Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Набережночелнинский государственный педагогический университет (ФГБОУ ВО «НГПУ») Факультет математики и информатики Кафедра математики, физики и методик их обучения КУРСОВАЯ РАБОТА Принципы классической термодинамики 44.03.05 Педагогическое образование, профиль «Математика и физика» Руководитель Бурханова Ю.Н. (подпись, дата) Обучающийся Шуматова А.В. (подпись, дата) Набережные Челны, 2022 Группа 924 2 Оглавление Введение………..……………………………………………….………………………………………………….Ош ибка! Закладка не определена. Глава 1. Классическая термодинамика, ее возникновение и основные понятия………………………………………………………..………………...…4 1.1. Возникновение классической термодинамики ............................................. 4 1.2. Основные понятия классической термодинамики ....................................... 6 Глава 2. Законы классической термодинамики: сущность и содержание ...... 14 2.1. Первый закон классической термодинамики .............................................. 14 2.2.Второй и третий законы классической термодинамики ............................. 18 Заключение ............................................................................................................ 23 Список использованных источников .................................................................. 25 3 Введение Данная работа предназначена для рассмотрения вопросов, связанных с особенностью существования законов классической термодинамики и их значений в концепции нынешней физики. Актуальность этой темы обусловлена важностью классической термодинамики, чтобы формировать представление о существовании явлений в окружающем нас мире. Законы классической термодинамики являются конкретным этапом совершенствования представлений в сфере интерпретации природного явления с позиции восприятия физики. Это связано с тем, что в классической термодинамике изучается соотношение и преобразование тепла и других форм энергий. Такое знание становится весьма значимым в практической деятельности человека. Цель работы заключается в следующем: охарактеризовать суть и смысл законов классической термодинамики. Задачи: определить источники для написания работы; привести обзор базовых положений, касающихся принципов классической термодинамики; раскрыть значение законов и принципов классической термодинамики для формирования понимания о мире естественных явлений; подвести итоги. Следует подчеркнуть, что в системах естественнонаучных знаний в целом, а в особенности физических знаний, определённое место занимает термодинамика. В связи с этим в рамках этой науки проводится изучение общих свойств физической системы, находящейся в термодинамическом равновесии, и изучение процесса перехода между такими состояниями физической системы. 4 Глава 1. Классическая термодинамика, ее возникновение и основные понятия. Возникновение классической термодинамики 1.1. Зарождение классической термодинамики связано с изучением следующих проблем: 1. Поиск механического эквивалента тепла, т.е. попытка показать тепло как результат механического движения частиц, из которых состоят твердые тела, жидкости и газы. Эта проблема возникла в XVII-XVIII веках, но ее решение было найдено только в конце XIX века. 2. Изучение тепловых процессов в машинах, созданных промышленностью в конце XVIII века. и первая половина XIX века. Речь идет о паровых и электрических машинах. 3. Изучение обмена веществ, теплообмена в организмах. В первой половине XIX века появилась органическая химия, которая использовала знания неорганической химии о теплообмене во время химических реакций. Немецкий физиолог М. Рубнер (1854-1932) использовал законы классической термодинамики для изучения теплопередачи в микроорганизмах. 4.Трудности наблюдательной астрономии, которая интересовалась рассеиванием тепла в космосе. Ученые, которые специализировались на этих проблемах, не только жили в разное время и в разных странах, но и не работали по определенной программе, как это происходит в современной науке. Поэтому им не всегда было ясно, кто первым из них добился значительных результатов в решении упомянутых выше проблем. Например, немецкий врач Ю. Майер (18141878) считал, что он первым установил механический эквивалент тепла, а не физик Дж. Джоуль (1819-1888). Далее, во многих учебниках по истории химии начала ХХ века формирование атомистической идеологии в химии связывалось с именем английского химика Дж. Дальтона (1766-1844), тогда как за 67 лет до появления его работы по химии эта концепция уже была продемонстрирована М. Ломоносовым. 