1598005370-70491a7283ca3540dddce2de932120e0 (811201), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Так, с давних времен реки и водопады приводят в движение мельничные колеса; ветер вращает крылья ветряных мельниц; электрический ток приводит в движение электромоторы и т.д, Любой, самопроизвольно происходящий природный процесс можно с помощью соответствующих устройств использовать для получения ра- боты. Спонтанно (самопроизвольно) протекающие процессы не обязательно производят работу — они только таят в себе эту возможность, которая при определенных условиях может быть реализована.
Вода, реки, ветер или молния, возникающая вследствие разности электрических потенциалов, в общем не производят никакой полезной работы (их энергия рассеивается в форме тепла), но если вести процесс надлежащим образом, используя турбину, ветряной двигатель или электрический мотор, то полезную работу получить можно. При этом величина производимой работы зависит не только от самого процесса (например от количества воды„ протекающей в единицу времени через водопад, или от его высоты), но и от параметров устройств, используемых для превращение энергии в работу.
Так, на одной и той же реке старое, вращающееся с большим трепнем мельничное колесо производит меньше работы, чем современная, даже небольшая гидростанция. Мы уже видели, что только самопроизвольно протекающий процесс при использовании соответствующих устройств обеспечивает возможность получения работы. Справедливо и обратное утверждение: в определенных условиях самопроизвольно может протекать только такой процесс, который при помощи соответствующего устройства способен давать работу.
На основании этого утверждения можно, например, предсказать, что произойдет, если открыть кран резервуара, расположенного на некоторой высоте. Потечет ли вода вверх, или вниз, или„может быть, растечется горизонтально7 Для этого только нужно установить, в каком случае текущая вода сможет произвести работу. Разумеется, что она сможет произвести работу лишь в том случае, когда вода потечет вниз, следовательно, она должна течь вниз.
Если при определенных условиях процесс нельзя использовать для получения работы, даже если вести его обратимо, то этот процесс не может идти самопроизвольно. В таком случае мы говорим, что при данных условиях существует равновесие. Если изменятся условия, то равновесие может быть нарушено. Уравнение Гиббса-Гельмгольца От каких факторов зависит возможность получения работы при каком-либо процессе? Исходя из каких данных, можно рассчитать максимально возможную работу процесса7 Эти проблемы мы будем рассматривать прежде всего применительно к химическим превращениям.
В связи с 'получением работы при химических процессах справедливо поставить вопрос, возможен ли полный перевод в работу внутренней энергии, освобождающейся при химических превращениях. Вследствие рассеяния энергии при реальных, то есть необратимых процессах только часть' освобождающейся внутренней энергии превра- 76 щается в работу, а остальная рассеивается в виде термической энергии. До некоторой сгепени возможность более полного превращения освобождающейся энергии в работу зависит от технического совершенства оборудования, предназначенного для получения работы.
Возможно ли полное превращение в работу освободившейся в обратимом процессе внутренней энергии? В соответствии с первым началом термодинамики изменение внутренней энергии системы (съ ()), работа (А) и тепло (О), которым система обменивается с окружающей средой, связаны соотношением ЛП=()+А. (5) При уменьшении внутренней энергии Л () отрицательно (Л П<0), если данная материальная система производит работу„то А отрицательна, и если тепло переходит в окружающую среду, то Я отрицательно. Однако первое начало термодинамики ничего не говорит о том, какими факторамн определяются величины самих слагаемых в формуле (5). Может ли Я равняться нулю? Это означало бы, что освобожденная в химическом процессе энергия полностью перешла в работу.
Из первого начала термодинамики невозможно определить, при каких условиях А<0, следовательно, в каком направлении идут процессы. В какой-то степени ответ на этот вопрос дает второе начало, которое позволяет определить направление перехода термической энергии. Согласно второму началу, часть тепла Я, отобранного в циклическом процессе у тела с абсолютной температурой Тз, превратится в полезную работу только в том случае, если остальная его часть будет отдана телу с температурой Ть Максимальная работа, которая может быть получена при обратимом процессе, определяется формулой Тг - Т1 Ап=-Я Т2 Если количество тепла Я, переходящее от тела с температурой Т+6Т(=Тз) к телу с температурой Т(=Т1), бесконечно мало, то полученная при этом максимальняа работа (6А ) также бесконечно мала.
