Side 1
Et termodynamisk system har ligesom ethvert andet fysisk system en vis mængde energi, som normalt kaldes systemets indre energi.
Et termodynamisk system kaldes isoleret, hvis det ikke kan udveksle hverken energi eller stof med det ydre miljø. Et eksempel på et sådant system er en gas indesluttet i en beholder med konstant volumen. Et termodynamisk system kaldes adiabatisk, hvis det ikke kan udveksle energi med andre systemer ved varmeveksling.
Et termodynamisk system er et sæt af legemer, der i en eller anden grad kan udveksle energi og stof mellem sig selv og omgivelserne.
Termodynamiske systemer er opdelt i lukkede, som ikke udveksler stof med andre systemer, og åbne, som udveksler stof og energi med andre systemer. I de tilfælde, hvor et system ikke udveksler energi og stof med andre systemer, kaldes det isoleret, og når der ikke er varmeudveksling, kaldes systemet adiabatisk.
Termodynamiske systemer kan bestå af blandinger af rene stoffer. En blanding (opløsning) kaldes homogen, når den kemiske sammensætning og fysiske egenskaber i eventuelle små partikler er de samme eller ændres kontinuerligt fra et punkt i systemet til et andet. Densiteten, trykket og temperaturen af en homogen blanding er identiske på ethvert tidspunkt. Et eksempel på et homogent system er en vis mængde vand, hvis kemiske sammensætning er den samme, men de fysiske egenskaber varierer fra et punkt til et andet.
Et termodynamisk system med et vist kvantitativt forhold mellem komponenter kaldes et enkelt fysisk-kemisk system.
Termodynamiske systemer (makroskopiske legemer) har sammen med mekanisk energi E også intern energi U, som afhænger af temperatur, volumen, tryk og andre termodynamiske parametre.
Et termodynamisk system kaldes ikke-isoleret eller åbent, hvis det kan modtage eller afgive varme til omgivelserne og producere arbejde, og det ydre miljø kan udføre arbejde på systemet. Et system er isoleret eller lukket, hvis det ikke udveksler varme med omgivelserne, og trykændringen inde i systemet påvirker ikke miljøet, og sidstnævnte kan ikke udføre arbejde på systemet.
Termodynamiske systemer består af et statistisk stort antal partikler.
Under visse ydre forhold kommer et termodynamisk system (eller et isoleret system) til en tilstand, der er karakteriseret ved konstanten af dets parametre over tid og fraværet af strømme af stof og varme i systemet. Denne tilstand af systemet kaldes ligevægt eller ligevægtstilstand. Systemet kan ikke spontant forlade denne tilstand. Tilstanden af et system, hvor der ikke er ligevægt, kaldes ikke-ligevægt. Processen med en gradvis overgang af et system fra en ikke-ligevægtstilstand forårsaget af ydre påvirkninger til en ligevægtstilstand kaldes afslapning, og tidsperioden for systemet til at vende tilbage til en ligevægtstilstand kaldes afslapningstid.
I dette tilfælde udfører det termodynamiske system ekspansionsarbejde ved at reducere systemets indre energi.
Et termodynamisk system er et studieobjekt i termodynamik og er et sæt af kroppe, der energetisk interagerer med hinanden og miljøet og udveksler stof med det.
Et termodynamisk system, overladt til sig selv under konstante ydre forhold, kommer til en tilstand af ligevægt, karakteriseret ved konstanten af alle parametre og fraværet af makroskopiske bevægelser. Denne tilstand af systemet kaldes en tilstand af termodynamisk ligevægt.
Et termodynamisk system er karakteriseret ved et begrænset antal uafhængige variable - makroskopiske størrelser kaldet termodynamiske parametre. En af de uafhængige makroskopiske parametre i et termodynamisk system, som adskiller det fra et mekanisk, er temperatur som et mål for intensiteten af termisk bevægelse. Kropstemperaturen kan ændre sig på grund af varmeudveksling med miljøet og påvirkning af varmekilder og som et resultat af selve deformationsprocessen. Forholdet mellem deformation og temperatur etableres ved hjælp af termodynamik.
Termodynamisk system er en proces eller et medium, der bruges i analysen af energioverførsel. Termodynamisk system er enhver zone eller rum begrænset af faktiske eller imaginære grænser valgt til analysen af energi og dens transformation. Dens grænser kan være ubevægelig eller mobil.En gas i en metalbeholder er et eksempel på et system med faste grænser. Hvis det er nødvendigt at analysere gas i en cylinder for, er beholderens vægge faste grænser. Hvis du vil analysere luften i en ballon, er ballonens overflade en bevægende grænse. Hvis du opvarmer luften i en ballon, strækker ballonens elastiske vægge sig, og systemets grænse ændres, når gassen udvider sig.