5 Изучение вышеуказанных проблем привело к введению в науку нового физического определения - термодинамической системы. Это система живых или неживых тел, частиц или молекул, состояние которой определяется значением ее термодинамических параметров (температуры, плотности и других). Например, вода может переходить из одного состояния в другое при изменении ее термодинамических параметров. Концепция термодинамической системы является обобщением двух концепций: а) концепция структуры всего существующего из атомов (твердого тела, газа, жидкости) б) результаты исследования так называемого броуновского движения. Он был открыт в 1827 году английским учителем ботаники Р. Брауном (17731853). Речь идет о случайном движении мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, под действием еще более мелких частиц жидкости или газа. Изучение этого движения доказало, что охлаждение среды этих частиц привело к уменьшению скорости взвешенных частиц, повышение температуры среды привело к увеличению интенсивности их движения. Эти исследования бросили вызов пониманию тепла как невидимой физической сущности, переходящей от одного тела к другому, и подтвердили иную точку зрения - о корпускулярной структуре материи. Эта точка зрения была сформулирована М. Ломоносовым в его труде "Размышления о причинах тепла и холода", согласно которому тепло появляется в результате трения частиц, из которых состоят все физические тела (твердые, жидкие, газообразные). Он утверждал, что эти частицы имеют сферическую форму и вращаются вокруг собственной оси. Ломоносову уже было известно о двух явлениях, физическая суть которых позже была описана другими исследователями в виде законов: закон сохранения массы, закон сохранения количества тепла при разложении и соединении в химических реакциях. Как выяснилось позже, концепции М. Ломоносова были известны Дж. Джоулю, частицы которого все еще имели колебательное движение. 6 1.2. Основные понятия классической термодинамики. Энергия. Термин "энергия" в прямом переводе с древнегреческого означает активность. Это введено в язык науки Я. Юнгом (1733-1829), который является одним из создателей волновой теории света, издателем теории поперечности световых волн и формулировки принципа интерференции. Широкое использование этого термина в языке науки связано с именем английского физика У. Томсона, известного как У. Кельвин. С присвоением ему титула барона в 1892 году за заслуги в становлении мировой и английской науки он стал называть себя Кельвином. Дж. Томсон (1856-1940) - родной сын У. Кельвина - также известный физик: дважды лауреат Нобелевской премии, открыл электрон (1897), измерил его заряд (1898), построил первую модель атома в 1903 году. У. Кельвин разработал шкалу абсолютных температур, открыл ряд физических эффектов и изучал проблему рассеивания энергии в связи с изучением структуры Вселенной на энергетическом уровне. С момента создания Г. Галилеем, в начале XVII века, было предложено несколько температурных шкал. Связь между абсолютной температурой по Кельвину (Т) с температурой по шкале Цельсия Cо проводится по формуле (1): Т = 273, 16 + t; t = Т- 273, 16. (1) В каждой из этих шкал была нулевая точка температуры, но в шкале Кельвина эта точка уже имела энергетическое значение. Шкала Г. Д. Фаренгейта (1686-1736). В этой шкале 0° - температура смеси льда, талой воды и поваренной соли, 32°F - температура плавления льда, 92°F температура человеческого тела. Шкала шведского астронома, врача Андерса Цельсия (1701-1744) была создана в 1742 году. В нем 0° - это температура 7 кипения воды при нормальном давлении, 100° - температура таяния льда. Шведский биолог К. Линней (1707-1788) переставил эти точки в обратном порядке и получил шкалу, называемую шкалой Цельсия (Cо). Принцип действия Шкалы Томсона (Кельвина) был разработан в 1848 году. По шкале Кельвина точка 0° равна 273,16°К и называется точкой абсолютного нуля. Это 1/273,16 часть температуры тройной точки воды: льда, воды и пара. Так как температура в классической термодинамике характеризует интенсивность движения частиц (элементов), составляющих термодинамическую систему, то при достижении термодинамической системой точки абсолютного нуля кинетическая энергия этих частиц тv2/2 и их потенциальная энергия (mgh) в сумме будет равна нулю (2), тv2/2 + mgh = 0, (2) где m - масса частиц (элементов), v - их скорость, g - гравитационная постоянная, А - высота в соответствующей системе отсчета. Энергия в этом случае становится неспособной, как уверял У. Кельвин, выйти из этого состояния за счет внутренних энергетических ресурсов, т.