Геометрическая термодинамика

Геометрическая термодинамика

Геометрическая термодинамика

На сегодняшний день в науке особый интерес представляет научная сфера, называемая геометрической термодинамикой, которая берёт своё начало с научных работ Дж. Гиббса.

Основным предметом её исследования являются взаимосвязи между физико-химическими свойствами материальных тел и их трансформаций в геометрические образы, анализ и интерпретация которых помогают точно установить частные законы без привлечения аналитических способов. Неоценимое достоинство методов термодинамики для решения многих технических вопрос состоит в их простоте и приводит к решению целого ряда сложных задач, не требуя информации о свойствах атомов и молекул.

Рисунок 1. Свойства геометрической термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Определение 1

Геометрическая термодинамика – раздел физики, изучающий работу газа в процессе его расширения или сжатия при любом термодинамическом процессе, численно равному площади под кривой, изображенной на диаграмме.

На практике не следует противопоставлять геометрическую кинетику и термодинамику.

На основе термодинамических постулатов инженер, проектировщик или исследователь устанавливают в основном наиболее подходящую, с точки зрения выхода целевого продукта, область протекания физических реакций.

Геометрическая же кинетика позволяет в термодинамической разрешенной среде быстро рассчитать концентрации продуктов реакций, геометрические параметры реакционных приборов, математический баланс и оптимизировать технологические величины процессов.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Замечание 1

Таким образом, геометрическая термодинамика предполагает монотектическое трехфазное равновесие, которое является хорошим аналогом эвтектического.

Классическая термодинамика и контактная геометрия

Рисунок 2. Формулы для нахождения площадей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Исследователи утверждают, что для термодинамики определение теплоты как физического показателя не требуется. Точнее, куда лучше осознавать, что это форма внутренней энергии, а не какая-то универсальная тепловая жидкость, которая способна переливаться из одного сосуда в другой.

Стоит обратить внимание, начав с равенства, ученые часто заканчивают определением, где формально уже вообще нет никакого коэффициента тепла, хотя привычная терминология очень удобна и от нее не надо отказываться, если необходимо будет что-то пояснить или предвидеть.

Вслед за Гиббсом многие физики заметили, что:

  • равновесные термодинамические явления протекают вдоль нулей (распределения ядер) конкретной формы;
  • адиабатические переходы идут параллельно нулей формы равенства, определяющие положение термодинамической системы;
  • при равновесных переходах энтропия концепции никогда не меняется.

Определение 2

То есть, адиабаты — это полноценные изоэнтропы термодинамической равновесной системы.

Следовательно, если начальное значения энтропии двух состояний различны, то такое физическое соединение между ними заведомо невозможно. Более того, ученые давно знают, что даже с нарушением условия стабильности промежуточных состояний невозможно адиабатически трансформировать систему в состояние с большим значением энтропии.

Теперь, переходя к более точным в геометрическом плане формулировкам и утверждениям, становится понятно, что к основному равенству от соотношения-определения приводят продиктованные наукой ограничения на форму, вошедшие в определение абстрактной термодинамической концепции. Эти ограничения появились из требований фундаментальных принципов термодинамики.

Затем, исследователь Каратеодори экспериментально доказал, что математика приводит от формы к основному соотношению из, казалось бы, значительно более простого физического положения, которое знакомо больше, чем понятия точности или замкнутости дифференциальных форм. В то же время оно очень геометрично, точнее, легко формализуется.

Геометрическая термодинамика температуры

Рисунок 3. Геометрический смысл термодинамической работы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Термин «температура» достаточно часто встречается в термодинамических процессах, поэтому пора бы немного разобраться в нем.

Все мы, конечно, знаем, что существуют термометры — приборы для измерения температуры, что они бывают различными не только по устройству, но даже по встроенным шкалам.

На обывательском уровне температура — это некий количественный параметр, посредством которого возможно характеризовать термодинамическое состояние среды более точно, чем просто словами горячо-холодно.

При этом стоит учитывать, что если физические тела одинаково теплые, холодные или горячие, то температура у них должна быть всегда одинаковой, а также что верно и обратное.

Температурные шкалы в основном люди выбирают по тем или иным соображениям удобства или неудобства.

