Решебник по физике. Части 1-3 "Термодинамика", "Статистическая физика" и "Физическая кинетика", страница 12

Вода имеет очень малую сжимаемость. Поэтому изменением объема воды можно пренебречь. Поскольку энтропия – функция состояния, ее изменение не зависит от процесса. Для вычисления изменения энтропии воды реальный процесс выравнивания температуры заменяется изохорическим процессом. Тогда

S2 – S1 =  = = cm×ln (Te / T),

где m – масса воды, c – ее удельная теплоемкость.

От термостата к воде подводится количество теплоты

Q = cm(Te  – T).

После подстановки выражений для S2 – S1 и Q (Te = const) приведенное выше неравенство сводится к

ln (Te / T) ≥ 1 – T / Te ®   x = T / Te   и  –ln x ≥ 1 – x,  или  ln x ≤ x – 1.

Если на плоскости x, y построить логарифмическую кривую y = ln x и провести прямую линию y = x – 1, то из графика на рисунке видно, что кривая лежит ниже прямой и лишь в точке (1, 0) они касаются.

Итак, в приведенном выше неравенстве знак «равно» имеет место только при T = Te. Во всех остальных случаях (ниже температура воды или выше) выполняется строгое неравенство. Процесс теплообмена является неравновесным.

1.14. Свободная энергия F задана в естественных (канонических) переменных T и V. Следовательно, выражения для F достаточно для определения любой термодинамической характеристики системы. Из основного термодинамического тождества

TdS = dU + PdV

можно вывести выражение для приращения dF через приращения ее естественных переменных dV и dT. Замена переменных в основном термодинамическом тождестве осуществляется с помощью преобразования Лежандра:

TdS =dTS – SdT.

Отсюда

dTS – SdT= dU + pdV Þ d(U – TS ) = – SdT – pdV º dF

В первую очередь рассмотрим частные производные свободной энергии по ее естественным переменным. В частности, давление является ее частной производной

p = – (¶F/¶V)T.

Вычисление его дает термическое уравнение состояния

p = RT/V.

Энтропия является частной производной свободной энергии по другой переменной

S = – (¶F/¶T)V.

Ее вычисление дает

S = – a +b + b∙lnT + R∙lnV.

Исходя из определения свободной энергии, находится внутренняя энергия

U = F + TS = bT + c.

Далее вычисляется теплоемкость при постоянном объеме

CV  = T(¶S/¶T)V = b.

Проделанные вычисления подтверждают, что данная свободная энергия определяет термодинамику идеального газа. Можно убедиться, что и теплоемкость при постоянном давлении соответствует соотношению Майера

Cp = b + R.

1.15. Доказательство проводится для общего случая сред, характеризуемых объемом и давлением.

Наклон адиабат и изотерм определяется соответственно производными (¶р/¶V)S и (¶р/¶V)т. Следовательно, для решения задачи необходимо рассмотреть производную (¶р/¶V)S и перейти от независимых переменных S, V к переменным т, V. Наиболее быстро результат может быть получен, если перейти от частных производные к якобианам и учесть, что теплоемкость с = Т(¶S/¶т). Итак,

(¶р/¶V)S = ¶(S, р)/¶(S, V) = ¶(S, р)/¶(T, р) × ¶(T, р)/¶(T, V) ×  ¶(T, V)/¶(S, V) =

= (¶S/¶T)р×(¶р/¶V)T /(¶S/¶T)V = Cp/CV ×(¶р/¶V)T,

отсюда следует, что

(¶р/¶V)S £ (¶р/¶V)т < 0.

1.16. По определению теплоемкости и с учетом второго начала термодинамики

CV = (¶Q/¶T)V = T(¶S/¶T)V.

Поэтому, используя тот факт, что результат дифференцирования не зависит от последовательности дифференцирования, получаем:

(¶CV/¶V)T = T(¶2S/¶VT) = T¶(¶S/¶V)T/¶T = T(¶2p/¶T 2)V.

Здесь использовано, что (¶S/¶V)T  = (¶p/¶T)V. Оно получается с помощью калибровочного соотношения ¶(T, S)/¶(p, V) = 1, а именно:

(¶S/¶V)T = ¶(T, S)/¶(T, V) = ¶(p, V)/¶(T, V) = (¶p/¶T)V.