е. без влияния внешних сил. В конце ХХ века российские ученые проводили исследования по охлаждению атома в специально созданной установке. Это охлаждение достигло точки, близкой к абсолютному нулю, но физические свойства атома остались такими же, как при комнатной температуре. Работы в этой области продолжаются и в настоящее время, результаты этих работ могли бы пролить свет на физику образования атомов в далеком прошлом Солнечной системы и Вселенной в целом. Исторически в понятие энергии был заложен, как правило, абсолютный смысл. В частности, они говорили о физической силе, лежащей в основе концепции всего, что существует в мировом порядке. Например, в XVII веке Р. Декарт утверждал, что "количество движения в мире неизменно и постоянно". Г. 8 Лейбниц уверял, что "жизненная сила" как "внутренняя природа тел" не теряется при их взаимодействии. Они обсуждали кинетическую энергию, оставив вопрос об энергетической природе самих частиц, из которых, по их мнению, состоят все тела в мире. Идея энергии как жизненной силы была распространена рядом ученых на неодушевленные и живые тела. Немецкий исследователь Ю. Майер в своих работах начал изучать жизнедеятельность организмов как преобразование некой универсальной силы из одного вида энергии в другой: "растения поглощают одну силу - свет и генерируют другую силу - химическую разность" (из работы "Органическое движение и метаболизм" 1845 года). Он не использовал термин "энергия". К началу двадцатого века появилась школа, получившая название школы энергетизма. Ее видным представителем был выдающийся химик У. Оствальд (1853-1932). В этой школе энергия объяснялась в абсолютном смысле: все есть проявление энергии. Энергия - это "царица мира", единственная физическая реальность, все в мире является результатом эволюции энергии, включая живых существ и атомы. Но в этой школе не было математических, количественных представлений о физической связи между так понимаемой энергией с материей, физическим полем, атомом, электроном и катодными лучами, открытыми в XIX веке, а также рентгеновскими лучами и радиоактивным излучением. В начале двадцатого века А. Эйнштейн отразил эту связь в своей известнейшей формуле (3): Е= тс2, (3) где Е - энергия, т - масса, с - скорость света. Физический смысл этой формулы: масса - это энергия, энергия имеет массу. Эти два закона сохранения массы и сохранения энергии объединяются в один закон, закон сохранения массы - энергии. 9 Этот закон был сформулирован до появления квантовой механики, физики элементарных частиц, и был ответом на множество вопросов, которые возникают из идеологии представления энергии в абсолютном смысле, а именно: каков физический смысл связи между энергией и массой? как распространяется энергия - минимальными порциями или непрерывно? На первый вопрос отвечает формула (4): Е = тс2. (4) На второй вопрос отвечает гипотеза М. Планка (1858-1947) о квантах энергии. На третьем - физика элементарных частиц конца двадцатого и начала двадцать первого веков. Новизна классической термодинамики заключается в том, что она придала определенный физический смысл понятию энергии. Энергия термодинамической системы рассматривается как энергетическое состояние, которое формируется из энергии всех составляющих ее фрагментов. Эта теория рассматривает внутреннюю энергию термодинамических систем и законы преобразования и энергообмена при физическом взаимодействии систем такого типа. Тепло и работа в этой теории понимаются как формы передачи и обмена энергией, а не самой энергией: тепло - это хаотичное движение элементов термодинамической системы, работа - это направленный процесс упорядочения элементов системы. Чтобы изменить внутреннюю энергию термодинамической системы, необходимо подводить к ней тепло или воздействовать на нее за счет внешних сил. При таком изучении энергетических процессов все термодинамические системы делятся на два вида: а) закрытые (изолированные) б) открытые. Закрытые системы не обмениваются энергией с окружающей средой. Открытые системы не изолированы от окружающей среды. Клетка в 10 многоклеточных организмах характеризуется, с одной стороны, изолированной системой в отношении параметров поддержания ее целостной структуры и, с другой стороны, открытой, поскольку она обменивается энергией с другими клетками организма. Классическая механика также имеет дело с открытыми и закрытыми системами, но она имеет дело с энергией в форме механического движения, а не в форме тепла. Термодинамические системы согласно классической термодинамике могут находиться в трех состояниях: стационарном, равновесном и неравновесном. Стационарное состояние подразумевает, что показатели системы не изменяются с течением времени. Состояние равновесия возникает, когда термодинамические параметры имеют одинаковые значения для всех элементов