ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В КОСМИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГ |
САНКТ ПЕТЕРБУРГ 1999 |
||||||||||||||||
|
|
ГЛАВА 1 Термодинамическое описание равновесных изолированных (закрытых) макросистем |
||||||||||||||||
| 1.3 Первый закон термодинамики. Тепловая машина. | |||||||||||||||||
|
ОСНОВНАЯ ТЕМА На основании огромного эмпирического опыта был сформулирован первый закон термодинамики. ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ
СИСТЕМЫ ДОЛЖНО БЫТЬ РАВНО СУММЕ
КОЛИЧЕСТВ ТЕПЛА И РАБОТЫ, ПОЛУЧЕННЫХ
СИСТЕМОЙ ОТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ:
где dU - изменение внутренней энергии, dQ - количество тепла, переданное системе, dA* - работа совершенная над системой, Если обозначить dA* = -dA, то тогда dA - работа совершаемая системой. ИНТЕРЛЮДИЯ Исторически более традиционная
форма записи первого закона (5) имеет вид:
В этой форме записи закона (6) подчеркивается техническая и технологическая важность специального процесса теплопередачи (тепловая машина), в котором, за счет изменения количества теплоты в определенной системе тел, возможно совершение работы. Такого рода процесс является хорошей моделью многих антропогенных систем. Кроме того, тепловые машины являются хорошей моделью для многих процессов в биосфере. Поэтому рассмотрим эту форму закона более подробно. В этом процессе происходит теплопередача от одного макроскопического тела-нагревателя к другому макроскопическому телу-холодильнику через третье - рабочее тело. Рабочее тело это термодинамическая система, совершающая круговой процесс, то есть возвращающаяся в исходное состояние. При этом оно обменивается энергией с другими телами. Первый закон термодинамики для этого процесса: Q=dU+A. Пусть Q=Q1-Q2 это количество теплоты, сообщенное рабочему телу в круговом процессе. Это, когда сначала рабочее тело получает тепло (Q1) от нагревателя, а затем теплоизолируется и совершает работу (A), далее рабочее тело отдает тепло (-Q2) холодильнику и затем снова теплоизолируется, возвращаясь в исходное состояние. Учитывая, что в круговом процессе полное изменение внутренней энергии dU равно нулю, имеем: Q=dU+A=A или A=Q1-Q2. При этом рабочее тело способно совершать работу A над внешними телами. Такая система получила название тепловой двигатель. Условием совершения работы является превышение температуры нагревателя T1 над температурой холодильника T2 или, другими словами, превышение количества теплоты Q1, переданного от нагревателя рабочему телу, над количеством теплоты полученным холодильником от рабочего тела Q2. Количественно это выражается как A=Q1-Q2. Наличие более высокой температуры Т1 у нагревателя означает что случайные скорости молекул нагревателя велики по сравнению со случайными скоростями молекул холодильника. Рабочее тело машины устроено таким образом, что появляется возможность преобразовывать частично (использовать) случайные скорости молекул в одинаково направленные (коллинеарные). То есть "совершается работа". Это удается сделать благодаря одной подвижной стенки цилиндра, внутри которого расположено рабочее тело. При этом естественно доля молекул с большими случайными скоростями уменьшается. То есть температура уменьшается Т2<Т1. Для повторения цикла надо снова "нагреть" рабочее тело до температуры Т2 с помощью нагревателя. Первый закон термодинамики подчеркивает фундаментальную роль закона сохранения энергии. Нельзя построить периодически действующий двигатель, который совершал бы работу большую, чем та энергия, которая подводится к двигателю извне. Это процесс поддержания температуры нагревателя. Здесь, обычно используется, химические реакции (используется внутренняя энергия определенных химических соединений). Разность температур нагревателя и холодильника поддерживается за счет подачи дополнительной химической энергии извне. ПРИМЕР Характерным примером использования первого закона термодинамики в естествознании является знаменитая серия опытов, в которой живой организм помещался в калориметр Этурворта-Роза. В этом приборе измерялось количество тепловой энергии Q, которую выделял живой организм после принятия фиксированного количества пищи в процессе жизнедеятельности. Аналогичное количество пищи, сжигалось в калориметре и здесь, также регистрировалась выделяемая тепловая энергия. Замечательным оказалось равенство тепловой энергии выделяемой в обоих случаях. Отсюда был сделан вывод об аналогичности окислительных процессов при горении веществ и жизнедеятельности живых организмов. Указанный опыт проводился с предпосылкой, что внутренняя энергия U системы остается постоянной. ОСНОВНАЯ ТЕМА Следует особо отметить, что внутренняя энергия U является однозначной функцией термодинамического состояния системы. Значение внутренней энергии в любом состоянии не зависит оттого, с помощью какого процесса система пришла в данное состояние (dU - является полным дифференциалом). В отличии от внутренней энергии работа (dA) и количество теплоты (dQ) зависят не только от начального и конечного состояний системы, но и от пути (процесса), по которому происходило изменение состояния этой системы. Другими словами количество теплоты (Q) и работа (A) это физические величины, которые описывают способы преобразования энергии. Еще раз напомним, что фундаментальными физическими величинами, которые характеризуют различные формы энергии являются: полная механическая энергия тела (Wмех=Wкин+Wпот), кинетическая энергия тела (W кин), потенциальная энергия (Wпот) и внутренняя энергия (U) тела. Тело здесь рассматривается как термодинамическая система. В процессе передачи энергии от более горячего тела к более холодному возникает удивительная ассиметрия. Ибо прямой процесс теплообмена между взаимодействующими телами (то есть, когда горячее тело остывает, передавая некоторое количество теплоты более холодному телу, которое, таким образом, нагревается) происходит самопроизвольно. Нагревание горячего тела за счет передачи ему теплоты от более холодного тела самопроизвольно не происходит. Такого рода процессы теплообмена, при конечной разности температур, называются НЕОБРАТИМЫМИ процессами. Существование необратимых термодинамических процессов количественно описывается вторым законом термодинамики.
|
Аннотация Предисловие Мет. указания Введение |
||||||||||||||||
ГЛАВА 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 ГЛАВА 2 2.1 2.2 2.3 |
|||||||||||||||||