Rummet, der støder op til grænsen, kaldes miljøet. Alle har termodynamiske systemer der er et miljø, der kan være en kilde eller tage det væk. Miljøet kan også udføre arbejde på systemet eller opleve systemets drift.
Systemer kan være store eller små, afhængigt af grænserne. Systemet kan for eksempel dække hele kølesystemet eller gassen i en af kompressorcylindrene. Det kan eksistere i et vakuum eller kan indeholde flere faser af et eller flere stoffer. Derfor kan egentlige systemer indeholde tør luft og (to stoffer) eller vand og vanddamp(to stadier af det samme stof). Et homogent system består af et stof, en af dets faser eller en homogen blanding af flere komponenter.
Der er systemer lukket eller åben. I en lukket er det kun energi, der krydser dens grænser. Som følge heraf kan varme bevæge sig over grænserne af et lukket system ind i miljøet eller fra miljøet ind i systemet.
I et åbent system kan både energi og masse overføres fra systemet til mediet og tilbage. Ved analyse af pumper og varmevekslere er et åbent system nødvendigt, fordi væsker skal krydse grænser under analyse. Hvis massestrømmen i et åbent system er stabil og ensartet, så kaldes det et åbent system med konstant flow. Masseflow angiver, om den er åben eller lukket.
Stat termodynamisk system bestemt af et stofs fysiske egenskaber. Temperatur, tryk, volumen, indre energi og entropi er egenskaber, der bestemmer tilstanden, hvori et stof eksisterer. Da et systems tilstand er en ligevægtstilstand, kan den kun bestemmes, når systemets egenskaber er stabiliseret og ikke længere ændres.
Med andre ord kan et systems tilstand beskrives, når det er i ligevægt med sit miljø.
Et termodynamisk system er ethvert fysisk system, der består af et stort antal partikler - atomer og molekyler, som gennemgår endeløs termisk bevægelse og, i vekselvirkning med hinanden, udveksler energier. Sådanne termodynamiske systemer, og de simpleste, er gasser, hvis molekyler udfører tilfældige translationelle og roterende bevægelser og udveksler kinetiske energier under kollisioner. Faste stoffer er også termodynamiske systemer.
og flydende stoffer. Molekyler af faste stoffer undergår tilfældige vibrationer omkring deres ligevægtspositioner; udvekslingen af energi mellem molekyler sker på grund af deres kontinuerlige interaktion, som et resultat af hvilket forskydningen af et molekyle fra dets ligevægtsposition øjeblikkeligt afspejles i de midterste molekylers placering og bevægelseshastighed. Da den gennemsnitlige energi af termisk bevægelse af molekyler ifølge formlerne (1.7) og (1.8) er relateret til temperatur, er temperatur den vigtigste fysiske størrelse, der karakteriserer de forskellige tilstande af termodynamiske systemer. Ud over temperatur bestemmes tilstanden af sådanne systemer også af det volumen, de optager, og eksternt tryk eller eksterne kræfter, der virker på systemet.
En vigtig egenskab ved termodynamiske systemer er eksistensen af ligevægtstilstande, hvor de kan forblive i vilkårligt lang tid. Hvis der udøves en ydre påvirkning på et termodynamisk system, der er i en af ligevægtstilstandene, og derefter stoppes, så går systemet spontant over i en ny ligevægtstilstand. Det skal dog understreges, at tendensen til overgang til en ligevægtstilstand altid virker kontinuerligt, også i det tidsrum, hvor systemet er udsat for ydre påvirkninger. Denne tendens, eller mere præcist, den konstante eksistens af processer, der fører til opnåelse af ligevægtstilstande, er det vigtigste træk ved termodynamiske systemer.
For en gas, der er indesluttet i en bestemt beholder, er ligevægt en tilstand, hvor temperaturen, trykket og densiteten (eller antallet af molekyler pr. volumenenhed) i gassens volumen er den samme overalt. Hvis lokal opvarmning eller kompression er forårsaget ethvert sted i dette volumen, begynder processen med at udligne temperatur og tryk i systemet; denne proces vil fortsætte med at forekomme, så længe der er en ekstern påvirkning, men først efter ophøret af denne påvirkning vil udligningsprocessen føre systemet til en ny ligevægtstilstand.
