Рассмотрим особенности термодинамических систем. Под ними принято понимать физические макроскопические формы, состоящие из значительного количества частиц, которые не предполагают использования для описания макроскопических показателей каждой отдельной частицы.
Нет ограничений в природе материальных частиц, которые являются составными компонентами таких систем. Они могут быть представлены в виде молекул, атомов, ионов, электронов, фотонов.
Особенности
Проанализируем отличительные характеристики термодинамических систем. В качестве примера можно привести любой предмет, который можно наблюдать без использования телескопов, микроскопов. Чтобы дать полноценное описание такой системе, подбирают макроскопические детали, благодаря которым можно определить объем, давление, температуру, электрическую поляризацию, величину магнитной индукции, химический состав, массу компонентов.
Для любых термодинамических систем существуют условные либо реальные границы, которые отделяют их от окружающей среды. Вместо нее часто используют понятие термостата, характеризующегося такой высокой величиной теплоемкости, что в случае теплообмена с анализируемой системой температурный показатель сохраняет неизменное значение.
Классификация систем
Рассмотрим, что представляет собой классификация термодинамических систем. В зависимости от характера взаимодействия ее с окружающей средой, принято выделять:
- изолированные виды, которые не обмениваются ни веществом, ни энергией с внешней средой;
- адиабатически изолированные, не совершающие обмена с внешней средой веществом, но вступающие в обмен работой или энергией;
- у закрытых термодинамических систем нет обмена веществом, допускается только изменение величины энергии;
- открытые системы характеризуются полной передачей энергии, вещества;
- частично открытые могут иметь полупроницаемые перегородки, поэтому не в полной мере принимать участие в материальном обмене.
В зависимости от описания, параметры термодинамической системы, могут подразделяться на сложные и простые варианты.
Особенности простых систем
Простыми системами называют равновесные состояния, определить физическое состояние которых можно удельным объемом, температурой, давлением. Примеры термодинамических систем подобного типа - изотропные тела, имеющие равные характеристики в разных направлениях и точках. Так, жидкости, газообразные вещества, твердые тела, которые находятся в состоянии термодинамического равновесия, не подвергаются воздействию электромагнитных и гравитационных сил, поверхностному натяжению, химическим превращениям. Анализ простых тел признан в термодинамике важным и актуальным с практической и теоретической точки зрения.
Внутренняя энергия термодинамической системы такого вида связана с окружающим миром. При описании используют число частиц, массу вещества каждого отдельного компонента.
Сложные системы
К сложным относят термодинамические системы, которые не попадают под простые виды. Например, ими являются магнетики, диэлектрики, твердые упругие тела, сверхпроводники, поверхности раздела фаз, тепловое излучение, электрохимические системы. В качестве параметров, используемых для их описания, отметим упругость пружины или стержня, поверхность фазового раздела, тепловое излучение.
Физической системой называют такую совокупность, в которой нет химического взаимодействия между веществами в пределах показателей температуры, давления, выбранных для исследования. А химическими системами называют те варианты, которые подразумевают взаимодействие между ее отдельными компонентами.
Внутренняя энергия термодинамической системы зависит от наличия изоляции ее с окружающим миром. Например, в качестве варианта адиабатической оболочки, можно представить сосуд Дьюара. Гомогенный характер проявляется у системы, в которой все компоненты имеют сходные свойства. Примерами их служат газовые, твердые, жидкие растворы. Типичным примером газовой гомогенной фазы является атмосфера Земли.
Особенности термодинамики
Данный раздел науки занимается изучением основных закономерностей протекания процессов, которые связаны с выделением, поглощением энергии. В химической термодинамике предполагается изучение взаимных превращений составных частей системы, установление закономерностей перехода одного вида энергии в другой при заданных условиях (давлении, температуре, объеме).
Система, являющаяся объектом термодинамического исследования, может быть представлена в виде любого объекта природы, включающего в себя большое число молекул, которые отделены границей раздела с другими реальными объектами. Под состоянием системы подразумевают совокупность ее свойств, которые позволяют определять ее с позиций термодинамики.
