Лекция 12(16). 1к-2с. Термодинамика-2

1.

Физика. 1 курс, 2 семестр
2025-2026 учебный год
Лекция 12. Физика макропроцессов
Термодинамика
- Процессы и циклы
- Энтропия
Явления переноса
- Теплопроводность
- Вязкость
В.И. Читайкин
кандидат физико-математических наук
доцент

2.

План лекции
Наименование раздела
Номер
слайда
Наименование раздела
Номер
слайда
Раздел 1.4. Второе начало термодинамики
Введение
3
Часть 1. Термодинамика: процессы и циклы
4
1.4.1. Определения и физический смысл
21
Раздел 1.1. Термодинамические процессы
4
1.4.2. Нулевое, первое и второе Начала
термодинамики и физический смысл
22
20
1.1.1. Определение
5
1.1.2. Обратимые и необратимые процессы
6
Часть 2. Явления переноса
23
1.1.3. Равновесные и неравновесные процессы
7
Раздел 2.1. Основные положения
23
Раздел 1.2. Термодинамические циклы
9
2.1.1. Определения
24
1.2.1. Круговой процесс (цикл)
10
2.1.2. Механизмы переноса
15
1.2.2. Работа кругового процесса: прямой цикл
11
1.2.3. Работа кругового процесса: обратный цикл
12
1.2.4. КПД цикла
13
1.2.5. Цикл Карно
14
1.2.6. Работа и КПД цикла Карно
16
Раздел 1.3. Энтропия
17
1.3.1. Определение и свойства энтропии
18
1.3.2. Энтропия и вероятность
19
Раздел 2.2. Теплопроводность
26
2.2.1. Определение. Закон Фурье
27
2.2.2. Коэффициент теплопроводности
идеального газа
28
Раздел 2.3. Внутреннее трение (вязкость)
29
2.3.1. Определение. Закон Ньютона
30
2.3.2. Коэффициент динамической вязкости
31
2

3.

Введение
Лекция 12 состоит из двух тематических частей.
Первая часть является тематическим продолжением лекции 11 и посвящена:
- термодинамическим процессам: равновесным и неравновесным, обратимым и необратимым,
а также
- термодинамическим циклам, включая цикл Карно.
Будет введено важное понятие – энтропия, и будет сформулировано второе начало термодинамики.
Вторая часть лекции 12 посвящена кинематическим процессам в веществе, а именно, явлению
переноса и связанными с этим явлением практически важным понятиям: теплопроводность и
вязкость.
Изучение других кинематических процессов в веществе: диффузия и иные, – будет продолжено в
следующей лекции.
3

4.

Часть 1. Термодинамика: процессы и циклы
Раздел 1.1. Термодинамические процессы
4

5.

1.1. Термодинамические процессы
1.1.1. Определение
Термодинамическая система – это вещество, состояние которого задано тремя основными термодинамическими параметрами (Т, р, V) – температура, давление, объём.
Термодинамический процесс – это такое изменение термодинамической системы, в ходе которого
изменяется хотя бы один из параметров (Т, р, V).
Параметр количества вещества ν примем равным 1. Учёт его не изменит принципиальных выводов этого раздела.
Важно: термодинамический процесс, чаще всего, изображают в координатах (р, V) – см. рисунок.
На рисунке показан термодинамический процесс перехода из состояния 1 в состояние 2: (1)→(2),
осуществляемый по двум различным траекториям.
p
Частные случаи термодинамических процессов – изо-процессы.
- изохорический процесс (V = const),
- изобарический (р = const),
- изотермический (Т = const),
- адиабатный (Q = const).
Графики этих процессов хорошо известны – см. лекцию 11.
2
1
0
V
5

6.

1.1. Термодинамические процессы
1.1.2. Обратимые и необратимые процессы
Термодинамический процесс обратим, если он может проходить как в прямом направлении (1)→(2),
так и в обратном направлении (2)→(1), и если начальная точка прямого процесса и конечная точка
обратного процесса совпадают.
Траектории прямого и обратного процессов могут не совпадать.
p
2
Важно, чтобы совпали начальная и конечная точки – см. рисунок.
После завершения обратимого процесса (1)→(2)→(1) изменений
в термодинамическом состоянии системы и внешней среды не
происходит. (Как будто вообще ничего не произошло, ничего не изменилось.
Как будто не было никакого термодинамического процесса вообще!)
1
1'
Термодинамический процесс необратим, если конечная точка
обратного процесса не совпадает с начальной точкой прямого
процесса. (Нет возврата в исходное состояние.)
0
V
На рисунке показаны:
Красная линия – прямой процесс: (1)→(2)
Синяя линия – обратный процесс: (2)→(1)
-процесс (1)→(2)→(1) – обратимый;
- процесс (1)→(2)→(1') – необратимый.
6

7.

