Основные законы термодинамики.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 7Следующая ⇒

Основные процессы в растительном мире - процессы поглощения лучистой энергии солнца, распределения и использования ее для обеспечения жизнедеятельности и роста организмов - являются в первую процессами энергетическими. Как ни сложны эти процессы, как ни скрыты от нас сегодня их механизмы, - все они подчиняются закону сохранения энергии. Естественно, что это обстоятельство используется в экологии. Поэтому уместно вспомнить содержание закона сохранения энергии. Для наших задач полезно знать ту его форму, которую он принимает в качестве первого начала (закона) термодинамики. Полезны также и другие положения термодинамики, которым безусловно, подчиняется энергетика биосферы. Приведем также их краткую характеристику.

Термодинамика первоначально возникла как наука о превращениях теплоты в работу. Однако ее законы имеют гораздо более общее значение. Основу термодинамики составляют два начала. Первое начало устанавливает количественные соотношения, имеющие место при превращениях энергии из одних видов в другие. Второе начало определяет условия, при которых возможны эти превращения, т.е. определяет возможные направления этих процессов.

Первое начало термодинамики утверждает, что количество тепла, сообщаемое системе, затрачивается на приращение внутренней энергии системы и совершение системой работы над внешними телами:

(2.1.)

где δQ -количество тепла, сообщаемое системе;

dU изменение внутренней энергии системы;

δA=pdv+δA_max΄ -работа, совершаемая системой, причем δA_max - максимальная полезная работа, сопровождающая химические превращения

Напомним смысл терминов, примененных в приведенной формулировке.

Системой в данном случае[1] называется совокупность рассматриваемых тел (в том числе и содержащих живое вещество). Тела, не входящие в систему, являются по отношению к ней внешними.

Внутренняя энергия системы равна сумме внутренних энергий каждого из тел в отдельности и энергии взаимодействия между телами, представляющей энергию межмолекулярного взаимодействия в тонком слое на границе между телами. Последняя энергия столь мала по сравнению с энергией макроскопических тел, что ею можно пренебречь, и считать внутреннюю энергию системы макроскопических тел, равной сумме внутренних энергий, образующих систему тел. Внутренней энергией какого-либо тела называется энергия этого тела за вычетом кинетической энергии тела как целого и потенциальной энергии тела во внешнем поле сил. Таким образом, в понятие внутренней энергии включается кинетическая энергия хаотического движения молекул, потенциальная энергия взаимодействия между молекулами и внутримолекулярная энергия.

Поступающие в организм питательные вещества распадаются с освобождением заключенной в них свободной энергии, которая используется для жизнедеятельности. Опыты по проверке первого закона термодинамики проводились для реакций в организме на коротком промежутке времени, в течение которого не успевала накапливаться биомасса в результате роста и не совершалась значительная работа. Оказалось, что выделенная организмом теплота полностью соответствует энергии, поглощенной вместе с питательными веществами. Справедливость первого начала термодинамики означает, что сами по себе организмы не являются независимым источником какой-либо новой энергии.

Приведем еще одну формулировку: невозможен вечный двигатель (перпетуум мобиле) первого рода, т.е. такой периодически действующий двигатель, который совершал бы работу в большем количестве, чем полученная им извне энергия.

Всякий двигатель представляет собой систему, совершающую многократно некий круговой процесс (цикл), т.е. совокупность явлений, после которых данная система возвращается к исходному состоянию. Отсюда следует, что изменение внутренней энергии системы за цикл равно нулю. Это в свою очередь означает, что работа, совершаемая такой системой за цикл, не может быть больше энергии, получаемой извне, о чем и говорит приведенная выше формулировка.

Первое начало термодинамики представляет собой некоторое ограничение, позволяющее из множества всех мыслимых энергетических процессов выделить определенную часть, к которой должен принадлежать всякий фактически возможный процесс. Однако ближайшее рассмотрение показывает, что этого ограничения недостаточно, чтобы определять реальные процессы. Последние должны удовлетворять еще дополнительному ограничению. В самом деле, пусть рядом находятся два тела, изолированные от окружающих тел, и одно из этих тел будет холодное, другое теплое. Согласно первому началу термодинамики в такой системе количество тепла, передаваемого от одного тела, должно равняться количеству тепла, приобретаемому вторым телом. При этом никаких ограничений на направление процесса первое начало термодинамики не накладывает. На самом деле процесс может идти только в одном направлении: в направлении передачи тепла от теплого тела к холодному. В результате такого процесса температура тел будет выравниваться. Отсюда следует одна из формулировок второго начала термодинамики (Клаузиуса): невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому телу.

Отсюда не следует, конечно, что переход тепла от менее нагретому к более нагретому, вообще, невозможен. В холодильниках совершается именно такой переход, однако, он не является единственным результатом процесса. Он сопровождается изменениями в окружающих телах, связанными с совершением над системой работы. В том случае, если теплообмен совершается в чистом виде, т.е. без затраты каких-либо других видов энергии, то теплота будет переходить от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.

Другая формулировка второго начала термодинамики (Кельвин): невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых явилось бы отнятие от некоторого тела определенного количества тепла и превращение этого тепла полностью в работу.