Заключение
В любой системе наблюдается переход одного вида энергии в другой, устанавливается термодинамическое равновесие. Раздел физики, которые занимается детальным изучением превращений, изменений, сохранений энергии, имеет особое значение. Например, в химической кинетике можно не просто описать состояние системы, но и рассчитать условия, способствующие ее смещению в нужном направлении.
Закон Гесса, связывающий энтальпию, энтропию рассматриваемого превращения, дает возможность выявлять возможность самопроизвольного протекания реакции, рассчитывать количество теплоты, выделяемого (поглощаемого) термодинамической системой.
Термохимия, базирующаяся на основах термодинамики, имеет практическое значение. Благодаря данному разделу химии, на производстве проводят предварительные расчеты эффективности топлива и целесообразности внедрения определенных технологий в реальное производство. Сведения, получаемые из термодинамики, дают возможность применять явления упругости, термоэлектричества, вязкости, намагничивания для промышленного производства различных материалов.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Совокупность макроскопич. тел, к-рые могут взаимодействовать между собой и с др. телами (внеш. средой) - обмениваться с ними энергией и в-вом. Т. с. состоит из столь большого числа структурных ч-ц (атомов, молекул), что её состояние можно характеризовать макроскопич. параметрами: плотностью, давлением, концентрацией в-в, образующих Т. с., и т. д.
РАВНОВЕСИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ), если параметры системы с течением времени не меняются и в системе нет к.-л. стационарных потоков (теплоты, в-ва и др.). Для равновесных Т. с. вводится понятие температуры как параметра , имеющего одинаковое значение для всех макроскопич. частей системы. Число независимых параметров состояния равно числу степеней свободы Т. с., остальные параметры могут быть выражены через независимые с помощью уравнения состояния. Св-ва равновесных Т. с. изучает равновесных процессов (термостатика); св-ва неравновесных систем - .
В термодинамике рассматривают: закрытые Т. с., не обменивающиеся в-вом с др. системами, обменивающиеся в-вом и энергией с др. системами; адиабатные Т. с., в к-рых отсутствует с др. системами; изолированные Т. с., не обменивающиеся с др. системами ни энергией, ни в-вом. Если система не изолирована, то её состояние может изменяться; изменение состояния Т. с. наз. термодинамическим процессом. Т. с. может быть физически однородной (гомогенной системой) и неоднородной (гетерогенной системой), состоящей из неск. однородных частей с разными физ. св-вами. В результате фазовых и хим. превращений (см. ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД) гомогенная Т. с. может стать гетерогенной и наоборот.
Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Совокупность макроскопич. тел, к-рые могут взаимодействовать между собой и с др. телами (внеш. средой) - обмениваться с ними энергией и веществом. Т. с. состоит из столь большого числа структурных частиц (атомов, молекул), что её со-стойние можно характеризовать макроскопич. параметрами: плотностью, давлением, концентрацией веществ, образующих Т. с., и т. д.
Т. с. находится в равновесии (см. Равновесие термодинамическое),
если параметры системы с течением времени не меняются и в системе нет к.-л. стационарных потоков (теплоты, вещества и др.). Для равновесных Т. с. вводится понятие температуры
как параметра состояния,
имеющего одинаковое значение для всех макроскопич. частей системы. Число независимых параметров состояния равно числу степеней свободы
Т. с., остальные параметры могут быть выражены через независимые с помощью уравнения состояния.
Свойства равновесных Т. с. изучает термодинамика
равновесных процессов (термостатика), свойства не-равновесных систем - термодинамика неравновесных процессов.
В термодинамике рассматривают: з а к р ы т ы е Т. с., не обменивающиеся веществом с др. системами; открытые системы,
обменивающиеся веществом и энергией с др. системами; а д и а б а т н ы е Т. с., в к-рых отсутствует теплообмен с др. системами; и з о л и р о в а н н ы е Т. гомогенной системой)и неоднородной ( гетерогенной системой),
состоящей из нескольких однородных частей с разными физ. свойствами. В результате фазовых и хим. превращений (см. Фазовый переход
)гомогенная Т. с. может стать гетерогенной и наоборот.