системы. Один показатель также может быть принят во внимание в исследовании. Неравновесное состояние означает, что значение исследуемых параметров распределено случайным образом между элементами системы. Изучая взаимосвязь между термодинамическими параметрами различных термодинамических систем, классическая термодинамика сформулировала основные законы обмена, переноса и сохранения энергии и дала им статистическое обоснование. Эта теория называется феноменологической теорией (от слова "феномен" - явление), поскольку она не учитывает определенный физический состав термодинамической системы. Энтропия. Понятие энтропии (от греческого ep - в, внутри + trope - вращение, трансформация) как меры внутреннего беспорядка системы было введено Клаузиусом следующим образом. Любой процесс, неконтролируемо выполняющийся в закрытой изолированной системе, должен увеличивать это значение. Давайте рассмотрим, например, как изменится это значение при выравнивании температур в неравномерно нагретом теле. В этом процессе 11 определенное количество тепла перейдет от горячей части к холодной - одна сторона теряет, а другая получает такое же количество тепла. Энергия системы не изменится, но горячая часть системы будет терять тепло при более высокой температуре T1, чем холодная часть при температуре T2, которую она приобретает. Потеря энтропии горячей частью будет меньше, чем ее увеличение в холодной - энтропия всей системы увеличится. Энтропия кажется очень необычной характеристикой состояния термодинамической системы, но на самом деле это несколько иная характеристика системы, чем энергия. Если энергия является мерой некоторого потенциала системы для выполнения полезной работы, то есть упорядоченного действия, то энтропия является мерой качества энергии, то есть ее объективной способности выполнять работу без привлечения внешнего воздействия. Энтропия увеличивается с рассеиванием энергии, с увеличением беспорядка в системе, с увеличением хаоса. Статистическое понятие энтропии было впервые дано австрийским физиком Людвигом Больцманом (1844-1906). Людвиг Больцман объединил энтропию системы с вероятностью макроскопического состояния системы, где k - постоянная Больцмана, которая равна отношению универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро NA. Значение W - это количество способов, которыми данная система может быть реализована, и это значение определяет вероятность ее фактического внедрения. Порядок, который возникает в системе, ограничивает число ее возможных конфигураций и уменьшает вероятность ее существования в таком виде и энтропию. Смешивание, пространственное выравнивание концентраций увеличивает количество сценариев взаимного расположения определенных молекул, которые обеспечивают заданную конфигурацию, а повышение температуры или ее выравнивание увеличивает количество способов распределения энергии между частицами системы (молекулами), обеспечивая заданную среднюю энергию. Давайте рассмотрим концепции закрытых систем (которые могут обмениваться энергией с окружающей средой, но не материей) и открытых 12 систем (которые могут обмениваться как энергией, так и материей), чтобы завершить формулировку еще нескольких обозначений термодинамики. Для замкнутых систем в условиях постоянной температуры и объема закон увеличения энтропии становится законом уменьшения свободной энергии Гельмгольца F, который определяется равным следующему значению (5): F = E - TS, (5) где E - полная энергия. В случае постоянных температур и давления закон возрастания энтропии превращается в закон убывания свободной энергии Гиббса Ф (6): Ф = Н - TS, (6) где Н - энтальпия (от греческого enthalpo - нагрев), функция из независимых переменных есть давление и энтропия, которые однозначно определяют состояние физической системы. Энтальпия также называется термодинамическим потенциалом. Для открытых систем мы должны перейти к локальной формулировке второго закона термодинамики. Общее изменение энтропии открытой системы представляется как сумма двух слагаемых: где - изменение энтропии в результате внутренних процессов в системе; - изменение энтропии системы вследствие внешних (извне) причин - контакта с окружающей средой. Скорость изменения энтропии на единицу объема системы называется производством энтропии. Формулировка второго принципа предписывает, что производство энтропии всегда положительно. Илья Пригожин основал теорию диссипативных структур, одну из современных теорий самоорганизации, синергетики, теории катастроф, аутопоэза, теории сложности и т.д. на довольно сильном утверждении о минимальном производстве энтропии. 