член Берлинской АН (1871). Р. вПотсдаме. Физические исследования относятся к электродинамике, оптике, теплоте,акустике, гидродинамике. В работе «О сохранении силы» (1847)сформулировал и математически обосновал закон сохранения энергии, отметив еговсеобщий характер, этому закону подчиняются механические, тепловые,электрические, физиологические и другие процессы. Разработал термодинамическуютеорию химических процессов, введя широко используемые понятия свободной исвязанной энергии.
Джеймс Прескотт Джоуль —английский физик. Джоуль изучал природу тепла, и обнаружил её связь смеханической работой. Это привело к теории сохранения энергии, что в своюочередь привело к разработке первого закона термодинамики. В честь Джоуляназвана единица измерения энергии — джоуль. Он работал с лордом Кельвином надабсолютной шкалой температуры, делал наблюдения над магнитострикцией, открылсвязь между током, текущем через проводник с определённым сопротивлением ивыделяющемся при этом теплом, названный законом Джоуля.
Карно Лазар Никола — французский математик, член Парижской АН (1796)… Труды по математическомуанализу и проективной геометрии. Выпустил книгу «Размышления о метафизикебесконечно малых».
Клаузиус Рудольф ЮлиусЭммануэль — немецкий физик, один из основателей термодинамики имолекулярно-кинетической теории теплоты. Первым понял и проанализировалглубокие идеи С. Карно и оценил их значение для теории теплоты и тепловыхмашин. Развивая эти идеи в 1850 дал первую формулировку второго началатермодинамики; «Теплота не может сама собою перейти от более холодноготела к более тёплому». К. доказал, что не существует способа передачитеплоты от более холодного тела к более нагретому без того, чтобы в природе непроизошло каких-либо изменений, которые могли бы компенсировать такой переход.В 1865 К. ввёл понятие энтропии.
Уи́льямТо́мсон, лорд Ке́львин — один из величайших физиков. Опубликовал рядработ по приложению рядов Фурье к вопросам физики, провёл важные аналогии междуявлениями распространения тепла и электрического тока и показал, как решениевопросов из одной из этих областей применить к вопросам другой области. Развилпринципы, которые затем плодотворно приложил ко многим вопросам динамическойгеологии, например, к вопросу об охлаждении земли.
Список использованнойлитературы
1. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания.- М.:Культура и спорт, ЮНИТИ, 2002
2. Савченко В.Н. Концепции современного естествознания.Учебное пособие. – Владивосток: изд-во ДВГАЭУ, 2001
3. Салопов Е.Ф. Концепции современного естествознания: Учеб.пособие для студ. высш. учеб, заведений. — М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2004