Начала термодинамики и использование термодинамических моделей для описания социальных процессов

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Волгоградский государственный  социально-педагогический университет

Филологический  факультет

Кафедра общего и славянорусского языкознания

 

 

 

 

Начала термодинамики  и использование термодинамических моделей для описания социальных процессов

                                                   Контрольная работа

 

 

 

 

 

                                                                   Исполнитель:

Бондаренко Евгений Евгеньевич

                                                              (ФЛ-ЛБ 42)

                                                                                        Научный руководитель:

                                                                                                 Прыгунов Григорий Павлович

 

Содержание

Введение.

Глава 1. Понятие термодинамики

Глава 2. Начала термодинамики

2.1. Нулевое начало термодинамики

2.2. Первое начало термодинамики

2.3. Второе начало термодинамики

2.4. Третье начало термодинамики

Глава 3. Социальная термодинамика

3.1. Понятие социосистемы

3.2. Описание социосистемы с помощью термодинамических параметров

3.3. Социоглюонное взаимодействие. Стэнфордский эксперимент

3.4. Понятие идентичности. Идентичности как источники социального движения

3.5. Простейшие социальные "тепловые двигатели".

Заключение

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В данной работе мы дадим  описание таким физическим принципам, как начала термодинамики, а также  рассмотрим использование термодинамических  моделей для описания социальных процессов. Но для освещения этих понятий предварительно давайте  рассмотрим такое понятие как  термодинамика.

Глава 1. Понятие термодинамики

Термодина́мика (греч. θέρμη — «тепло», δύναμις — «сила») — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а также теплотехника.

В термодинамике имеют дело не с  отдельными молекулами, а с макроскопическими  телами, состоящими из огромного числа  частиц. Эти тела называются термодинамическими системами. В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами — давлением, температурой, объёмом, и пр., которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

В теоретической физике наряду с феноменологической термодинамикой, изучающей феноменологию тепловых процессов, выделяют термодинамику статистическую, которая была создана для механического обоснования термодинамики и была одним из первых разделов статистической физики.

Термодинамика может быть применена  в широком круге вопросов в  области науки и техники, таких, как двигатели, фазовые переходы, химические реакции, явления переноса, и даже чёрные дыры. Термодинамика имеет важное значение для других областей физики и химии, химической технологии, аэрокосмической техники, машиностроения, клеточной биологии, биомедицинской инженерии, материаловедения, и полезна в таких других областях, как экономика и социология.

Глава 2. Начала термодинамики

Начала термодинамики — совокупность постулатов, лежащих в основе термодинамики. Эти положения были установлены в результате научных исследований и были доказаны экспериментально. В качестве постулатов они принимаются для того, чтобы термодинамику можно было построить аксиоматически.

Необходимость начал термодинамики  связана с тем, что термодинамика  описывает макроскопические параметры  систем без конкретных предположений  относительно их микроскопического  устройства. Вопросами внутреннего  устройства занимается статистическая физика.

Начала термодинамики независимы, то есть ни одно из них не может быть выведено из других начал.

2.1. Нулевое начало термодинамики

Существует функция состояния - температура. Равенство температур во всех точках есть условие равновесия двух систем или двух частей одной  и той же системы. Свое название"нулевое начало" это положение получило по предложению Р. Фаулера, известного английского физика, учениками которого являются П. Дирак, Дж. Леннард-Джонс, Р. Пайерлс, Д. Хартри и др.

Чтобы яснее представить смысл  нулевого начала, можно исходить из другого предположения (аксиомы), достаточно очевидного с физической точки зрения. Будем считать, что если системы А и В и В и С находятся в тепловом равновесии, то системы А и С также находятся в тепловом равновесии между собой (закон транзитивности теплового равновесия). Пусть состояние каждой из систем А, В и С характеризуется давлением p и объемом V. Когда мы говорим, что между двумя системами существует равновесие, то это значит, что объем и давление одной системы связаны с объемом и давлением другой системы. Таким образом, для трех систем в равновесии существуют три функциональных соотношения:

F1(pA , VA , pB , VB) = 0,

F2(pA , VA , pC , VC) = 0,

F3(pC , VC , pB , VB) = 0

Эти соотношения удовлетворяются, если каждую функцию представить  в виде:

F1 = fA(pA , VA) - fB(pB , VB),

F2 = fA(pA , VA) - fC(pC , VC),

F3 = fB(pB , VB) - fC(pC , VC).

Если теперь одну из систем, например А, использовать как термометр, то значение функции fA(pA , VA) = Q можно рассматривать как эмпирическую температуру. Сами же уравнения

fA(pA , VA) = fB(pB , VB) = fC(pC , VC) = Q

называются уравнениями состояния. В случае идеального газа это уравнение  Клапейрона-Менделеева.