13 Эрвин Шредингер, один из основателей квантовой механики и квантового естествознания, который позже занялся проблемой жизни, показал, что живые организмы отдают энтропию внешней среде, то есть таким образом поддерживают свой гомеостаз, поглощая отрицательную энтропию - негэнтропию, как назвал это явление французский физик Леон Бриллюэн. Второй закон термодинамики, изложенный в формулировке Клаузиуса необратимые процессы в изолированных системах всегда идут с увеличением энтропии - сообщает нам, что все спонтанные процессы в изолированной системе приводят к увеличению хаоса и снижению качества энергии. То есть спонтанные процессы приводят к разрушению всех структур и угасанию всех процессов. 14 Глава 2. Законы классической термодинамики: сущность и содержание. 2.1 . Первый закон классической термодинамики. Смысловое "ядро" классической термодинамики состоит из соответствующих законов. Такие законы сформулированы как принципы, отражающие физические аспекты термодинамических систем, а также как научная оценка возможности создания вечного двигателя первого и второго рода. А.Ф. Лихин переходит к детальному изучению первых двух законов классической термодинамики. Первый закон, закон сохранения энергии, был открыт почти одновременно такими исследователями, как Ю. Майер и Дж. Джоуль. "Оба установили механический эквивалент тепла. Но Дж. Джоулю принадлежит приоритет в создании известной установки, в которой механическое движение винта под действием опускающихся грузов приводило к нагреву воды в сосуде", – пишет А.Ф. Лихин. В этой конструкции механическое перемещение в результате веса грузиков привело к интенсификации движения молекул воды, что, в свою очередь, вызвало повышение температуры жидкости. Кроме того, электрический эквивалент тепла был определен в Джоулях, что подтверждается следующим фактом: протекание электрического тока по проводнику вызывает нагрев последнего. Важно отметить, что работы Майера и Джоуля способствовали популяризации идей о механическом эквиваленте тепла. Тем не менее, уже в 1820-х годах аналогичные концепции были высказаны С. Карно, написавшим работу "О движущих силах огня и машинах, способных развивать эту силу" (1824 г.). С. Карно посвятил ряд своих работ изучению термодинамической природы круговых циклов. Круговые циклы - это термодинамические циклы, для которых характерно возвращение тела в исходное положение. Карно активно использовал концепцию идеального теплового двигателя, для которого выполняется условие 15 его изоляции от окружающей среды, от действия внешних сил. Основой для формирования такой машины являются обратимые термодинамические процессы. А.Ф. Лихин указывает: "Закон сохранения энергии формулируется следующим образом: энергия, поступающая в термодинамическую систему в виде тепла, должна быть равна сумме приращений внутренней энергии системы и работы, выполняемой системой против действия внешних сил. Этот закон раскрывает функциональный смысл понятия энергии термодинамической системы" Этот закон также может быть использован для оценки возможности создания вечного двигателя первого рода. Необходимо, прежде всего, отметить различия между вечными двигателями первого и второго рода. Вечный двигатель первого рода не извлекает энергию из окружающей среды. Вечный двигатель второго рода - это машина, которая уменьшает энергию теплового резервуара и полностью превращает ее в работу без каких-либо изменений в окружающей среде. Таким образом, вечный двигатель второго рода превращает в работу все тепло, которое извлекается из окружающих тел. Итак, закон сохранения энергии постулирует невозможность создания вечного двигателя первого рода, выполняющего работу без подачи энергии или выполняющего работу в количестве, превышающем количество энергии, подаваемой извне. С.Х. Карпенков также приводит список замечаний, важных в этом контексте. Любая термодинамическая система в том или ином состоянии характеризуется наличием внутренней энергии. Это энергия теплового (поступательного, вращательного, колебательного) движения молекул, а также потенциальная энергия их взаимодействия. Потенциальная возможность характеризуется двумя способами изменения внутренней энергии термодинамической системы в рамках взаимодействия с внешними телами. Такие методы включают в себя выполнение работ и теплообмен. Как часть процесса преобразования энергии, закон сохранения механической энергии показывает свое значение. Тепловое движение также 16 является механическим, но оно вызвано не направленностью, а случайностью. Следовательно, во всех процессах трансформации выполнение закона сохранения энергии как внешних, так и внутренних движений является неотъемлемой частью. Как подчеркивает С.