Tilstandene af isolerede termodynamiske systemer, som på trods af fraværet af ydre påvirkninger ikke varer ved i begrænsede tidsrum, kaldes ikke-ligevægt. Systemet, i første omgang i en ikke-ligevægtstilstand, går over i en ligevægtstilstand over tid. Tidspunktet for overgangen fra en ikke-ligevægtstilstand til en ligevægtstilstand kaldes afslapningstid. Den omvendte overgang fra en ligevægtstilstand til en ikke-ligevægtstilstand kan udføres ved hjælp af eksterne påvirkninger på systemet. Især tilstanden af et system med forskellige temperaturer forskellige steder er ikke ligevægt; temperaturudligning i gasser, faste stoffer og væsker er overgangen af disse legemer til en ligevægtstilstand med samme temperatur i legemets volumen. Et andet eksempel på en ikke-ligevægtstilstand kan gives ved at betragte tofasesystemer bestående af en væske og dens damp. Hvis der er umættet damp over overfladen af en væske i en lukket beholder, så er systemets tilstand uligevægt: antallet af molekyler, der undslipper væsken pr. tidsenhed, er større end antallet
molekyler, der vender tilbage fra damp til væske i løbet af samme tid. Som følge heraf stiger antallet af molekyler i damptilstanden over tid (dvs. damptætheden stiger), indtil der er etableret en ligevægtstilstand med
Overgangen fra en ikke-ligevægtstilstand til en ligevægtstilstand sker i de fleste tilfælde kontinuerligt, og hastigheden af denne overgang kan jævnt justeres ved hjælp af passende ydre påvirkninger, hvilket gør afslapningsprocessen enten meget hurtig eller meget langsom. For eksempel kan du ved mekanisk omrøring øge hastigheden af temperaturudligning betydeligt i væsker eller gasser; Ved at afkøle en væske kan du gøre processen med diffusion af stoffet opløst i den meget langsom osv.
For nogle systemer er der tilstande, der kaldes metastabile, hvor disse systemer kan forblive i relativt lang tid, men så snart en ydre påvirkning af en vis karakter udøves på systemet, sker der en spontan brat overgang til en ligevægtstilstand. I disse tilfælde åbner ydre påvirkning kun muligheden for overgang til en ligevægtstilstand. For eksempel kan tilstrækkeligt rent vand opvarmes til en temperatur flere grader over kogepunktet med en langsom tilførsel af varme. Denne vandtilstand er metastabil; hvis du ryster sådant vand (eller tilføjer et lille antal støvpartikler - centre til dannelse af dampbobler), koger det eksplosivt, og dets temperatur falder brat til kogepunktet. En metastabil tilstand er således karakteriseret ved, at når det fjernes fra denne tilstand, vender systemet ikke kun ikke tilbage til det, men tværtimod bevæger det sig endnu mere væk fra det og hopper ind i den ligevægtstilstand, der eksisterer for dette system.
Definition 1
Et termodynamisk system er en samling og konstanthed af makroskopiske fysiske legemer, der altid interagerer med hinanden og med andre elementer og udveksler energi med dem.
I termodynamik forstår de normalt et system som en makroskopisk fysisk form, der består af et stort antal partikler, der ikke indebærer brugen af makroskopiske indikatorer til at beskrive hvert enkelt element. Der er ingen visse begrænsninger i arten af materielle organer, der er bestanddele af sådanne begreber. De kan repræsenteres som atomer, molekyler, elektroner, ioner og fotoner
Termodynamiske systemer findes i tre hovedtyper:
- isoleret - der er ingen udveksling med stof eller energi med miljøet;
- lukket - kroppen er ikke forbundet med miljøet;
- åben - der er både energi- og masseudveksling med ydre rum.
Energien i ethvert termodynamisk system kan opdeles i energi, der afhænger af systemets position og bevægelse, samt energi, der er bestemt af bevægelsen og interaktionen af mikropartikler, der danner konceptet. Den anden del kaldes i fysikken for systemets indre energi.
Funktioner af termodynamiske systemer
Figur 1. Typer af termodynamiske systemer. Author24 - online udveksling af studerendes værker
Note 1
De karakteristiske kendetegn ved systemer i termodynamik kan være ethvert objekt, der observeres uden brug af mikroskoper og teleskoper.
For at give en fuldstændig beskrivelse af et sådant koncept er det nødvendigt at vælge makroskopiske detaljer, hvorigennem det er muligt nøjagtigt at bestemme tryk, volumen, temperatur, magnetisk induktion, elektrisk polarisering, kemisk sammensætning og masse af bevægelige komponenter.
For alle termodynamiske systemer er der betingede eller reelle grænser, der adskiller dem fra miljøet. I stedet overvejer de ofte konceptet med en termostat, som er karakteriseret ved en så høj varmekapacitet, at ved varmeveksling med det analyserede koncept forbliver temperaturparameteren uændret.
