Наука термодинамики

Автор: Пользователь скрыл имя, 17 Декабря 2012 в 15:46, контрольная работа

Описание работы

Как итог развития нелинейной неравновесной термодинамики появилась совершенно новая научная дисциплина синергетика - наука о самоорганизации и устойчивости структур различных сложных неравновесных систем: физических, химических, биологических и социальных.
В настоящей работе исследуется самоорганизация различных систем аналитическими и численными методами.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3
Основные понятия и исходные положения термодинамики……………...……5
Закрытые и открытые термодинамические системы…………………………...5
Нулевое начало термодинамики…………………………………………………7
Первое начало термодинамики…………………………………………………..8
Второе начало термодинамики…………………………………………………11
Обратимые и необратимые процессы…………………………………….……13
Энтропия…………………………………………………………………………15
Третье начало термодинамики……………………………………………….…18
Заключение……………………………………………………………………….20
Список используемых источников……………………………………………..21

Работа содержит 1 файл

КОНТРОЛЬНАЯ ФИЗИКА.doc

— 88.50 Кб (Скачать)

 

ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ  ПРОЦЕССЫ

Процесс перехода системы из состояния 1 в 2 называется  обратимым , если возвращением этой системы в исходное состояние из 2 в 1 можно осуществить без каких бы то ни было изменений окружающих внешних телах.

Процесс же перехода системы из состояния 1 в 2 называется  необратимым , если обратный переход системы из 2 в 1 нельзя осуществить без изменения в окружающих телах .

Мерой необратимости  процесса в замкнутой системе  является изменением новой функции  состояния - энтропии , существование  которой у равновесной системы  устанавливает первое положение второго начала о невозможности вечного двигателя второго рода . Однозначность этой функции состояния приводит к тому , что всякий необратимый процесс является неравновесным.

Из второго  начала следует , что  S  является однозначной функцией состояния. Это означает , что  dQ/T  для любого кругового равновесного процесса равен нулю. Если бы это не выполнялось , т.е. если бы энтропия была неоднозначной функцией состояния то , можно было бы осуществить вечный двигатель второго рода.

Положение о существовании у всякой термодинамической системы новой однозначной функцией состояния энтропии  S  , которая при адиабатных равновесных процессах не изменяется и состовляет содержание второго начала термодинамики для равновесных процессов.

Математически второе начало термодинамики для равновесных процессов записывается уравнением:

dQ/T=dS или dQ=TdS (1.3)

Интегральным  уравнением второго начала для равновесных  круговых процессов является равенство  Клаузиуса :

dQ/T=0 (1.4)

Для неравновесного кругового процесса неравенство Клаузиуса имеет следующий вид :

dQ/T <0 (1.5)

Теперь можно  записать основное уравнение термодинамики  для простейшей системы находящейся под всесторонним давлением:

TdS=dU+pdV (1.6)

Обсудим вопрос о физическом смысле энтропии.

 

ЭНТРОПИЯ.

Второй закон  термодинамики постулирует существование  функции состояния , называемой «энтропией» ( что означает от греческого «эволюция» ) и обладающей следующими свойствами :

а) Энтропия системы  является экстенсивным свойством . Если система состоит из нескольких частей , то полная энтропия системы равна сумме энтропии каждой части .

в)  Изменение  энтропии  d S  состоит из двух частей . Обозначим через  dе S  поток  энтропии, обусловленный взаимодействием  с окружающей средой , а через  di S - часть энтропии , обусловленную изменениями внутри системы , имеем

d S=de S +di S (1.7)

Приращение  энтропии  di S  обусловленное изменением внутри системы , никогда  не  имеет  отрицательное  значение .  Величина  di S = 0 , только тогда , когда система  претерпевает обратимые изменения , но она всегда положительна , если в системе идут такие же необратимые процессы.

Таким образом

di S=0 (1.8)

( обратимые  процессы );

di S  >0 (1.9)

( необратимые  процессы );

Для изолированной  системы поток энтропии равен  нулю и выражения (1.8) и (1.9) сводятся к следующему виду :

d S=di S>0 (1.10)

( изолированная  система ).

Для изолированной  системы это соотношение равноценно классической формулировке , что энтропия никогда не может уменьшаться , так  что в этом случае свойства энтропийной  функции дают критерий , позволяющий обнаружить наличие необратимых процессов . Подобные критерии существуют и для некоторых других частных случаев .

Предположим , что  система , которую мы будем обозначать символом 1 , находится внутри системы 2 большего размера и что общая система , состоящая системы  1 и 2 , является изолированной.

Классическая  формулировка второго закона термодинамики тогда имеет вид:

d S=d S1+d S2³0 (1.11)

Прилагая уравнения (1.8) и (1.9) в отдельности каждой части  этого выражения , постулирует , что            di S1 ³ 0 , di S2 ³ 0 

Ситуация при  которой   di S1 > 0  и  di S2 < 0  , а  d( S1 + S2 )>0 , физически неосуществима . Поэтому можно утверждать , что  уменьшение энтропии в отдельной  части системы , компенсируемое достаточным  возрастанием энтропии в другой части системы , является запрещенным процессом . Из такой формулировки вытекает , что в любом макроскопическом участке системы приращение энтропии , обусловленное течением необратимых процессов , является  положительным. Под понятием « макроскопический участок » системы подразумевается любой участок системы , в котором содержится достаточное большое число молекул , чтобы можно было принебреч микроскопическими флуктуакциями. Взаимодействие необратимых процессов возможно лишь тогда, когда эти процессы происходят в тех же самых участках системы .