Лит.:
Эпштейн П. С., Курс термодинамики, пер. с англ., М.- Л., 1948; Леонтович М. А., Введение в термодинамику, 2 изд., М.-Л., 1951; Самойлович А, Г., Термодинамика и , 2 изд., М., 1955.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Смотреть что такое "ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА" в других словарях:
Макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек (они могут быть также и мысленными, условными) и характеризующееся макроскопическими параметрами: объемом, температурой, давлением и др. Для этого… … Большой Энциклопедический словарь
термодинамическая система - термодинамическая система; система Совокупность тел, могущих энергетически взаимодействовать между собой и с другими телами и обмениваться с ними веществом … Политехнический терминологический толковый словарь
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - совокупность физ. тел, которые могут обмениваться между собой и с др. телами (внешней средой) энергией и веществом. Т. с. является любая система, состоящая из очень большого числа молекул, атомов, электронов и др. частиц, имеющих множество… … Большая политехническая энциклопедия
термодинамическая система - Тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 103. Термодинамика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1984 г … Справочник технического переводчика
термодинамическая система - – произвольно выбранная часть пространства, содержащая одно или несколько веществ и отделенная от внешней среды реальной или условной оболочкой. Общая химия: учебник / А. В. Жолнин … Химические термины
термодинамическая система - макроскопическое тело, отделенное от окружающей среды реальными или воображаемыми границами, которое можно охарактеризовать термодинамическими параметрами: объемом, температурой, давлением и др. Различают изолированные,… … Энциклопедический словарь по металлургии
Макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек (они могут быть также и мысленными, условными), которое можно характеризовать макроскопическими параметрами: объёмом, температурой, давлением и др. Для… … Энциклопедический словарь
Термодинамика … Википедия
термодинамическая система - termodinaminė sistema statusas T sritis chemija apibrėžtis Kūnas (kūnų visuma), kurį nuo aplinkos skiria reali ar įsivaizduojama riba. atitikmenys: angl. thermodynamic system rus. термодинамическая система … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
термодинамическая система - termodinaminė sistema statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. thermodynamic system vok. thermodynamisches System, n rus. термодинамическая система, f pranc. système thermodynamique, m … Fizikos terminų žodynas
Введение . Предмет теплотехники. Основные понятия и определения. Термодинамическая система. Параметры состояния. Температура. Давление. Удельный объем. Уравнение состояния. Уравнение Ван-дер-Ваальса .
Соотношение между единицами:
1 бар = 10 5 Па
1 кг/см 2 (атмосфера) = 9.8067 10 4 Па
1мм рт. ст (миллиметр ртутного столба) = 133 Па
1 мм вод. ст. (миллиметр водного столба) = 9.8067 Па
Плотность - отношение массы вещества к объему занимаемому эти веществом .
Удельный объем - величина обратная плотности, т.е. отношения объема занятого веществом к его массе .
Определение: Если в термодинамической системе меняется хотя бы один из параметров любого входящего в систему тела, то в системе происходит термодинамический процесс .
Основные термодинамические параметры состояния Р, V, Т однородного тела зависят один от другого и взаимно связаны уравнением состояния:
F (P, V, Т )
Для идеального газа уравнение состояния записывается в виде:
P - давление
v - удельный объем
T - температура
R - газовая постоянная (у каждого газа свое значение)
Если известно уравнение состояния, то для определения состояния простейших систем достаточно знать две независимые переменные из 3-х
Р = f1 (v, т); v = f2 (Р, Т); Т = f3 (v, Р).
Термодинамические процессы часто изображаются на графиках состояния, где по осям отложены параметры состояния. Точки, на плоскости такого графика, соответствуют определенному состоянию системы, линии на графике соответствуют термодинамическим процессам, переводящим систему из одного состояния в другое.
Рассмотрим термодинамическую систему, состоящую из одного тела какого-либо газа в сосуде с поршнем, причем сосуд и поршень в данном случае является внешней средой.
Пусть, для примера, происходит нагрев газа в сосуде, возможны два случая :
1) Если поршень зафиксирован, и объем не меняется, то произойдет повышение давления в сосуде. Такой процесс называется изохорным (v = const), идущий при постоянном объеме;
Рис. 1.1. Изохорные процессы в P - T координатах: v 1 >v 2 >v 3
2) Если поршень свободен, то нагреваемый газ будет расширяться, при постоянном давлении такой процесс называется изобарическим (P = const), идущим при постоянном давлении.
