5. Применение первого закона термодинамики к различным процессам

Рассмотрим применение первого закона термодинамики к различным процессам:

а) изотермический процесс: , поэтому ; понятие теплоемкости тела для такого процесса не применяется (С ).

б) изохорный процесс: , газ работы не совершает (А=0), поэтому вся подводимая теплота идет на изменение внутренней энергии: ; молярная теплоемкость при постоянном объеме:

.

2.35

используя выражение ( 2 .27), получаем, что для идеального газа

.

2.36

в) изобарный процесс: подводимое тепло расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение работы, которая в этом процессе определяется из формулы A=pV (см. 2 .28, 2 .29), поэтому первое начало имеет вид:

молярная теплоемкость при постоянном давлении

.

Из уравнения Менделеева-Клапейрона следует, что для одного моля газа . Тогда с учетом ( 2 .36) имеем:

.

2.37

г) адиабатный процесс происходит без теплообмена с окружающей средой ( ), газ совершает работу за счет изменения внутренней энергии: . Адиабатными могут считаться процессы, происходящие в теплоизолированных системах, либо протекающие так быстро, что теплообменом можно пренебречь.

Уравнение адиабатного процесса (вывод здесь не приводится):

pV =const,

2.38

где – постоянная адиабаты.

6. Второе начало термодинамики. Обратимые и необратимые процессы

Первое начало термодинамики налагает определенные ограничения на возможность осуществления процессов, требуя сохранения энергии. Однако не всякие процессы, не противоречащие первому началу, на самом деле происходят. Не происходит процессов передачи тепла от холодного тела к горячему, газ в сосуде всегда заполняет предоставленный объем и не происходит самопроизвольной концентрации газа в одной из частей сосуда.

Такие процессы запрещаются вторым началом термодинамики. Существует несколько эквивалентных формулировок второго начала.

1. Невозможен такой процесс, единственным результатом которого было бы передача теплоты от менее нагретого тела более нагретому.

2. Невозможен такой процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу.

Подчеркнутые в формулировках слова имеют важный смысл. Передача теплоты от менее нагретого тела более нагретому возможна (например, в холодильниках), но этот процесс обязательно сопровождается другими процессами. Превращение теплоты в работу возможно, но невозможно построить такую машину (вечный двигатель второго рода), которая бы всю получаемую теплоту превращала в работу.

Обратимым называется процесс, для которого возможен переход из конечного состояния в начальное через те же состояния, что и в прямом процессе, причем если система возвращается в исходное состояние, то в окружающих телах и самой системе не происходит никаких изменений. Процессы, не удовлетворяющие эти условиям, называют необратимыми. Явление диффузии – пример необратимого процесса. Лишь чисто механические движения, происходящие без трения, обратимы, например колебания маятника в вакууме при отсутствии трения в подвесе.

Реальные процессы в природе, сопровождающиеся рассеянием энергии из-за трения, теплопроводности и т. п., всегда необратимы. Обратимые процессы есть идеализация процессов природы, протекающих столь медленно, что необратимыми явлениями для них можно пренебречь.