Поэтому требования к температуре как показателю, который описывает состояние термодинамической концепции, лучше формулировать в значительной степени инвариантно, в терминах самих физических явлений, непосредственно относящихся к основным свойствам тел и сред.

Пусть имеется три материальных тела $A, B, C$, каждое в состоянии термодинамического равновесия, а их температура всюду одинакова и не обладает параметрами, связанными с неравновесием теплообмена.

При контакте точек $A$ и $B$ может наблюдаться, что и в этой системе $(A, B)$ из указанных тел не происходит перераспределения внутреннего тепла (энергии), то есть эта концепция тоже находится в состоянии постоянного равновесия. В такой ситуации обычно говорят, что тела $A$ и $B$ взаимодействуют при одной температуре или что они обладают одной и той же температурой.

При проведении опыта ученые установили, что если и система $(A, B)$ и система $(B, C)$ действуют в состоянии термодинамического равновесия, то, при контакте тел $A$ и $C$, концепция $(A, C)$, тоже окажется в аналогичном положении.

Геометрическая термодинамика фазовых равновесий в двойных сплавах

При тщательном анализе фазовых равновесий зачастую используют понятие «свободная энергия» систем, а не энтропии. Обе эти физические функции тесно связаны друг с другом. Каждую из них нельзя изменить отдельно по собственному желанию.

Замечание 2

Если энтропия увеличивается, то свободный энергетический потенциал системы должен автоматически снижаться.

Любая термодинамическая концепция, находящаяся в равновесии, постоянно стремится к минимуму свободной энергии. С повышением температуры данная величина в результате уменьшается.

В равновесных диаграммах состояния фазами обычно являются:

  • жидкие растворы;
  • твердые тела;
  • химические соединения.

В изотермических условиях зависимость внутренней энергии от химического состава представляется в виде кривой, которая обозначается выпуклостью вниз.

Параметр кривизны такой несамостоятельности определяется характером взаимодействия компонентов в определенной фазе.

Так в стехиометрических химических соединениях значения энергии быстро возрастают при незначительном отклонении химического состава от его начальной формулы.

То же характерно для геометрического случая, когда из-за достаточно низкой растворимости в твердом состоянии фазой выступает чистый компонент.

В этом аспекте вместе с кривой на этом графике указывается точка равновесного значения свободной энергии твердых сред самого компонента.

При рассмотрении теоретического материала особое внимание уделять графической интерпретации и геометрическому смыслу физических величин, формул, законов, которые действуют в термодинамике.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/termodinamika/geometricheskaya_termodinamika/

Классическая термодинамика и контактная геометрия

По заявлениям ученых, термодинамика не нуждается в определении такого физического показателя как теплота. Иными словами, будет лучше, если будет фигурировать форма внутренней энергии, а не универсальная тепловая жидкость, которую можно переливать между сосудами.

Немаловажно отметить, что начиная с равенства, исследователи часто заканчивают определением, где, по сути, отсутствует какой-либо коэффициента тепла. При этом привычные термины очень удобны, и от них не нужно отказываться, если есть необходимость что-то предвидеть или объяснить.

Многие физики отметили следующее:

  • равновесные явления в рассматриваемом разделе протекают вдоль распределения ядер определенной формы;
  • адиабатические переходы, которые определяют положение термодинамической системы, располагается параллельно нулям формы равенства;
  • энтропия концепции неизменна при равновесных переходах.

Определение

Адиабаты в термодинамической равновесной системе представляют собой полноценные изоэнтропы.

Отсюда следует, что если между начальными значениями энтропии в двух состояниях будут иметь различия, тогда физическое соединение такого типа попросту оказывается невозможным. Помимо этого, адиабатическое трансформирование системы в состояние большой энтропии оказывается невозможным даже в случае нарушения условий стабильности промежуточных состояний.

Переходя к более точным с точки зрения геометрии утверждениям и формулировкам, можно отметить, что к основному равенству от соотношения-определения приводят научно продиктованные ограничения, выдвигаемые к форме, вошедшие в определение абстрактной концепции термодинамики. Эти ограничения возникли из требований её основных принципов.