Другими словами, тепло не может полностью превращаться в работу, и в таком случае некоторая доля теплоты представляет собой непревратимую энергию. Покажем эквивалентность формулировок Кельвина и Клаузиуса. Пусть вопреки формулировке Кельвина тепло, отнятое от какого-то тела, полностью превратилось в механическую работу. Но механическую работу посредством трения можно полностью превратить в тепло, сообщаемое телу с более высокой температурой, чем то, от которого оно было первоначально отнято. Отсюда следует, что нарушение второго начала в формулировке Кельвина ведет к его нарушению в формулировке Клаузиуса.

Из сказанного яса также следующая формулировка второго начала: невозможен вечный двигатель второго рода, т.е. такой периодически действующий двигатель, который получал бы тепло от одного резервуара и превращал это тепло полностью в работу. Например, невозможен двигатель, совершающий работу за счет тепла, получаемого от такого неисчерпаемого источника, как океан. Важным понятием в термодинамике является понятие «обратимого» процесса, процесса, переводящего систему из состояния А в состояние В таким образом, что оказывается возможным возвратиться из состояния В к состоянию А через все те же промежуточные состояния, которые имели место в прямом процессе (от А к В), но сменяющиеся в обратной последовательности. Можно показать, что обратимые процессы являются равновесными процессами, т.е. каждое промежуточное состояние процесса - равновесное термодинамическое состояние.

Количественная формулировка второго начала термодинамики связана с понятием энтропии - меры беспорядка в системе. Энтропия системы равна

(2.2)

где k - постоянная Больцмана;

W - статистический вес, равный числу различных микросостояний

системы, реализующих данное макросостояние.

Чем больше число микросостояний, реализующих данное макросостояние, тем более вероятно это макросостояние, тем больше его энтропия. Так же, как и внутренняя энергия, энтропия является функцией состояния термодинамической, т.е. она не зависит от предыстории системы, а зависит лишь от ее термодинамических параметров.

Второе начало термодинамики определяет приращение энтропии в системе при подведении к ней тепла δQ

(2.3)

где T - температура системы.

В (2.3) знак равенства соответствует обратимому (равновесному) процессу. Отсюда следует, что в реальных неравновесных процессах энтропия может только увеличиваться, а при достижении равновесия она достигает максимального значения (dS = 0, S = const).

Напомним здесь и другие термодинамические функции, имеющие значение в биологической термодинамике.

1. Энтальпия

(2.4)

Эта функция характерна тем, что в ходе изобарического процесса ее приращение равно количеству тепла, получаемого телом

(2.5)

Поэтому энтальпию называют еще тепловой функцией или теплосодержанием.

2. Свободная энергия (функция Гельмгольца):

(2.6)

Можно показать, что работа, производимая телом при обратимом изотермическом процессе, будет равна уменьшению свободной энергии:

(2.7)

3. Энергия Гиббса (термодинамический потенциал Гиббса):

(2.8)

Эта функция оказывается особенно полезной при изучении процессов, протекающих при постоянных давлении и температуре.

Законы теплового излучения.

Поглощаемая биосферой лучистая энергия солнца, излучаемая ею энергия в космос, принадлежит к так называемому тепловому излучению - испусканию электромагнитных волн телами за счет внутренней энергии этих тел.

Поток энергии, испускаемой единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям, называется энергетической светимостью тела. Энергетическая светимость R_T зависит от температуры и имеет для различных тел различный частотный состав. Если поток энергии, излучаемый единицей поверхности тела в интервале частот от w до w+dw , будет dR_w то

(2.9)

где r_w - так называемая испускательная способность тела, которая зависит как от частоты, так и от температуры тела:

, (2.10)

а w - круговая частота излучения, w = 2pn,

где n -частота излучения.

Видно, что энергетическая светимость тела выразится через его испускательную способность следующим образом:

(2.11)

Для характеристики процессов поглощения телами излучения других тел вводится так называемая поглощательная способность тела, равная отношению поглощенной лучистой энергии dF¢_w, заключенный в интервале частот dw, к энергии падающего потока, заключенной в этом же интервале - dF_w:

Тело, для которого для всех частот поглощательная способность равна единице (a_w_,_T = 1) называется абсолютно черным.

Кирхгофом был установлен следующий закон для отношения испускательной и поглощательной способностей различных тел:

Отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, а является одной и той же (универсальной) функцией частоты и температуры, равной испускательной способности абсолютно черного тела:

где r_w_,_r - испускательная способность абсолютно черного тела, Функция r_w_,_r=f(w,T) называется функцией Кирхгофа. Ее явный вид был установлен Планком (закон Планка):

(2.12)

где ћ=h/(2p), h=6,62·10^-34 Дж·с - постоянная Планка,

k=1,38·10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана.

Если подставить (2.1.12) в (2.1.11), то можно получить выражение для энергетической светимости абсолютно черного тела (закон Стефана-Больцмана):

(2.13)

где s = 5,67·10^-8 Вт/м²К⁴ - постоянная Стефана-Больцмана.

Открытие закона Планка показало, что излучение тел испускается отдельными порциями - квантами. Дальнейшие исследования показали, что и распространение и поглощение лучистой энергии также происходит квантами - фотонами. Энергия отдельного фотона равна

(2.14)

Отсюда видно, что чем выше частота излучения, тем выше энергия отдельного кванта. Для процессов в биосфере существенно, что она поглощает высокочастотное излучение Солнце (энергичные фотоны), а излучает в космос низкочастотное излучение (малоэнергетичные фотоны). Закон Стефана-Больцмана (2.1.13) указывает на сильный рост излучения тела с ростом его температуры.

Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 309; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!