1.7. Теплоемкость газов

Теплоемкость С газов характеризует способность вещества воспринимать теплоту при нагревании или отдавать при охлаждении и служит для определения количества теплоты, подводимой(отводимой) газу при осуществлении термодинамических процессов. Теплоемкость зависит от температуры и давления.

Таким образом, теплоемкость – это количество теплоты поглащаемой (отдаваемой) телом при бесконечно малом изменении температуры, т.е.

C=dQ/dT (Дж/К)

Поскольку С зависит от массы или объема тела, то на практике различают:

удельную массовую теплоемкость: , Дж/кгК (малые С),

удельную объемную теплоемкость: , Дж/м³К ,

и удельная мольная теплоемкость , Дж/мольК,

где µ- молекулярная масса.

Причем взаимосвязь между рассмотренными теплоемкостями следующая

и С’=Cρ_н

где ρ_н – плотность РТ при нормальных условиях.

Количество тепла, участвующего в процессе, а следовательно и теплоемкость зависят от вида процесса, поэтому на практике чаще всего используют изохорную теплоемкость c_v (при V=const) и изобарную теплоемкость c_р ( при р=const). Эти теплоемкости связаны между собой следующим образом

c_р - c_v= R, КДж/кгК, а ,

где к – показатель адиабаты

µc_р- µc_v=8,314; КДж/КмольК

Теплоемкость РТ, в первую очередь двух и многоатомных газов, в значительной степени зависит от температуры, поэтому на практике различают истинную и среднюю теплоемкости. Истинной теплоемкостью называют предел отношения

а средней теплоемкостью называют отношение

где t₁ и t₂ – температуры начала и конца рассматриваемого процесса.

1.8. Второй закон термодинамики

Если первый закон является основой для количественной оценки преобразования энергии, то второй закон характеризует эти процессы с качественной стороны. Он устанавливает возможность осуществления термодинамических процессов, определяет условия взаимного преобразования теплоты и работы.

Он основан на факте, что теплота в самопроизвольном процессе переходит от горячих тел к холодным (постулат Р.Клаузиуса). Другими словами: реальные самопроизвольные процессы протекают в направлении от более высокого потенциала к более низкому, причем система стремится прийти в состояние термодинамического равновесия с окружающей средой. В более широком смысле: второй закон термодинамики утверждает, что все реальные процессы является необратимыми.

Необратимые процессы в изолированной среде протекают таким образом, что энтропия системы всегда возрастает, то есть dS>0.

Все процессы, протекающие с трением, являются необратимыми. Так работа, затраченная системой на преодоление сил трения, необратимо преобразуется в теплоту, а последняя самопроизвольно распределяется между взаимодействующими телами. Это приводит к тому, что система приходит в новое равновесие с окружающей средой. Из указанного состояния она может выйти только при наличии внешних воздействий. Для изолированной системы, в которой протекают равновесные процессы dQ=dST=0, таким образом, поскольку T≠0, то S=const. Обратный самопроизвольный процесс преобразования теплоты в механическую работу невозможен.

Процесс теплообмена между телами, протекающий при конечной разности их температур, является неравновесным и необратимым, а энтропия изолированной системы, включающей эти тела, возрастает.

Покажем это: пусть в необратимом процессе ТС сообщается количество теплоты dq, тогда изменение энтропии в ТС и окружающей среде будет соответственно dS. Ввиду того, что T_e>T_i, /dS_i/>/dS_e/, но dS_i убывает, a dS_i возрастает. Причем энтропия ТС возрастает в большей степени, чем убывает энтропия окружающей среды. Откуда (dS_i+dS_e)>0, то есть суммарная энтропия взаимодействия возрастает.

Из формулировки Томпсона второго закона термодинамики следует, что не вся теплота, полученная от теплоотдатчика, может быть преобразована в работу, а только некоторая ее часть; остальная теплота должна перейти в теплоприемник (холодильник). Это означает, что нельзя построить тепловой двигатель, работающий только при наличии теплоты. Такой воображаемый двигатель, который мог бы превращать вею теплоту в работу, Оствальд назвал вечным двигателем второго рода. Поэтому из второго закона термодинамики следует, что вечный двигатель второго рода нельзя реализовать.