Afhængigt af den generelle karakter af interaktionen mellem et termodynamisk system og miljøet, er det sædvanligt at skelne:
- isolerede arter, der ikke udveksler hverken stof eller energi med det ydre miljø;
- adiabatisk isolerede - systemer, der ikke udveksler stof med det ydre miljø, men indgår i en udveksling af energi;
- lukkede systemer - dem, der ikke udveksler med stof, er kun tilladte en lille ændring i værdien af intern energi;
- åbne systemer - dem, der er karakteriseret ved fuldstændig overførsel af energi og stof;
- delvist åben - har semipermeable skillevægge, derfor deltager de ikke fuldt ud i materialeudveksling.
Afhængigt af formuleringen kan betydningen af det termodynamiske koncept opdeles i enkle og komplekse muligheder.
Intern energi af systemer i termodynamik
Figur 2. Intern energi i et termodynamisk system. Author24 - online udveksling af studerendes værker
Note 2
De vigtigste termodynamiske indikatorer, som direkte afhænger af systemets masse, inkluderer intern energi.
Det inkluderer kinetisk energi på grund af bevægelsen af elementære partikler af stof, såvel som potentiel energi, der vises under interaktionen mellem molekyler med hinanden. Denne parameter er altid entydig. Det vil sige, at betydningen og realiseringen af indre energi er konstant, når konceptet er i den ønskede tilstand, uanset metoden, hvormed denne position blev opnået.
I systemer, hvis kemiske sammensætning forbliver uændret under energitransformationer, er det ved bestemmelse af intern energi vigtigt kun at tage hensyn til energien fra termisk bevægelse af materialepartikler.
Et godt eksempel på et sådant system inden for termodynamik er en ideel gas. Fri energi er en vis mængde arbejde, som en fysisk krop kunne udføre i en isoterm reversibel proces, eller fri energi repræsenterer den maksimalt mulige funktionalitet, som et koncept kan udføre, idet den besidder en betydelig forsyning af intern energi. Systemets indre energi er lig med summen af den bundne og frie spænding.
Definition 2
Bundet energi er den del af indre energi, som ikke er i stand til selvstændigt at blive til arbejde - dette er et devalueret element af indre energi.
Ved samme temperatur stiger denne parameter med stigende entropi. Således er entropien af et termodynamisk system et mål for leveringen af dets oprindelige energi. I termodynamik er der en anden definition - energitab i et stabilt isoleret system
En reversibel proces er en termodynamisk proces, der kan forløbe hurtigt i både baglæns og fremadgående retning, passerer gennem de samme mellempositioner, hvor konceptet til sidst vender tilbage til sin oprindelige tilstand uden forbrug af indre energi, og ingen makroskopiske ændringer forbliver i omgivelserne. plads.
Reversible processer giver maksimalt arbejde. I praksis er det umuligt at opnå de bedste resultater fra systemet. Dette giver en teoretisk betydning for reversible fænomener, som forløber uendeligt langsomt og kun kan nærmes på korte afstande.
Definition 3
I videnskaben er irreversibel en proces, der ikke kan udføres i den modsatte retning gennem de samme mellemtilstande.
Alle virkelige fænomener er under alle omstændigheder irreversible. Eksempler på sådanne effekter er termisk diffusion, diffusion, viskøs strømning og termisk ledning. Overgangen af kinetisk og indre energi af makroskopisk bevægelse gennem konstant friktion til varme, det vil sige ind i selve systemet, er en irreversibel proces.
Systemtilstandsvariabler
Tilstanden af ethvert termodynamisk system kan bestemmes af den aktuelle kombination af dets karakteristika eller egenskaber. Alle nye variabler, der kun er fuldt bestemt på et bestemt tidspunkt og ikke afhænger af, hvordan konceptet kom til denne position, kaldes termodynamiske tilstandsparametre eller grundlæggende funktioner i rummet.
I termodynamik betragtes et system som stationært, hvis de variable værdier forbliver stabile og ikke ændrer sig over tid. En af mulighederne for en stationær tilstand er termodynamisk ligevægt. Enhver, selv den mest ubetydelige, ændring i konceptet er allerede en fysisk proces, så den kan indeholde fra en til flere variable tilstandsindikatorer. Rækkefølgen, hvor et systems tilstande systematisk transformeres til hinanden, kaldes "processtien."
Desværre eksisterer der stadig forvirring med termer og detaljerede beskrivelser, fordi den samme variabel i termodynamik enten kan være uafhængig eller resultatet af tilføjelsen af flere funktioner i systemet på én gang. Derfor kan udtryk som "tilstandsparameter", "tilstandsfunktion", "tilstandsvariabel" nogle gange betragtes som synonymer.