1.1. Термодинамические процессы
1.1.3. Равновесные и неравновесные процессы
Термодинамический процесс является равновесным, если этот процесс обратим и если прямая и
обратная траектории совпадают в каждой точке.
p
2
На рисунке равновесный обратимый процесс 1→2→1 показан дважды:
- красной линией показан равновесный обратимый процесс А;
- синей линией показан равновесный обратимый процесс Б.
А
В обоих случаях прямой процесс 1→2 и обратный процесс 2→1
1
проходят строго по одной и той же траектории в обоих направлениях,
но траектории для каждого процесса различные:
Б
- процесс А идёт по своей красной траектории,
- процесс Б идёт по своей синей траектории.
0
Таким образом, каждый термодинамический процесс (и А, и Б)
V
вляется обратимым и равновесным. Но это – разные процессы, они проходят по различным траекториям,
с различной скоростью, с различными значениями термодинамических параметров и, значит, в
различных внешних условиях.
7

8.

1.1. Термодинамические процессы
1.1.3. Равновесные и неравновесные процессы (продолжение)
Равновесные процессы – это идеализация. Чтобы они могли быть строго реализованы, необходимо
выполнение следующих условий:
1. Идеальная теплоизоляция от внешней среды и
2. Нулевая скорость протекания процесса.
В реальности эти условия могут быть выполнены лишь неполностью, например, скорость будет не
2
строго нулевой, а очень малой.
p
Термодинамический процесс является неравновесным, если траектории прямого
и обратного процессов не совпадают хотя бы в одной точке – см. верхний рисунок →.
1
Необратимый процесс всегда является неравновесным, p
т.к. точка возврата не совпадает с начальной точкой – см. нижний
рисунок →.
2
1
0
0
V
1'
8
V

9.

Часть 1. Термодинамика: процессы и циклы
Раздел 1.2. Термодинамические циклы
9

10.

1.2. Термодинамические циклы
1.2.1. Круговой процесс (цикл)
Круговой термодинамический процесс – это процесс, при котором система, пройдя через ряд
состояний, возвращается в исходное.
Другое определение: Круговой термодинамический процесс – это повторяющийся во времени
p
обратимый процесс.
Другое название кругового процесса - цикл.
Круговой процесс (цикл) состоит из прямого 1→2 и обратного 2→1 участков
или процессов. График цикла всегда образует замкнутую фигуру.
Направление «движения» по линии цикла (1→2→1) может осуществляться
в разные стороны.
Цикл называется прямым, если «движение» происходит по часовой
стрелке – верхний рисунок.
Цикл называется обратным, если «движение» происходит против
часовой стрелки – нижний рисунок.
1
● 2
0
V
p
1
● 2
0
10
V

11.

1.2. Термодинамические циклы
1.2.2. Работа кругового процесса: прямой цикл
Прямой цикл (т.е. «движение» по часовой стрелке) состоит из процесса расширения (1→2) и
процесса сжатия (2→1), совершаемых последовательно друг за другом.
Процесс расширения совершается при подводе извне количества
теплоты Q1. Работа расширения положительна (т.к. объём увеличивается)
и равна площади под верхней кривой а, т.е. площади криволинейной трапеции,
образованной линией а, двумя вертикальными пунктирными линиями и осью V.
Процесс сжатия сопровождается отводом вовне количества теплоты Q2;
работа сжатия отрицательна (т.к. объём уменьшается) и численно равна
площади под нижней кривой b, т.е. площади криволинейной трапеции,
образованной линией b, двумя вертикальными пунктирными линиями и осью V.
Подведенное количество теплоты при расширении (Q1) больше, чем
количество теплоты, отводимое при последующем сжатии (Q2): Q1 > Q2.
Прямой термодинамический
цикл
Действительно, площадь под линией а больше, чем площадь под линией b.
Это означает, что расширение происходит при более высокой температуре, чем сжатие.
Полная работа, совершаемая в прямом термодинамическом цикле (А), положительна и равна
11
площади между кривыми а и b.

12.

1.2. Термодинамические циклы
1.2.3. Работа кругового процесса: обратный цикл
Обратный цикл (т.е. «движение» против часовой стрелки) состоит также из последовательных
процессов расширения (1→2) и сжатия (2→1), как и прямой цикл.
Процесс расширения также, как для прямого цикла, совершается
при подводе извне количества теплоты Q2; работа расширения также
положительна.
Процесс сжатия также, как для прямого цикла, сопровождается
отводом вовне количества теплоты Q1; работа сжатия отрицательна,
как для прямого цикла.
Обратный термодинамический
Но, в отличие от прямого цикла: в обратном цикле подведенное
цикл
количество теплоты при расширении (Q2) меньше, чем количество
теплоты, отводимое при последующем сжатии (Q1) – ср. площади под нижней и верхней линиями.
В результате: расширение происходит при более низкой температуре, чем сжатие.
Полная работа, совершаемая в обратном термодинамическом цикле (А), отрицательна и
численно (по модулю) равна площади между кривыми 1→2 (нижняя линия) и 2→1 (верхняя линия).
12

13.

1.2. Термодинамические циклы
1.2.4. КПД цикла
Определение: КПД прямого кругового термодинамического процесса (прямого цикла) есть отношение
совершённой работы (А) к подведенному количеству теплоты (Q1). Обозначение – см. сл. 11.
А