По второму закону йТ ДАч =-Я вЂ”, (б) Т 77 дА откуда () = — Т вЂ” . (7) бт Бели мы введем это выражение в уравнение (3, то получим дАы А П =Ав-Т— ЙТ Таким образом, максимальная работа обратимого процесса оА А„= Ь () + Т вЂ” . (8) дТ Следовательно, максимальная работа зависит от температуры. В уравнении (8) дА выражает увеличение максимальной работы данного процесса при повышении температуры на бТ. В простейшем случае дА ЯТ вЂ” это увеличение максимальной работы прн повышении температуры на один градус, другими словами, ЙА оТ вЂ” температурный коэффициент максимальной работы.
Уравнение (8), называемое урпвнением Гиббса-Геяьмголыр, объединяет первое и второе начала термодинамики. Оно показывает, что А, полученная при химической реакции и даже при обратимом ведении процесса не равна высвобождавшейся внутренней энергии <П3; так как температурный коэффициент в общем случае не равен нулю, в исключительных случаях этот коэффициент все же может равняться нулю (дА ЫТ=О), тогда А = Ь Х7, н освобождающаяся в обратимом процессе внутренняя энергия полностью превращается в работу.
Свободная энергия Температурный коэффициент максимальной работы в большинстве случаев положительный, вследствие этого внешняя работа, совершаемая в какам-либо процессе, несколько меньше освободившейся внутренней энергии. Поэтому даже в обратимом процессе часть энергии самопроизвольно в форме тепла переходит в окружающее пространство. Часть энергии, превращенная в обратимом процессе в работу, называется изменением свободной энергии, а часть, превращенная в тепло, — изменением связанной энергии.
Таким образом, изменение свободной энергии (при постоянной температуре) равняется максимальной работе. В описанном примере изменение свободной энергии меньше, чем общее уменьшение энергии (А Б). Температурный коэффициент максимальной работы бывает и отрицательным. В этом случае максимальная работа больше, чем уменьшение внутренней энергии: такие химические реакции, если вести их обратимо, превращают в работу не только освобоящающуюся внутреннюю энергию (в основном химическую), но и некоторую часть терми яеской энергии окружающей среды, С учетом полученного соотношения между максимальной работой и внутренней энергией системы мы можем сделать следующее заключение. Процессы протекают самопроизвольно в том направлении, в котором изменение свободной энергии идет в сторону ее уменьшения (система производит внешнюю работу). Это одно из основополагающих определений термодинамики, оно позволяет путем расчетов заранее установить, в каком направлении в заданных условиях пойдет самопроизвольный про-, цесс в системе, состоящей из данных, веществ.
Точное предсказание направления процесса позволяет рассчитать максимально возможную при определенных условиях работу, Температурный коэффициент максимальной работы„как правило, мап. Поэтому изменение свободной энергии (при комнатной температуре) незначительно отличается от общего изменения энергии.
з 8. ХАОТИЧНОСТЬ И УПОРЯДОЧЕННОСТЬ В МИРЕ МОЛЕКУЛ Состояние молекул в газах, определяемое их расположением, а также величинами и направлениями скоростей теплового движения, хаотично. Однако это состояние не является абсолютна хаотичным: в реальных условиях молекулы газа находятся под действием силы тяжести, направленной к центру Земли. Если бы на молекулы действовала только эта сила, они все собрались бы на дне сосуда, то есть в известном смысле упорядочились бы. С другой стороны, вследствие теплового движения моле- куды газа, заключенного в сосуде, с одинаковой вероятностью могут находиться в щобом месте этого сосуда (наблюдается равномерное среднее распределение молекул в сосуде с газом), Однако действие силы тяжести приводит к тому, что в нижних слоях молекулы расположены более плотно, чем в верхних, там создается некоторое подобие упорядоченности.
Поэтому плотность и давление газа (пропорциональны числу молекул в единице объема) уменьшаются с высотой. При неболыпой высоте сосуда этим, так называемым барометрическим перепадом давления, или перепадом плотности, еще можно пренебречь, но при больших высотах разница очень значительна. Например, иа высоте 5400 м давление составляет лишь 0,5 атм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