Х. Карпенков, такой принцип лежит в основе первого начала термодинамики. Это можно сформулировать следующим образом: количество тепла, которое было передано организму, расходуется на увеличение внутренней энергии организма, а также на выполнение организмом работы. Таким образом, оказывается верным следующее равенство: "При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что является причиной невозможности полного преобразования энергии внешнего источника в полезную работу", С.H. Карпенков отмечает. В.А. Смолко отмечает, что первое положение может быть сформулировано несколькими способами: 1. Возникновение и разрушение энергии невозможно. 2. Любая система движения способна и должна трансформироваться в любую другую форму движения. 3. Внутренняя энергия - это однозначная форма состояния. 4. Вечный двигатель первого рода невозможен. 5. Бесконечно малые изменения во внутренней энергетической области завершают дифференциал. 6. Сумма количества тепла и работы не зависит от технологического процесса. Как подчеркивает Т.Я. Дубнищев, во второй половине XIX века закон сохранения и преобразования энергии стали рассматривать как универсальный закон природы. Также важно обратить внимание на то, что активное применение концепции энергии стало основой для распространения такого подхода, который предполагает изучение всех явлений и процессов природы в границах определенного единства. Определение "энергия" прочно вошло в нашу жизнь. 17 Энергия чаще всего понимается как способность тела выполнять работу. Лорд Кельвин признал, что силы могут исчезать и возникать, но энергия не уничтожается. Эта концепция также соответствовала его религиозным взглядам: он верил, что Творец в самый момент сотворения мира дал ему запас энергии, и этот Божий дар будет существовать вечно, в то время как эфемерные силы подвержены многим превратностям, и с их помощью ткань преходящих явлений сплетается в весь мир. 18 2.2. Второй и третий законы классической термодинамики. Второй закон классической термодинамики был сформулирован Р. Клаузисом. В соответствии с этой формулировкой тепло не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому телу. У. Кельвин продемонстрировал свою собственную интерпретацию этого закона: невозможно спроектировать периодически работающую машину, основным результатом которой был бы подъем груза за счет охлаждения теплового резервуара. Важность второго принципа термодинамики была оценена, в частности, такими известными учеными, одними из основоположников термодинамики неравновесных процессов, как И.Р. Пригожин. Пригожин подчеркнул, что в истории науки второй закон термодинамики сыграл выдающуюся роль, превзойдя его прямое применение к процессам, с которыми он имеет дело. Пригожин призывает оценить работу Больцмана (кинетическая теория), разработку Планком квантовой теории излучения и теорию спонтанного излучения Эйнштейна в контексте достижений второго закона термодинамики. Также важно подчеркнуть, что для того, чтобы прояснить физическое содержание второго закона термодинамики, Р. Клаузис использовал такое определение, как "энтропия". В интерпретации этого ученого энтропия соотносилась с мерой беспорядка изолированной термодинамической системы. В данном случае речь идет о переходе со временем такой системы в состояние, характеризующееся хаотическим движением элементов. М.К. Гусейханов, О.Р. Раджабов в учебнике "Концепции современного естествознания" отмечают: "Физический смысл энтропии и само понятие энтропии вводятся в физическую теорию для того, чтобы отличать в случае изолированных систем обратимые процессы, в которых энтропия максимальна и постоянна, от необратимых процессов, когда энтропия увеличивается». Второй принцип термодинамики, который характеризует направление тепловых процессов, также может быть обозначен как закон увеличения энтропии. В данном случае вышеупомянутый принцип формулируется 19 следующим образом: по отношению ко всем тепловым процессам, происходящим в замкнутой системе, энтропия системы увеличивается; в то же время максимальное значение энтропии замкнутой системы проявляется при тепловом равновесии. С.