Необходимо подчеркнуть произвол в выборе определенной шкалы температур. Из предыдущего ясно, что за температуру  можно было бы принять не только Q, но и любую функцию Q. Действительно, в обиходе используются несколько  температурных шкал: шкалы Цельсия, Фаренгейта, Кельвина. Выбор Q в качестве температуры соответствует абсолютной термодинамической шкале температур, или шкале Кельвина (В. Томсон, 1848).

На первый взгляд может показаться, что нулевое начало (или закон  транзитивности) очевидно, но это совсем не так. Кусок янтаря, который потерли  шерстью, будет притягивать нейтральный шарик из бузины С. Так же будет себя вести и другой кусок янтаря В, но два куска янтаря не будут притягиваться друг к другу.

Физический смысл температуры  наиболее отчетливо проявляется, если рассмотреть молекулярно-кинетическую картину теплового движения. В  условиях равновесия, как мы уже  говорили, средняя энергия теплового  движения связана с температурой. Таким образом, температура выступает  как мера средней энергии теплового  движения молекул.

Подчеркнем одно важное обстоятельство. Любой вывод, приводящий к введению температуры, относится к термодинамическому равновесию. Поэтому температура  определена только для состояний  равновесия. Простейшие неравновесные  системы можно описывать с  помощью понятия температуры, если ее относить к отдельным компонентам  системы. Например, в разреженном  газе, в котором происходит электрический  разряд, можно говорить отдельно о  температуре электронов и температуре  ионов. Для системы в состояниях, сильно отличающихся от состояния равновесия, понятие температуры вообще теряет смысл. Так, например, нельзя говорить о температуре газа во фронте сильной  ударной волны или газа, подвергнутого  воздействию мощного лазерного  излучения.

2.2. Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

Существует несколько эквивалентных  формулировок первого начала термодинамики:

В любой изолированной системе  запас энергии остаётся постоянным. Это — формулировка Дж. П. Джоуля (1842 г.).

Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии  и совершение работы против внешних  сил.

Изменение внутренней энергии системы  при переходе её из одного состояния  в другое равно сумме работы внешних  сил и количества теплоты, переданного  системе, то есть, оно зависит только от начального и конечного состояния  системы и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход. Это определение особенно важно  для химической термодинамики (ввиду  сложности рассматриваемых процессов). Иными словами, внутренняя энергия  является функцией состояния. В циклическом  процессе внутренняя энергия не изменяется.

Изменение полной энергии системы  в квазистатическом процессе равно  количеству теплоты, сообщённому системе, в сумме с изменением энергии, связанной с количеством вещества   при химическом потенциале, и работы, совершённой над системой внешними силами и полями, за вычетом работы, совершённой самой системой против внешних сил:

Для элементарного количества теплоты  , элементарной работы   и малого приращения   внутренней энергии первый закон термодинамики имеет вид:

.

Разделение работы на две части, одна из которых описывает работу, совершённую над системой, а вторая — работу, совершённую самой системой, подчёркивает, что эти работы могут быть совершены силами разной природы вследствие разных источников сил.

Важно заметить, что   и   являются полными дифференциалами, а   и   — нет.

Рассмотрим несколько частных  случаев:

1. Если  , то это означает, что тепло к системе подводится.
2. Если  , аналогично — тепло отводится.
3. Если  , то система не обменивается теплом с окружающей средой и называется адиабатически изолированной.

Обобщая: в конечном процессе   элементарные количества теплоты могут быть любого знака. Общее количество теплоты, которое мы назвали просто   — это алгебраическая сумма количеств теплоты, сообщаемых на всех участках этого процесса. В ходе процесса теплота может поступать в систему или уходить из неё разными способами.

При отсутствии работы над системой и потоков энергии-вещества, когда  ,  ,  , выполнение системой работы   приводит к тому, что  , и энергия системы   убывает. Поскольку запас внутренней энергии   ограничен, то процесс, в котором система бесконечно долгое время выполняет работу без подвода энергии извне, невозможен, что запрещает существование вечных двигателей первого рода.

Первое начало термодинамики:

• при изобарном процессе

• при изохорном процессе ( )

• при изотермическом процессе 

Здесь   — масса газа,   — молярная масса газа,   — молярная теплоёмкость при постоянном объёме,   — давление, объём и температура газа соответственно, причём последнее равенство верно только для идеального газа.

2.3. Второе начало термодинамики

Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.

Второе начало термодинамики запрещает  так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю (невозможно построить замкнутый цикл, проходящий через точку с нулевой температурой).

Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:

• Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса).
• Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).