В дальнейшем исследователю Каратеодори удалось доказать экспериментальным путем, что математика приводит от формы к основному соотношению из куда более простого физического положения. Параллельно с этим оно просто формализуется.

Температурная геометрическая термодинамика

Термин «температура» довольно часто фигурирует в термодинамических процессах, а потому стоит заострить на нём особое внимание. Всем нам хорошо известно о существовании таких приборов как термометры, служащих для измерения температуры.

Они могут отличаться друг от друга не только конструкцией, но даже измерительной шкалой.

В понимании обывателей температура является неким количественным параметром, с помощью которого можно куда более точно определять термодинамическое состояние среды.

Немаловажно брать в расчет то, что физические тела являются одинаково теплыми, тогда их температура должна быть на одинаковом уровне. Параллельно с этим оказывается верным и обратное правило.

Люди делают выбор в пользу той или иной температурной шкалы, отталкиваясь от критериев удобства или неудобства.

По этой причине требования к такому показателю как температура лучше всего формулировать по большей части инвариантно, в терминах самих явлений, которые непосредственно относятся к основным характеристикам сред и тел.

Представим три точки A,B и C с одинаковой температурой. Каждое из этих тел находится в состоянии термодинамического равновесия. Температура лишена параметров, которые связаны с неравновесием процесса обмена теплом.

При контакте тел A и B можно наблюдать, что и в данной системе из двух тел не осуществляется перераспределение внутренней тепловой энергии. Это означает, что концепция также находится в постоянном равновесии. В данном случае обычно говорится, что взаимодействие тел A и B осуществляется при одной температуре или что они обладают одинаковой температурой.

При проведении опытов учеными было установлено, что если обе системы (A,B и B,C) действуют в рамках термодинамического равновесия, тогда при контакте точек A и C, концепция окажется в таком же положении.

Геометрическая термодинамика фазовых равновесий в случае двойных сплавов

Термин «свободная энергия» довольно часто фигурирует при детальном анализе фазовых равновесий, но не в энтропии. Каждая из этих физических функций тесно взаимодействует друг с другом и они не могут быть отдельно изменены по собственному желанию.

При увеличении энтропии наблюдается автоматическое снижение свободного энергетического потенциала.

Вне зависимости от типа находящейся в равновесии термодинамической концепции можно наблюдать постоянное стремление к наименьшему значению свободной энергии. В случае повышения температуры данный показатель уменьшается.

К фазовым состояниям в равновесных диаграммах обычно относят:

  • твердые тела;
  • жидкие растворы;
  • химические соединения.

В условиях изотермы зависимость внутренней энергии от химических компонентов в составе представлена в виде кривой, обозначенной выпуклостью вниз.

Кривизна данной несамостоятельности выражена характером взаимодействия химических веществ в конкретной фазе.

В случае химических соединений стехиометрического типа значения энергии будут стремительно возрастать при несущественных отклонениях в составе от начальной формулы.

Аналогично и с геометрическим случаем, когда из-за довольно низкой растворимости твердых сред в качестве фазы задействован чистый компонент.

В данном аспекте, помимо кривой, на графике указывается точка равновесного значения свободной энергии твердых компонентных сред.

При изучении теории важно уделять особое внимание, как интерпретации в графическом виде, так и геометрическому смыслу физ. величин, законов и формул, действующих в рамках термодинамики.

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/geometricheskaya-termodinamika/

Конспект

Геометрическая термодинамика

Термодинамика – раздел физики, изучающий тела, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия и явления, сопровождающие переходы между этими состояниями.

Термодинамическое равновесие – состояние тел (или частей тела), при котором остаются постоянными все величины, характеризующие эти тела (или части тела): объёмы, давления, расположение масс и др.

Температура – единственная физическая величина, всегда одинаковая у всех тел (или частей тела), находящихся в состоянии термодинамического равновесия.

Термометр – прибор для измерения температуры. Единица температуры – 1 кельвин (1 К). Также используется 1 °С, равный 1 К.

Теплообмен – переход внутренней энергии одного тела во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы.

Количество теплоты – физическая величина, показывающая энергию, полученную (отданную) телом при теплообмене.