Рис. 1.2 Изобарные процессы в v - T координатах: P 1 >P 2 >P 3
Если, перемещая поршень, изменять объем газа в сосуде то, температура газа тоже будет изменяться, однако можно охлаждая сосуд при сжатии газа и нагревая при расширении можно достичь того, что температура будет постоянной при изменениях объема и давления, такой процесс называется изотермическим (Т = const).
Рис. 1.3 Изотермические процессы в P - v координатах: Т 1 >T 2 >T 3
Процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой, называется адиабатным , при этом количество теплоты в системе остается постоянными (Q = const). В реальной жизни адиабатных процессов не существует поскольку полностью изолировать систему от окружающей среды не возможно. Однако, часто происходят процессы, при которых теплообменном с окружающей средой очень мал, например, быстрое сжатие газа в сосуде поршнем, когда тепло не успевает отводиться за счет нагрева поршня и сосуда.
Рис. 1.4 Примерный график адиабатного процесса в P - v координатах.
Определение: Круговой процесс (Цикл) - это совокупность процессов, возвращающих систему в первоначальное состояние . Число отдельных процессов может быть любым в цикле.
Понятие кругового процесса является для нас ключевым в термодинамике, поскольку работа АЭС основана на пароводяном цикле, другими словами мы можем рассматривать испарение воды а активной зоне (АЗ), вращение паром ротора турбины, конденсацию пара и поступление воды в АЗ как некий замкнутый термодинамический процесс или цикл.
Определение: Рабочие тело - определенное количество вещества, которое, участвуя в термодинамическом цикле, совершает полезную работу . Рабочим телом в реакторной установке РБМК является вода, которая после испарения в активной зоне в виде пара совершает работу в турбине, вращая ротор.
Определение: Передача энергии в термодинамическом процессе от одного тела к другому, связанная с изменением объема рабочего тела, с перемещением его во внешнем пространстве или с изменением его положения называется работой процесса .
Термодинамическая система
Техническая термодинамика (т/д) рассматривает закономерности взаимного превращения теплоты в работу. Она устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях.
Термодинамика базируется на двух основных законах (началах) термодинамики:
I закон термодинамики - закон превращения и сохранения энергии;
II закон термодинамики - устанавливает условия протекания и направленность макроскопических процессов в системах, состоящих из большого количества частиц.
Техническая т/д, применяя основные законы к процессам превращения теплоты в механическую работу и обратно, дает возможность разрабатывать теории тепловых двигателей, исследовать процессы, протекающие в них и т.п.
Объектом исследования является термодинамическая система, которой могут быть группа тел, тело или часть тела. То что находится вне системы называется окружающей средой . Т/д система это совокупность макроскопических тел, обменивающиеся энергией друг с другом и окружающей средой. Например: т/д система - газ, находящейся в цилиндре с поршнем, а окружающая среда - цилиндр, поршень, воздух, стены помещения.
Изолированная система - т/д система не взаимодействующая с окружающей средой.
Адиабатная (теплоизолированная) система - система имеет адиабатную оболочку, которая исключает обмен теплотой (теплообмен) с окружающей средой.
Однородная система - система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства.
Гомогенная система - однородная система по составу и физическому строению, внутри которой нет поверхностей раздела (лед, вода, газы).
Гетерогенная система
- система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (лед и вода, вода и пар).
В тепловых машинах (двигателях) механическая работа совершается с помощью рабочих тел - газ, пар.
Свойства каждой системы характе-ризуются рядом величин, которые при-нято называть термодинамиче-скими параметрами. Рассмот-рим некоторые из них, используя при этом известные из курса физики молекулярно-кинетические представления об идеальном газе как о совокупности моле-кул, которые имеют исчезающе малые размеры, находятся в беспорядочном тепловом движении и взаимодействуют друг с другом лишь при соударениях.
Давление обусловлено взаимо-действием молекул рабочего тела с по-верхностью и численно равно силе, дей-ствующей на единицу площади повер-хности тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа определяется соотношением
Где n — число молекул в единице объема;
т — масса молекулы; с 2 — средняя квадратическая скорость поступательного движения молекул.
В Международной системе единиц (СИ) давление выражается в паскалях (1 Па = 1 Н/м 2). Поскольку эта единица мала, удобнее использовать 1 кПа = 1000 Па и 1 МПа = 10 6 Па.
Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров.
Жидкостные и пружинные манометры измеряют избыточное давление, пред-ставляющее собой разность между полным или абсолютным давлением р изме-ряемой среды и атмосферным давлением
p атм, т.е.
Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуум-метрами; их показания дают значение разрежения (или вакуума):
т. е. избыток атмосферного давления над абсолютным.
Следует отметить, что параметром состояния является абсолютное давление. Именно оно входит в термодинамические уравнения.
Температурой называется физическая величина , характеризующая степень нагретости тела. Понятие о температуре вытекает из следующего утвер-ждения: если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их температур они будут обмениваться теплотой друг с другом, если же их температуры равны, то теплообмена не будет.
С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Е е численное значение связано с величиной средней кинетической энергии молекул вещества:
где k — постоянная Больцмана, равная 1,380662.10? 23 Дж/К. Температура T, определенная таким образом, называется абсолютной .
В системе СИ единицей температуры является кельвин (К); на практике широко применяется градус Цельсия (°С). Соотношение между абсолютной Т и стоградусной I температурами имеет вид
В промышленных и лабораторных условиях температуру измеряют с помощью жидкостных термометров, пирометров, термопар и других приборов.
Удельный объем v — это объем единицы массы вещества. Если однородное тело массой М занимает объем v, то по определению
v = V/М.
В системе СИ единица удельного объема 1 м 3 /кг. Между удельным объемом вещества и его плотность существует очевидное соотношение:
Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях вводится понятие «нормальные физические условия»:
p = 760 мм рт.ст. = 101,325 кПа; T = 273,15 K.
В разных отраслях техники и разных странах вводят свои, несколько отличные от приведенных «нормальные условия», например, «технические» (p = 735,6 мм рт.ст. = 98 кПа, t = 15?C) или нормальные условия для оценки производительности компрессоров (p = 101,325 кПа, t = 20?С) и т. д.
Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равно-весным .
Если между различными точками в системе существуют разности темпера-тур, давлений и других параметров, то она является неравновесной . В такой системе под действием градиентов параметров возникают потоки теплоты, вещества и другие, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. Опыт показывает, что изолированная система с течением времени всегда приходит в со-стояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может. В классической термодинамике рассматриваются только равновесные системы.
Уравнение состояния. Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая называется уравнением состояния . Опыт показывает, что удельный объем, температура и давление простейших систем, которыми являются газы, пары или жидкости, связаны термическим уравнением состояние вида:
Уравнению состояния можно придать другую форму:
Эти уравнения показывают, что из трех основных параметров, определяющих состояние системы, независимыми являются два любых.
Для решения задач методами термодинамики совершенно необходимо знать уравнение состояния. Однако оно не может быть получено в рамках термодинамики и должно быть найдено либо экспериментально, либо методами статистической физики. Конкретный вид уравнения состояния зависит от индивидуальных свойств вещества.
Термодинамическая система – это часть материального мира, отделенная от окружающей среды реальными или воображаемыми границами и являющаяся объектом исследования термодинамики. Окружающая среда значительно больше по объему, и поэтому изменения в ней незначительны по сравнению с изменением состояния системы. В отличие от механических систем, которые состоят из одного или нескольких тел, термодинамическая система содержит очень большое число частиц, что порождает совершенно новые свойства и требует иных подходов к описанию состояния и поведения таких систем. Термодинамическая система представляет собой макроскопический объект .
Классификация термодинамических систем
1. По составу
Термодинамическая система состоит из компонентов. Компонент - это вещество, которое может быть выделено из системы и существовать вне ее, т.е. компоненты – это независимые вещества.
Однокомпонентные.
Двухкомпонентные, или бинарные.
Трехкомпонентные – тройные.
Многокомпонентные.
2. По фазовому составу – гомогенные и гетерогенные
Гомогенные системы имеют одинаковые макроскопические свойства в любой точке системы, прежде всего температуру, давление, концентрацию, а также многие другие, например, показатель преломления, диэлектрическую проницаемость, кристаллическую структуру и др. Гомогенные системы состоят из одной фазы.