Такую формулировку второго закона можно было бы назвать  « локальной » формулировка в  противоположность « глобальной » формулировка классической термодинамики . Значение подобной новой формулировке состоит в том ,что на ее основе возможен гораздо более глубокий анализ необратимых процессов .

 

ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ.

Открытие третьего начала термодинамики связано с  нахождением химического средства - величины , характеризующих способность  различных веществ химически реагировать друг с другом . Эта величина определяется работой  W  химических сил при реакции . Первое и второе начало термодинамики позволяют вычислить химическое средство  W  только с точностью до некоторой неопределенной функции . Чтобы определить эту функцию нужны в дополнении к обоим началам термодинамики новые опытные данные о свойствах тел . Поэтому Нернстоном были предприняты широкие экспериментальные исследования поведение веществ при низкой температуре .

В результате этих исследований и было сформулировано третье начало термодинамики :  по мере  приближения  температуры  к  0 К  энтропия всякой равновесной системы при изотермических процессах перестает зависить от каких-либо термодинамических параметров состояния и в пределе ( Т= 0 К) принимает одну и туже для всех систем универсальную постоянную величину , которую можно принять равной нулю .

Общность этого  утверждения состоит в том , что , во-первых , оно относится к любой  равновесной системе и , во-вторых , что при  Т стремящемуся к  0 К  энтропия не зависит от значения любого параметра системы. Таким образом по третьему началу,

lin[S(T,X2)-S(T,X1) ]=0 (1.12)

или

lim[dS/dX]T=0 при Т®0 (1.13)

где  Х - любой  термодинамический параметр (аi или  Аi).

Предельно значение энтропии , поскольку оно одно и тоже для всех систем , не имеет никакого физического смысла и поэтому полагается равным нулю (постулат Планка). Как показывает статическое рассмотрение этого вопроса , энтропия по своему существу определена с точностью до некоторой постоянной (подобно, например, электростатическому потенциалу системы зарядов в какой либо точке поля). Таким образом , нет смысла вводить некую «абсолютную энтропию», как это делал Планк и некоторые другие ученые.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Мы видели , что  необратимость времени тесно связана с неустойчивостями в открытых системах . И.Р. Пригожин определяет два времени . Одно - динамическое , позволяющее задать описание движения точки в классической механике или изменение волновой функции в квантовой механике . Другое время - новое внутренние время , которое существует только для неустойчивых динамических систем . Оно характеризует состояние системы , связанное с энтропией .

Процессы биологического или общественного развития не имеют  конечного состояния . Эти процессы неограниченны . Здесь , с одной стороны , как мы видели , нет какого-либо противоречия со вторым началом термодинамики , а с другой стороны - четко виден поступательный характер развития (прогресса) в открытой системе. Развитие связано , вообще говоря , с углублением неравновесности , а значит , в принципе с усовершенствованием структуры . Однако с усложнением структуры возрастает число и глубина неустойчивостей , вероятность бифуркации .

Успехи решения  многих задач позволили выделить в них общие закономерности , ввести новые понятия и на этой основе сформулировать новую систему взглядов - синергетику . Она изучает вопросы самоорганизации и поэтому должна давать картину развития и принципы самоорганизации сложных систем , чтобы применять их в управлении . Эта задача имеет огромное значение , и , по нашему мнению , успехи в ее исследовании будут означать продвижение в решении глобальных задач : проблемы управляемого термоядерного синтеза , экологических проблем , задач управления и других .

 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Базаров И.П.  Термодинамика. - М.: Высшая школа, 1991 г.

Гленсдорф П. , Пригожин И.  Термодинамическая теория структуры , устойчивости и флуктуаций. - М.: Мир, 1973 г.

Карери Д.  Порядок и беспорядок в структуре  материи. - М.: Мир, 1995 г.

Курдюшов С.П. , Малинецкий Г.Г.  Синергетика - теория самоорганизации. Идеи , методы перспективы. - М.: Знание, 1983 г.

Николис Г. , Пригожин И.  Самоорганизация в неравновесных  системах. - М.: Мир, 1979 г.

Николис Г. , Пригожин И.  Познание сложного. - М.: Мир, 1990 г.

Перовский И.Г.  Лекции по теории дифференциальных уравнений. - М.: МГУ, 1980 г.

Попов Д.Е.  Междисциплинарные  связи и синергетика. - КГПУ, 1996 г.

Пригожин И.  Введение в термодинамику необратимых  процессов. - М.: Иностранная литература , 1960 г.

Пригожин И.  От существующего к возникающему. - М.: Наука, 1985 г.

Синергетика , сборник  статей. - М.: Мир, 1984 г.

Хакен Г.  Синергетика . - М.: Мир , 1980 г.

Хакен Г.  Синергетика . Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах . - М.: Мир , 1985 г.

Шелепин Л.А.  В дали от равновесия. - М.: Знание, 1987 г.

Эйген М. , Шустер П.  Гиперцикл . Принципы самоорганизации  макромолекул . - М.: Мир , 1982 г.

Эткинс П.  Порядок и беспорядок в природе. - М.: Мир , 1987 г


 



Информация о работе Наука термодинамики