WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

... відкритий, безкоштовний архів рефератів, курсових, дипломних робіт

ГоловнаТехнічні науки → Закони термодинаміки і термодинамічні величини (функції) системи - Реферат

Закони термодинаміки і термодинамічні величини (функції) системи - Реферат

Реферат на тему:

Закони термодинаміки і термодинамічні величини (функції) системи

Закони термодинаміки стосуються термодинамічних систем — сукупності тіл, які можуть обмінюватись між собою і з іншими тілами зовнішнього середовища енергією і речовиною.

Термодинамічні величини (функції чи параметри) — це фізичні величини — характеристики стану системи, які взаємозв'язані в рівняннях стану системи. З деякими з них (тиск, об'єм, температура) ми вже знайомі. Тепер розглянемо складніші, зокрема "внутрішня енергія", "ентальпія", "ентропія", "енергія Гіббса", за допомогою яких формулюються термодинамічні закони.

Перший закон термодинаміки відображає всесвітній закон збереження енергії за перетворення тепла в роботу, і навпаки. Одне з його формулювань: тепло, яке підводиться до системи Q, може витрачатись на збільшення внутрішньої енергії (інтенсивності руху молекул або атомів) системи U і виконання нею роботи.

Якщо система з внутрішньою енергією переходить у стан з внутрішньою енергією , отримуючи із зовнішнього середовища тепло Q, то її внутрішня енергія становитиме . Але, якщо при цьому система виконуватиме роботу А над зовнішнім середовищем, то її внутрішня енергія зменшиться саме на величину А. , звідки зміна внутрішньої енергії , а підведене тепло .

Саме це рівняння і становить математичний вираз першого закону термодинаміки. Інколи можна зустріти запис , або , в якому А — робота, котра виконується над системою, що збільшує її внутрішню енергію. Для газової системи робота А, яку вона виконує, збільшуючи об'єм на , позначається добутком зовнішнього тиску Р на зміну об'єму — Рівняння зміни внутрішньої енергії матиме вираз:

Якщо зміна внутрішньої енергії системи, до якої надходить тепло, відбувається практично без зміни її об'єму, отже, без виконання роботи, то член рівняння буде дорівнювати нулю, що має місце за нагрівання твердої речовини чи рідини. Зміна внутрішньої енергії такої системи визначається за формулою: , де — молярна теплоємність; n — кількість молей; — різниця між кінцевою і початковою температурами.

Для хімічних реакцій (за ) зміна внутрішньої енергії дорівнюватиме тепловому ефектові, узятому з оберненим знаком.

А чи змінює якусь іще функцію системи теплота, котру втрачає чи поглинає система за зміни об'єму за постійного тиску, тобто виконуючи роботу, коли ? Така термодинамічна функція стану системи існує і називається ентальпією. Вона позначається буквою H і визначається рівнянням: , де p — внутрішній тиск системи (позначається малою літерою на відміну від P для зовнішнього тиску), U — внутрішня енергія системи (руху і взаємозв'язку атомів чи молекул).

Член рівняння pV — енергія системи, яка визначається простором V. Інколи її називають зовнішньою енергією.

Зміна ентальпії визначається рівнянням:

.

Підставивши замість його значення з виразу першого закону термодинаміки, отримаємо: .

У відкритих природних і хімічних технологічних процесах розширення системи відбувається за внутрішнього тиску системи p, який дорівнює зовнішньому атмосферному P, отже, .

Рівняння спрощується: .

Такий самий вираз матиме рівняння зміни ентальпії у системах хімічних реакцій у твердому або рідкому агрегатному стані, де зміни об'єму незначні. Отже, в таких реакціях поглинання чи втрата тепла ( чи ) дорівнюватиме зміні внутрішньої енергії системи, а зміна ентальпії матиме відповідний знак і . Звернімо увагу, що тепловий екзотермічний ефект реакції відносно ентальпії міняє знак , оскільки система втрачає енергію, а за ендотермічних реакцій навпаки: тепловому ефекту відповідає (система поглинає енергію).

Термодинамічна функція ентальпії. Знання величини ентальпії процесів природничих і технологічних систем дає змогу розраховувати напрямки їхнього розвитку, прогнозувати продукти хімічних реакцій і тепловий ефект. Для цього використовують показник стандартної молярної ентальпії утворення речовини — зміну за реакції утворення складної речовини з елементів за 298 К і тиску в 1 . Це позначають як . У табл. 13 наведені стандартні ентальпії утворення, а в табл. 14 — згоряння речовин.