Фаза – это однородная часть системы, отделенная от других фаз поверхностью раздела и характеризующаяся своим уравнением состояния. Фаза и агрегатное состояние – перекрывающиеся, но не идентичные понятия. Агрегатных состояний только 4, фаз может быть гораздо больше.
Гетерогенные системы состоят минимум из двух фаз.
3. По типам связей с окружающей средой (по возможностям обмена с окружающей средой).
Изолированная система не обменивается с окружающей ни энергией, ни веществом. Это идеализированная система, которую, в принципе нельзя экспериментально изучать.
Закрытая система может обмениваться с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом.
Открытая система обменивается и энергией, и веществом
Состояние ТДС
Состояние ТДС – это совокупность всех ее измеримых макроскопических свойств, имеющих, следовательно, количественное выражение. Макроскопический характер свойств означает, что их можно приписать только к системе в целом, а не отдельным частицам, которые составляют ТДС (Т, р, V, c, U, n k). Количественные характеристики состояния связаны между собой. Поэтому существует минимальный набор характеристик системы, называемых параметрами , задание которых позволяет полностью описать свойства системы. Количество этих параметров зависит от типа системы. В простейшем случае для закрытой гомогенной газовой системы в состоянии равновесия достаточно задать только 2 параметра. Для открытой системы кроме этих 2 характеристик системы требуется задать число молей каждого компонента.
Термодинамические переменные подразделяются:
- внешние , которые определяются свойствами и координатами системы в окружающей среде и зависят от контактов системы с окружением, например, масса и количество компонентов, напряженность электрического поля, число таких переменных ограничено;
- внутренние, которые характеризуют свойства системы, например, плотность, внутренняя энергия, число таких параметров неограниченно;
- экстенсивные, которые прямо пропорциональны массе системы или числу частиц, например, объем, энергия, энтропия, теплоемкость;
-интенсивные, которые не зависят от массы системы, например, температура, давление.
Параметры ТДС связаны между собой соотношением, которое носит название уравнение состояние системы. Общий вид его f (p,V, T) = 0. Одна из важнейших задач ФХ – найти уравнение состояния любой системы. Пока точное уравнение состояния известно лишь для идеальных газов (уравнение Клапейрона - Менделеева).
pV = nRT, ( 1.1)
где R – универсальная газовая постоянная = 8.314 Дж/(моль.К) .
[p] = Па, 1атм = 1,013*10 5 Па = 760 мм рт.ст.,
[V] = м 3 , [T] = К, [n] = моль, N = 6.02*1023 моль-1. Реальные газы лишь приближенно описываются данным уравнением, и чем выше давление и ниже температура, тем больше отклонение от данного уравнения состояния.
Различают равновесное и неравновесное состояния ТДС.
Классическая термодинамика обычно ограничивается рассмотрением равновесных состояний ТДС. Равновесие - это такое состояние, к которому самопроизвольно приходит ТДС, и в котором она может существовать бесконечно долго в отсутствие внешних воздействий. Для определения равновесного состояния всегда требуется меньшее количество параметров, чем для неравновесных систем.
Равновесное состояние подразделяют на:
- устойчивое (стабильное) состояние, при котором всякое бесконечно малое воздействие вызывает только бесконечно малое изменение состояния, а при устранении этого воздействия система возвращается в исходное состояние;
- метастабильное состояние, при котором некоторые конечные воздействия вызывают конечные изменения состояния, которые не исчезают при устранения этих воздействий.
Изменение состояния ТДС связанное с изменением хотя бы одной из ее термодинамических переменных, называют термодинамическим процессом . Особенностью описания термодинамических процессов является то, что они характеризуются не скоростями изменения свойств, а величинами изменений. Процесс в термодинамике – это последовательность состояний системы, ведущая от начального набора термодинамических параметров к - конечному. Различают следующие термодинамические процессы:
- самопроизвольные , для осуществления которых не надо затрачивать энергию;
- несамопроизвольные , происходящие только при затрате энергии;
- необратимые (или неравновесные) – когда в результате процесса невозможно возвратить систему к первоначальному состоянию.
-обратимые – это идеализированные процессы, которые проходят в прямом и обратном направлении через одни и те же промежуточные состояния, и после завершения цикла ни в системе, ни в окружающей среде не наблюдается никаких изменений.
