www.mexanik.ru

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основные законы термодинамики достаточно широки, чтобы найти разнообразные применения в физике, химии и технике. В результате развития термодинамики появилось много различных точек зрения при рассмотрении отдельных вопросов. Тем не менее оказалось возможным в пределах данной книги ограничиться основными понятиями и рассмотреть такие применения, которые относятся к превращению теплоты в работу, а также в качестве специальных примеров процессы с переносом вещества и системы с химическими реакциями.

Эта книга может служить руководством при изучении основных принципов термодинамики с элементарным приложением их в нескольких областях техники. Так как законы термодинамики основаны на прямом экспериментальном наблюдении суммарных свойств, они являются по своей природе эмпирическими. Несмотря на то что применения, основанные на этих законах, могут быть сформулированы в конкретных количественных математических выражениях, термодинамические величины, такие как температура, давление, энергия и энтропия, не могут быть интерпретированы физически без ссылки на принятые теории по строению материи.

Использование теории строения вещества для интерпретации термодинамических величин не может ни исключаться, ни умаляться при эмпирическом развитии термодинамических соотношений. Любое соотношение, основанное на структурной модели, идентичное эмпирическому термодинамическому соотношению, является подтверждением принятой структурной модели. Толкование термодинамических величин в терминах структурной теории имеет важное значение.

Это положение аналогично ежедневному наблюдению за временем восхода солнца в течение нескольких лет в различных точках поверхности земли. Эти эмпирические данные могли бы быть скорректированы, и время восхода солнца могло бы быть выражено как математическая функция дня, года, широты, долготы и высоты. Такая корреляция была бы полезна в ряде применений, но она не исчерпывает сведений о природе системы, к которой относятся наблюдаемые данные. Эта корреляция могла бы быть сделана только относительно физической модели солнечной системы. На основе правильной модели можно было бы вывести уравнение, которое предсказало бы время восхода солнца в данный день в определенном месте. Если такое предсказание сопоставить с эмпирической корреляцией, это могло бы служить подтверждением принятой модели солнечной системы и могло быть использовано для интерпретации эмпирических данных.

Основываясь на таком рассуждении, были введены элементарные понятия квантовой и статистической механики для интерпретации эмпирической стороны классической термодинамики. Квантовое представление об энергетических уровнях использовано для интерпретации внутренней энергии. Статистические теории приведены для того, чтобы показать, что термодинамические энергии и энтропия являются средними или статистическими свойствами системы в целом. Это позволяет понять основные положения второго закона, обоснование третьего закона и шкалу абсолютных энтропий. Также представлены методы вычисления теплоемкости и абсолютной энтропии идеальных газов. Численные значения абсолютной энтропии особенно важны для анализа систем с химическими реакциями. После рассмотрения этих основных положений технические применения даны в виде обычных термодинамических соотношений.

Книга состоит из двух основных разделов. В гл. 1—6 изложены основные законы и их интерпретация с соответствующими вычислениями и применениями к чистому компоненту или системам с постоянным составом. Эти главы включают основной материал, который используется во всех областях техники. В гл. 7—10 рассмотрены переменные составы и применение основных законов к фазам и системам с химическим равновесием. Для того чтобы сохранить изложение на должном уровне, основной материал ограничен в объеме и многие частные применения умышленно опущены.

Хотя представленный материал не является новым и оригинальным, книга построена так, что можно легко перейти от теоретических положений к практическим применениям, которые в ней не указываются. В гл. 1 дано краткое введение к термодинамическим рассуждениям и расчетам, основанным только на законах сохранения энергии. Глава 2 — библиографическая; в ней довольно подробно описаны выражения для квантованных энергетических уровней. Хотя для детального изучения математической стороны необходимо знание основ учения о дифференциальных уравнениях, полученные результаты могут быть использованы без применения дифференцирования. В гл. 3 изложены теории статистического распределения, необходимые для понимания внутренней энергии и энтропии. Распределение Максвелла — Больцмана дает, в частности, основу для статистического вычисления термодинамических свойств. В гл. 2 рассмотрено применение статистических выводов для вычисления термодинамических свойств с числовыми расчетами для идеального газа. В гл. 5 представлены методы для вычисления изменений термодинамических свойств неидеальных газов и жидкостей с помощью использования эмпирических данных pvT и уравнений состояния.

Обсуждение второго закона термодинамики в гл. 6 основано непосредственно на статистических выводах, взятых из гл. 3 и 4. Так как энтропия определена как функция состояния, анализ обратимых циклических тепловых двигателей и необратимых процессов дается как естественное применение основных принципов.

Элементарные свойства растворов описаны в гл. 7, а в гл. 8 выведен критерий равновесия. Применение его к системам с фазовым и химическим равновесием включая изменения переменного состава, рассмотрено в гл. 9 и 10.

При попытке применить числовые расчеты к нескольким различным областям возникает проблема единиц. В настоящее время не существует твердо установленных единиц, которые годились бы сразу для всех случаев применения. Однако перевод единиц из одной системы в другую представляет определенные трудности. В этой книге переход от одной системы единиц к другой сведен к минимуму путем подбора наиболее удобной системы единиц для каждой данной задачи. Выбор единиц обычно диктуется имеющимися в наличии данными. В большинстве случаев отдается предпочтение метрической системе с выражением энергии в калориях, массы в граммах, температуры в градусах Кельвина (или в стоградусной шкале). При применении английской системы единиц энергия выражается в британских тепловых единицах, масса в фунтах и температура в градусах Рэнкина (или Фаренгейта). Перевод единиц из одной системы в другую редко бывает необходим. Например, величина, выраженная в кал/(моль °К), имеет то же числовое значение в брит. тепл. ед./(фунт-моль °R). Следовательно, теплоемкости и энтропии имеют одинаковое численное значение в обеих системах.

Назад, на страницу описания