Наведемо приклади використання таблиць для оцінки енергії сонця , поглиненої рослиною за утворення 1t біомаси. Звернімося до відомої реакції фотосинтезу глюкози:

.

Випишемо з табл. 13 значення стандартних ентальпій утворення сполук реакції, пам'ятаючи, що для простих сполук . Для реагентів: СО2 (– 393); Н2О (– 295,8). Для продукту: С6Н12О6 (– 1276); О2 (О).

Табл. 13

Таблиця 14

СТАНДАРТНА МОЛЯРНА ЕНТАЛЬПІЯ ЗГОРЯННЯРЕЧОВИН ЗА 298 К І ТИСКУ

Речовина

Речовина

Н2 (г)

– 285,8

С3Н8 (пропан)

– 2229,7

С (графіт)

– 393,5

С4Н10 (г) (бутан)

– 2879,6

С (алмаз)

– 395,4

С6Н6 (р) (бензол)

– 3267,4

СН4 (г) (метан)

– 890,2

С2Н5ОН (р) (етанол)

– 1367

С2Н4 (г) (етилен)

– 1410,9

С6Н12О6 (тв) (глюкоза)

– 2816

С2Н6 (г) (етан)

– 1559,7

Ентальпія реакції фотосинтезу дорівнюватиме різниці між cумою сполук продукту реакції і сумою ентальпій утворення реагентів. У цій конкретній реакції ентальпія становитиме:

. Отже, =. Відповідно на 1t біомаси (глюкози) кількість поглиненої сонячної енергії визначимо через пропорцію . Ця енергія еквівалентна 4500 електроенергії або 500 літрам бензину.

Підсумуємо визначення поняття ентальпії. Так само, як і внутрішня енергія, ентальпія характеризує стан речовини, але включає енергію, що витрачається на переборення зовнішнього тиску за її розширення, тобто на роботу розширення. Як і внутрішня енергія, ентальпія визначається станом системи і не залежить від шляху переходу з одного стану в інший. У системах, що в них у процесі переходу з одного стану в інший зміна об'єму незначна (тверді тіла, рідини), різниця між і буде також незначною (величина буде незначною порівняно з ).

Відкриття першого закону термодинаміки — перетворення тепла в роботу, до якого вчені наближались протягом життя кількох поколінь, завершилось працями Мейєра і Джоуля. Відкрилися нові горизонти пізнання природи, але саме цей закон водночас і позбавив людство фантастичної мрії — винайти засіб отримати роботу без витрати енергії. Від того часу патентні служби всіх країн світу відмовились реєструвати винаходи "вічного двигуна — perpetuum mobile". Розпрощавшись назавжди з такою мрією, людство задалося вже іншим питанням: як саме все тепло, котре надходить у систему, перетворити на роботу? Чи можливо це?

Відповідь дає другий закон термодинаміки, честь відкриття якого належить французькому інженерові і науковцю-фізику С. Карно (1796 — 1832). Цікаво, що С. Карно для розрахунку теплової машини використав помилкову ідею уявлення про тепло як про речовину, що тече від одного тіла до іншого. Сам він працював над водяними двигунами (водяні млини та інші машини такого роду), котрі працювали через різницю рівнів води "на вході" і "на виході". Уподібнивши теплові машини водяним, С. Карно, котрому не було ще 30 років, сформулював, на перший погляд просту, але справді геніальну думку: для виконання роботи тепловою машиною необхідна різниця температур робочого тіла (пари) "на вході" і "на виході" з машини. Як бачимо, аналогія з водяним двигуном визначила успіх підходу до відкриття другого закону термодинаміки.

Ми не будемо тут наводити опис дослідів з "ідеальною тепловою машиною", яка забирає теплоту від нагрівача і віддає холодильнику, дослідів, які дали змогу визначити знаменитий "Цикл Карно" (рис. 16). Наведемо лише (для допитливих) кілька загальних розрахунків роботи такої ідеальної теплової машини (розрахунок роботи ізотермічного процесу вже наводився).

Рис. 16. Цикл Карно ідеальної теплової машини

На першому відрізку циклу (І—ІІ) ідеальний газ за незмінної початкової температури підігрівача, від якого надходить тепло, виконує роботу А ізотермічного розширення:

.

Робота на цій ділянці виконується тільки за рахунок тепла, яке надходить до системи, оскільки за — внутрішня енергія газу також не змінюється. Отже, можна записати: .

Loading...

 
 

Цікаве