Функции состояния – это характеристики системы, которые зависят только от параметров состояния, но не зависят от способа его достижения.
Функции состояния характеризуются следующими свойствами:
Бесконечно малое изменение функции f является полным дифференциалом df;
Изменение функции при переходе из состояния 1 в состояние 2 определяется только этими состояниями ∫ df = f 2 – f 1
В результате любого циклического процесса функция состояния не изменяется, т.е. равна нулю.
Теплота и работа – способы обмена энергией между ТДС и окружающей средой. Теплота и работа характеристики процесса, они не являются функциями состояния.
Работа - форма обмена энергией на макроскопическом уровне, когда происходят направленное перемещение объекта. Работа считается положительной, если ее совершает система против внешних сил.
Теплота – форма обмена энергией на микроскопическом уровне, т.е. в форме изменения хаотического движения молекул. Принято считать положительной теплоту, полученную системой, и работу, совершенную над ней, т.е. действует “эгоистический принцип”.
Наиболее часто используемыми единицами измерения энергии и работы, в частности, в термодинамике являются джоуль (Дж) в системе СИ и внесистемная единица – калория (1 кал = 4,18 Дж).
В зависимости от характера объекта различают разные виды работы:
1. Механическая - перемещение тела
dА мех = - F ех dl. (2.1)
Работа – скалярное произведение 2-х векторов силы и перемещения, т.е.
|dА мех | = F dl cos α. Если направление внешней силы противоположно перемещению, совершаемому внутренними силами, то cos α < 0.
2. Работа расширения (чаще всего рассматривается расширение газа)
dА = - р dV (1.7)
Однако нужно иметь в виду, что это выражение справедливо только для обратимого протекания процесса.
3. Электрическая – перемещение электрических зарядов
dА эл = -jdq, (2.2)
где j - электрический потенциал.
4. Поверхностная – изменение площади поверхности,
dА поверхн. = -sdS, (2.3)
где s - поверхностное натяжение.
5. Общее выражение для работы
dА = - Ydx, (2.4)
Y – обобщенная сила, dx - обобщенная координата, таким образом работа может рассматриваться как произведение интенсивного фактора на изменение экстенсивного.
6. Все виды работы, кроме работы расширения, называются полезной работой (dА’ ). dА = рdV + dА’ (2.5)
7. По аналогии можно ввести понятие химической работы, когда направленно перемещается k -ое химическое вещество, n k – экстенсивное свойство, при этом интенсивный параметр m k называется химическим потенциалом k -ого вещества
dА хим = -Sm k dn k . (2.6)
Определение 1
Термодинамическая система - совокупность и постоянство макроскопических физических тел, которые всегда взаимодействуют между собой и с другими элементами, обмениваясь с ними энергией.
Под системой в термодинамике ими принято понимать макроскопические физические формы, которые состоят из огромного количества частиц, не предполагающие применение макроскопических показателей для описания каждой отдельного элемента. Нет определенных ограничений в природе материальных тел, являющиеся составными компонентами таких концепций. Они могут быть представлены в виде атомов, молекул, электронов, ионов и фотонов
Термодинамические системы бывают трех основных видов:
- изолированные – обмен с веществом или энергией с окружающей средой не выполняется;
- закрытые - тело не взаимосвязано с окружающей средой;
- открытые - есть и энерго- и массообмен с внешним пространством.
Энергию любой термодинамической системы можно разделить на зависящую от положения и движения системы энергию, а также энергию, которая определяется движением и взаимодействием микрочастиц, образующих концепцию. Вторую часть называют в физике внутренней энергией системы.
Особенности термодинамических систем
Рисунок 1. Типы термодинамических систем. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Замечание 1
В качестве отличительных характеристик систем в термодинамике можно привести любой предмет, наблюдаемый без использования микроскопов и телескопов.
Чтобы предоставить полноценное описание такой концепции, необходимо подобрать макроскопические детали, посредством которых возможно точно определить давление, объем, температуру, величину магнитной индукции, электрическую поляризацию, химический состав, массу движущихся компонентов.
Для любых термодинамических систем есть условные, либо реальные пределы, отделяющие их от окружающей среды. Вместо них часто рассматривают понятие термостата, которое характеризуется таким высоким показателем теплоемкости, что в случае теплообмена с анализируемой концепцией температурный параметр сохраняет неизменное значение.