Калориметр – прибор для измерения количества теплоты. Единица количества теплоты – 1 джоуль (1 Дж).

Удельная теплоемкость вещества – физическая величина, показывающая количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1 кг этого вещества на 1 °С. Единица удельной теплоёмкости – 1 Дж/(кг·°С).

Количество теплоты, полученное (отданное) телом при теплообмене, пропорционально массе тела и изменению его температуры. Коэффициент пропорциональности – удельная теплоёмкость вещества.

Превращение твёрдого тела в жидкость называют плавлением.Обратное явление называют отвердеванием. Если при этом получается кристаллическое тело, то отвердевание называют кристаллизацией.

Температура

Температурой плавления называют температуру, при которой нагреваемое кристаллическое тело тело начинает плавиться, и при этом одновременно существуют твёрдое и жидкое состояния его вещества.

Температурой кристаллизации называют температуру, при которой охлаждаемая жидкость начинает кристаллизоваться, и при этом одновременно существуют её твёрдое и жидкое состояния.

Как правило, температура кристаллизации вещества равна температуре его плавления. Температура плавления/кристаллизации вещества зависит от внешнего давления и других факторов.

Удельная теплота плавления – физическая величина, показывающая количество теплоты, необходимое для плавления или выделяющееся при кристаллизации 1 кг вещества, находящегося при температуре плавления/кристаллизации. Единица удельной теплоты плавления – 1 Дж/кг.

Количество теплоты, поглощаемое (выделяющееся) при плавлении (кристаллизации), пропорционально массе расплавившегося (кристаллизовавшегося) вещества. Коэффициент пропорциональности – удельная теплота плавления вещества.

Видами парообразования являются: испарение – парообразование, происходящее с поверхности жидкости; кипение – парообразование, происходящее по всему объёму жидкости вследствие возникновения и всплытия на поверхность пузырей пара; сублимация – парообразование, происходящее с поверхности твёрдого тела.

Температурой кипения называют температуру, при которой наблюдается кипение вещества (интенсивное парообразование по всему объёму этого вещества). Температура кипения зависит от внешнего давления и других факторов.

Удельная теплота парообразования – физическая величина, показывающая количество теплоты, необходимое для превращения в пар 1 кг вещества (как правило, при температуре кипения). Единица удельной теплоты парообразования – 1 Дж/кг.

Количество теплоты, поглощённое кипящей (или испаряющейся при постоянной температуре) жидкостью, прямо пропорционально массе образовавшегося пара. Коэффициент пропорциональности – удельная теплота парообразования вещества.

При охлаждении/кристаллизации/конденсации выделяется точно такое же количество теплоты, которое было затрачено для нагревания/плавления/парообразования вещества (если температуры и давления при прямом и обратном процессах соответствуют друг другу).Утверждение будет верным и наоборот.

Законы термодинамика

Первый закон термодинамики устанавливает равенство между изменением внутренней энергии тела и суммой полученной телом теплоты и совершённой над ним работы.

Тепловой двигатель – периодически действующее устройство, служащее для превращения внутренней энергии рабочего тела (как правило, газа или пара) в механическую энергию.

Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании вещества (топлива), прямо пропорционально массе сгоревшего вещества (топлива). Коэффициент пропорциональности – удельная теплота сгорания топлива.

Известно три способа теплопередачи (теплообмена) – теплопроводность, конвекция и излучение. При теплопроводности теплота проникает через вещество без его перемещения (в случае отсутствия вещества теплопроводность является нулевой).

При конвекции теплота перемещается неравномерно нагретым движущимся веществом (в условиях, когда возможно возникновение архимедовой силы).

При излучении теплота передаётся через пространство или вещество в виде электромагнитных волн (для излучения наличие вещества не является обязательным, в отличие от первых двух способов теплопередачи).

Второй закон термодинамики гласит, что теплообмен самостоятельно протекает только в таком направлении, что температура менее нагретого тела возрастает, а более нагретого – уменьшается.

Дополнительные материалы по теме:

Конспект темы «Термодинамика. Теория, формулы, схемы»

Следующая тема «Электростатика. Теория, формулы, схемы для ОГЭ»

Источник: https://uchitel.pro/%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0/

Booksm
Добавить комментарий