Х. Карпенков также подчеркивает, что любой тепловой процесс по сравнению с механическим движением интерпретируется свойством необратимости. Для этих процессов обратные процессы (те, в рамках которых одни и те же тепловые состояния реализуются в противоположном направлении) на самом деле невероятны. В этом причина такой специфики термодинамических процессов, как необратимость. Такие паттерны могут быть показаны на определенных примерах. Итак, когда соприкасаются два тела, характеризующиеся различными температурными показателями, тело, которое более нагрето, будет передавать энергию телу, температура которого ниже. В то же время обратный процесс, заключающийся в самопроизвольной передаче тепла от более холодного тела к более нагретому, оказывается невозможным. Другие процессы характеризуются аналогичным свойством необратимости. Например, вы можете взять сосуд, разделить его стенкой на две части и заполнить одну из частей газом. После снятия перегородки газ заполнит весь сосуд. Конечно, без внешнего воздействия газ не сможет полностью собраться в отдельной части сосуда. В этом смысле значимым является положение, согласно которому, система, свободная от постороннего вмешательства, при любых обстоятельствах будет стремиться к достижению состояния термодинамического равновесия, которое проявляется в наличии тел, находящихся в покое по отношению друг к другу, а также в равенстве температур и давления. В этом смысле равенство температур в произвольно выбранных точках является условием равновесия частей одной системы или нескольких систем как таковых. С.Х. Карпенков замечает: "Это положение называется нулевым началом термодинамики. Достигнув равновесия, система не выходит из него сама по себе. Это означает, что все термодинамические процессы, приближающиеся к 20 тепловому равновесию, необратимы. Все механические процессы, сопровождающиеся трением, также необратимы. Трение вызывает замедление движения тел, при котором кинетическая энергия преобразуется в тепло. Замедление эквивалентно приближению к состоянию равновесия, в котором нет движения тел." С.Х. Карпенков также указывает на невозможность протекания объективных процессов в таких системах тел, для которых характерно термодинамическое равновесие. Использование тел, находящихся в термодинамическом равновесии, не позволяет выполнять какую-либо работу, поскольку любая работа коррелирует с механическим движением, другими словами, с преобразованием тепловой энергии в кинетическую энергию. Это утверждение, которое усиливает невозможность получения работы с помощью тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, согласно S.H. Карпенков, дает ключ к пониманию второго принципа термодинамики. С.Х. Карпенков подчеркивает, что для всех природных процессов выполняется положение о переходе от порядка к хаосу. Энтропия действует как мера хаоса, увеличиваясь для естественных процессов. Следует также подчеркнуть: в связи с тем, что в классической термодинамике изменение в системе определяется увеличением ее энтропии, то саму энтропию можно рассматривать как специфическую стрелу времени. По этой причине говорят, что в термодинамике определение времени рассматривается в специфической форме, связанной с необратимостью процесса увеличения энтропии в системе. Важно также отметить, что в середине XIX века тема тепловой смерти Вселенной была дискуссионной. В рамках этого направления Р. Клаузиус, интерпретируя Вселенную как замкнутую систему, применил к ней второе начало термодинамики. Исследования привели Клаузиуса к следующему выводу: энтропия Вселенной неизбежно достигнет максимума. В этом смысле все формы движения рано или поздно трансформируются в тепловые. Переход тепла от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура любых тел 21 во Вселенной будет одинаковой. Именно по этой причине можно будет говорить о построении полного теплового равновесия. Такое состояние будет вызвано полным прекращением любых процессов во Вселенной. Такие последствия интерпретируются концепцией "тепловой смерти Вселенной". "Ограниченность такого вывода заключается в том, что нет смысла применять второй принцип термодинамики к открытым системам, к которым относится и наша Вселенная", - отмечает С.Х. Карпенков. Названный автор учебника, посвященного концепциям современного естествознания, также рассматривает вопросы, связанные с третьим принципом термодинамики. В.Г. Нернст сформулировал утверждение, обозначенное как тепловая теорема. В соответствии с этим положением при температуре абсолютного нуля энтропия принимает значение, которое не зависит от давления, агрегатного состояния и других характеристик вещества. Это значение может быть установлено равным нулю. В то же время оказывается важным, что теорема Нернста не является простым следствием первых двух принципов термодинамики. Именно по этой причине, а также из-за его общего характера, вышеупомянутое положение рассматривается как третий принцип термодинамики. С.