Тема 1. 5. Первое и второе начала термодинамики

 Мы приступаем к изучению основных законов термодинамики, которые принято называть началами.

 Эти начала исторически были открыты в одно  время. Если первая трактовка 1-го начала дана в 1842году, то 2-е начало было сформулировано в 1850году. С точки зрения физики 1-е начало это закон сохранения энергии в термодинамической форме, а 2-е начало описывает ограничения, накладываемые на закон сохранения термодинамикой.

1-е начало можно сформулировать так: «вечный тепловой двигатель 1-го рода создать нельзя». 2-е начало – «вечный тепловой двигатель 2-го рода создать нельзя» Как видим, формулировки очень похожи.

 Таким образом, эти начала неразрывны между собой и, я считаю, что они обязательно  должны изучаться совместно.

 Кроме того за годы разработки начал произошло наслоение различных определений и выводов.

При изучении этой темы мы сначала рассмотрим качественные аспекты, а к количественной оценке начал перейдём в следующих вопросах. При качественном рассмотрении темы мы почти не будем касаться математических выводов, а ограничимся только историческими и физическими рассуждениями.

В первой половине 19 века наблюдается бурное развитие паровых машин, в то же время теоретические исследования в области термодинамики находились в зачаточном состоянии. Это связано с тем, что не было ответов на следующие вопросы:                      - что такое теплота;                                               - как в тепловой машине тепло превращается в механическую работу;                                         -куда девается часть подведённого к машине тепла и почему она не участвует в создании работы;                                                                    -каким образом осуществлять анализ работы тепловых машин, что брать при этом за основу;                                                                         -какой параметр контролирует теплообмен в тепловой машине.

Первые попытки ответить на поставленные вопросы сделал французский инженер Сади Карно в 1824 году. В своём единственном труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах способных развивать эту силу» он сделал следующие выводы:                              -полезная работа производится при переходе тепла от нагретого тела к более холодному, она обусловлена разностью температур нагревателя и холодильника и не зависит от природы вещества;                                              -любая работа может полностью переходить в тепло, а для получения работы из тепла необходима машина-преобразователь (пример).                                                                        Карно ввёл понятия: -идеальная тепловая машина; -идеальный цикл тепловой машины; -необратимые термодинамические процессы; -КПД тепловой машины.

 Карно считал, что тепловая машина сравнима с гидравлической и отличается от неё только тем, что в ней вместо падения жидкости с высоты, падает температура от высокого значения до низкого. Он предложил схему тепловой машины

Горячий источник теплоты

                                                                                                        

Рабочее тело

                                     

Холодный источник теплоты

 

 

Этой схемой пользуются до настоящего времени. Карно доказал, что КПД зависит только от начальной и конечной температуры рабочего тела .                                        Карно стоит у истоков термодинамики, но после него в течение 20 лет подвижек в теории термодинамики не было, т.к. будущие великие учёные (Джоуль, Ленц, Томсон, Майер, Клаузиус, Геймгольц и др.) ещё не вышли из детского возраста.

Большой вклад в разработку всей термодинамики сделал Джоуль (1818-1889г). Он совместно с Томсоном занялся разработкой теории теплоты. До начала 19-го века учёные считали, что тепло появляется за счёт существования теплорода – тепловой материи в виде невесомой, несжимаемой жидкости, находящейся в телах. Это такое же заблуждение как флогистон – вещество создающее горение или эфир – среда распространения электромагнитных волн.   В своей работе Джоуль установил, что теплота связана с мельчайшими частицами вещества и их движением, т.е. теплота – это тепловое движение молекул и атомов. Джоуль и Томсон предположили, что тепловое движение и взаимодействие молекул и атомов составляют внутреннюю энергию тела.

1.5.1. Внутренняя энергия тела.

В технической термодинамике рассматривают преобразование только тепловой энергии и поэтому, внутренняя энергия тела является суммой внутренней кинетической и внутренней потенциальной энергий.

Кинетическая энергия определяется хаотическим движением частиц тела. С увеличением скорости их движения она увеличивается. Но температура тела тоже определяется скоростью движения частиц этого тела, поэтому изменение температуры тела в процессе означает изменение внутренней кинетической энергии.

Потенциальная энергия определяется силами взаимодействия между частицами тела.

Абсолютное значение внутренней энергии тела определить невозможно (отсутствует начальная точка отсчёта). Всю внутреннюю энергию в термодинамическом процессе использовать невозможно, поэтому достаточно знать, как изменилась энергия в данном процессе.

            [Дж]                                       изменение удельной внутренней энергии      

         [      (5.1)

В 1843 году Джоуль сформулировал весьма важный закон идеальных газов                      «внутренняя энергия идеального газа зависит лишь от температуры этого газа», т.к.               T–параметр состояния, то U идеального газа тоже будет параметром состояния.

1.1.5. Принцип эквивалентности

Джоуль экспериментально доказал, что между теплом и механической энергией есть взаимосвязь. Проделанные опыты показали наглядно эту связь. Они проводились в период с 1843г. по 1850г. и позволили сформулировать принцип эквивалентности.

Установление этого принципа–наиболее трудный этап в формировании первого начала (закона) термодинамики. Им занимались: академик Гесс (1840г.), Джоуль(1843г.), Майер(1842г.), Геймгольц(1847г.)

Джоуль определил, что между затраченной работой и полученным теплом существует зависимость                                                                                           ,        (5.2)

где А – коэффициент пропорциональности, он сохраняет постоянное значение независимо от вида работы, пути получения тепла, температуры тела и т.д. Этот коэффициент получил название теплового эквивалента работы. Величина, обратная коэффициенту А, называется механическим эквивалентом теплоты.

Таким образом, если разные виды энергии взяты в таких количествах, что каждый из них вызывает одно и то же изменение системы, то указанные количества разных видов энергии будут являться эквивалентными.

Первое начало термодинамик и было сформулировано Майером в 1842году «невозможно создать вечный тепловой двигатель 1-го рода».                                          В более ясной форме оно сформулировано Геймгольцем в 1847году «Невозможно построить такую машину, с помощью которой можно было бы получить полезную работу без затрат энергии из вне, т.е. черпая энергию из ничего.

 Подобное устройство называется вечным двигателем первого рода, построение и работа которого в соответствии с законом сохранения энергии невозможно.»

 

  Первый закон (первое начало) термодинамики в общем виде представляет собой закон сохранения и превращения энергии. Этот закон налагает строгое условие на все процессы природы, которые при всём их многообразии ограничены условием сохранения энергии.

Дадим несколько формулировок закона.