В зависимости от общего характера взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой, принято выделять:
- изолированные виды, которые не обмениваются ни веществом, ни энергией с внешней средой;
- адиабатически изолированные- системы, не совершающие обмена с внешней средой веществом, но вступающие в обмен энергией;
- закрытые системы- те, у которых нет обмена с веществом, допускается только незначительное изменение величины внутренней энергии;
- открытые системы - те что характеризуются полноценной передачей энергии, вещества;
- частично открытые – обладают полупроницаемыми перегородками, поэтому не в полной мере участвуют в материальном обмене.
В зависимости от формулировки, значения термодинамической концепции, могут подразделяться на простые и сложные варианты.
Внутренняя энергия систем в термодинамике
Рисунок 2. Внутренняя энергия термодинамической системы. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Замечание 2
К основным термодинамическим показателям, которые непосредственно зависят от массы системы, относят внутреннюю энергию.
Она включает в себя кинетическую энергию, обусловленную движением элементарных частиц вещества, а также потенциальную энергию, появляющуюся во время взаимодействия молекул между собой. Этот параметр всегда является однозначным. То есть значение и реализация внутренней энергии постоянны всякий раз, как концепция оказывается в нужном состоянии, независимо от того, каким методом это положение было достигнуто.
В системах, химический состав которых в процессе энергетических преобразований остается неизменным, при определении внутренней энергии важно учитывать только энергию теплового движения материальных частиц.
Хорошим примером такой системы в термодинамике является идеальный газ. Свободная энергия есть определенная работа, которую могло бы совершить физическое тело в изотермическом обратимом процессе, или свободная энергия представляет собой максимально возможной функционал, который может совершить концепция, обладая существенным запасом внутренней энергии. Внутренняя энергия системы приравнивается сумме связанное и свободной напряженности.
Определение 2
Связанная энергия – это та часть внутренней энергии, которая не способна самостоятельно превратиться в работу, – это обесцененный элемент внутренней энергии.
При одной и той же температуре указанный параметр увеличивается с ростом энтропия. Таким образом, энтропия термодинамической системы есть мера обеспеченности ее начальной энергии. В термодинамике есть еще определение – энергетическая потеря в стабильной изолированной системе
Обратимый процесс является термодинамическим процессом, который может быстро проходить как в обратном, так и в прямом направлении, проходя через одинаковые промежуточные положения, причем концепция в итоге возвращается в исходное состояние без затрат внутренней энергии, и в окружающем пространстве не остается макроскопических изменений.
Обратимые процессы дают максимальную работу. Самый лучший результат работы от системы на практике получить невозможно. Это придает обратимым явлениям теоретическую значимость, которая протекает бесконечно медленно, и можно только на небольшие расстояния приблизиться к нему.
Определение 3
Необратимым в науке называется процесс, который нельзя осуществить в противоположную сторону через все те же промежуточные состояния.
Все реальные явления в любом случае необратимы. Примеры таких эффектов: термодиффузия, диффузия, вязкое течение и теплопроводность. Переход кинетической и внутренней энергии макроскопического движения через постоянное трение в теплоту, то есть в саму систему, является необратимым процессом.
Переменные состояния систем
Состояние любой термодинамической системы можно определить по текущему сочетанию ее характеристик или свойств. Все новые переменные, которые в полной мере определяются только в определенный момент времени и не зависят от того, как именно концепция пришла в это положение, называются термодинамическими параметрами состояния или основными функциями пространства.
Система в термодинамике считается стационарной, если переменные значения с течением времени остаются стабильными и не изменяются. Один из вариантов стационарного состояния - это термодинамическое равновесие. Любое, даже самое незначительное изменение в концепции, - уже физический процесс, поэтому в нем может быть от одного до нескольких переменных показателей состояния. Последовательность, в которой состояния системы систематически переходят друг в друга, носит название «путь процесса».
К сожалению, путаница с терминами и детальным описанием все еще существует, ибо одна и та же переменная в термодинамике может быть, как независимой, так и итогом сложения сразу нескольких функций системы. Поэтому такие термины, как «параметр состояния», «функция состояния», «переменная состояния» могут иногда рассматриваться в виде синонимов.