Х. Карпенков подчеркивает, что теорема Нернста символизирует окончательное построение системы классической термодинамики. Однако обращение к актуальным естественнонаучным проблемам стало предпосылкой для формирования нового, весьма перспективного направления исследований. В частном случае имеется в виду неравновесная термодинамика. В этом смысле классическую термодинамику часто рассматривают как "прочитанную книгу". Тем не менее, термодинамики, степень а также знаний области общеизвестные применения принципы классической использования определенных положений не означают, что исследовательский энтузиазм в отношении классической термодинамики угасает. В равновесной термодинамике все еще существуют отрасли, которые будут представлять 22 значительный интерес для будущих поколений ученых. В частности, речь идет о термодинамике реальных тел, жидкостей, сжатых газов, кристаллов, химических процессов, дисперсных систем. 23 Заключение Итак, в рамках данной курсовой работы были поставлены и реализованы задачи, направленные на расширение понимания сущности и значения законов классической термодинамики. Этот вид знаний тесно связан с различными разделами изучаемой дисциплины. Следует отметить, что термодинамика изначально исследовала тепловые явления; после открытия закона сохранения и преобразования энергии в орбиту интересов этой области исследований начали активно входить преобразования энергии во всех ее разновидностях. В рамках термодинамики выделяется определенное количество утверждений, интегрирующих огромный опыт научного познания процессов, являющихся предметом термодинамики. Так называемое нулевое начало термодинамики тесно связано с понятием температуры. Можно сказать, что тепловое равновесие существует, когда одна система приводится в тепловой контакт с другой системой, однако потоки энергии не наблюдаются. Другими словами, если системы имеют одинаковую температуру, то системы находятся в тепловом равновесии. Первый принцип термодинамики интерпретируется как закон сохранения и преобразования энергии в изолированной системе. Этот принцип утверждает существование внутренней энергии. По этой причине этот принцип часто ассоциируется с принципом энергии. Впоследствии тепло и работа начинают рассматриваться как способы передачи энергии. Второй принцип термодинамики объясняет направление процессов в изолированных системах. Из-за своего содержания второй принцип часто называют принципом энтропии. Третий принцип термодинамики объясняет свойства веществ при экстремально низких температурах. Как следует из этого начала, невозможно охладить тело до температуры абсолютного нуля с помощью конечного числа процессов. 24 Значимость изучения различных теоретических концепций, характеризующихся значимостью в современном естествознании, объясняется рядом причин. Прежде всего, необходимо указать, что подобные закономерности, как правило, характеризуются критерием универсальности, применимости к описанию самых разных природных явлений. Это оказывается очень важным для практической, преобразующей человеческой деятельности. Кроме того, основные черты таких законов, а также метод, заложенный в исследовательских программах величайших ученых, составляют основу современного естествознания. Таким образом, изучение этих вопросов позволило нам естествознания. расширить наше понимание концепций современного 25 Список использованных источников 1. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. М.: Издательско-торговая корпорация "Дашков и Ко", 2008. 553 с. 2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов. университеты. 5-е изд., переиздание. и доп. М.: Издательский центр "Академия", 2003. 608 с. 3. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов. 6е изд., переиздание. и доп. М.: Высшая школа, 2003. 488 с. 4. Лихин А.Ф. Концепции современного естествознания: учебное пособие. М.: ТК Вэлби, издательство Проспект, 2006. 264 с. 5. Смолко В.А. Концепции современного естествознания: Монография. Челябинск: Изд-во ЮУРГУ, 2007. 769 с. 6. Лихин А.Ф. Концепции современного естествознания: учебное пособие. М.: ТК Вэлби, издательство Проспект, 2006. С. 71 7. Лихин А.Ф. Концепции современного естествознания: учебное пособие. М.: ТК Вэлби, Издательство Проспект, 2006. С. 72 8. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов. 6-е изд., переиздание. и доп. М.: Высшая школа, 2003. С. 130 9. Смолко В.А. Концепции современного естествознания: Монография. Челябинск: Изд-во ЮУРГУ, 2007. С. 267 26 10. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов. университеты. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Издательский центр "Академия", 2003. С. 139 11. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. М.: Издательско-торговая корпорация "Дашков и Ко", 2008. С. 280 12. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2003. С. 130-131 13. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2003. С. 133