Introduktion. 2
Termodynamik. Generelt koncept. 3
Konceptet med et termodynamisk system.. 4
Typer af termodynamiske systemer.. 6
Termodynamiske processer.. 7
Reversible og irreversible processer.. 7
Systemets indre energi.. 10
Termodynamikkens nullov.. 11
Termodynamikkens første lov.. 12
Termodynamikkens anden lov.. 14
Termodynamikkens tredje lov... 16
Konsekvenser. 17
Uopnåeligheden af absolutte nultemperaturer. 17
Termodynamiske koefficienters opførsel. 17
Introduktion
Vi støder konstant på ikke kun mekanisk bevægelse, men også termiske fænomener, der er forbundet med ændringer i kropstemperaturen eller overgangen af stoffer til forskellige aggregeringstilstande - flydende, gasformige eller faste.
Termiske processer er af stor betydning for eksistensen af liv på Jorden, da protein kun er i stand til vital aktivitet i et bestemt temperaturområde. Livet på Jorden afhænger af den omgivende temperatur.
Folk opnåede relativ uafhængighed af miljøet, efter at de lærte at lave ild. Dette var en af de største opdagelser i menneskehedens morgengry.
Termodynamik er videnskaben om termiske fænomener, der ikke tager hensyn til kroppens molekylære struktur. Termodynamikkens love og deres anvendelse vil blive diskuteret i dette essay.
Termodynamik. Generelt koncept
Termodynamikkens principper er et sæt af postulater, der ligger til grund for termodynamikken. Disse bestemmelser blev etableret som et resultat af videnskabelig forskning og blev bevist eksperimentelt. De accepteres som postulater, således at termodynamik kan konstrueres aksiomatisk.
Behovet for termodynamikkens principper skyldes, at termodynamikken beskriver systemers makroskopiske parametre uden specifikke antagelser om deres mikroskopiske struktur. Statistisk fysik beskæftiger sig med spørgsmål om indre struktur.
Termodynamikkens principper er uafhængige, det vil sige, at ingen af dem kan udledes af de andre principper.
Liste over termodynamiske principper
· Termodynamikkens første lov er loven om energibevarelse som anvendt på termodynamiske systemer.
· Termodynamikkens anden lov pålægger begrænsninger for retningen af termodynamiske processer, og forbyder den spontane overførsel af varme fra mindre opvarmede legemer til mere opvarmede. Også formuleret som loven om stigende entropi.
· Termodynamikkens tredje lov fortæller, hvordan entropi opfører sig nær det absolutte nulpunkt.
· Termodynamikkens nul- (eller generelle) lov kaldes nogle gange princippet, ifølge hvilket et lukket system, uanset starttilstanden, i sidste ende kommer til en tilstand af termodynamisk ligevægt og ikke kan forlade den af sig selv.
Konceptet med et termodynamisk system
Et termodynamisk system er ethvert fysisk system, der består af et stort antal partikler-atomer og molekyler, der gennemgår endeløs termisk bevægelse og interagerer med hinanden og udveksler energier. Sådanne termodynamiske systemer, og de simpleste dertil, er gasser, hvis molekyler undergår tilfældige translations- og rotationsbevægelser og udveksler kinetiske energier under kollisioner. Faste og flydende stoffer er også termodynamiske systemer.
Molekyler af faste stoffer udfører tilfældige vibrationer omkring deres ligevægtspositioner, udvekslingen af energi mellem molekyler sker på grund af deres kontinuerlige interaktion, som et resultat af hvilket forskydningen af et molekyle fra dets ligevægtsposition øjeblikkeligt afspejles i placeringen og hastigheden af bevægelse af naboer. molekyler. Da den gennemsnitlige energi af termisk bevægelse af molekyler er relateret til temperatur, er temperatur den vigtigste fysiske størrelse, der karakteriserer de forskellige tilstande af termodynamiske systemer. Ud over temperatur bestemmes tilstanden af sådanne systemer også af det volumen, de optager, og eksternt tryk eller eksterne kræfter, der virker på systemet.
En vigtig egenskab ved termodynamiske systemer er eksistensen af ligevægtstilstande, hvor de kan forblive i et hvilket som helst tidsrum. Hvis der udøves en ydre påvirkning på et termodynamisk system, der er i en af ligevægtstilstandene, og derefter stoppes, så går systemet spontant over i en ny ligevægtstilstand. Det skal dog understreges, at tendensen til overgang til en ligevægtstilstand altid og kontinuerligt er aktiv, også uden for det tidspunkt, hvor systemet er udsat for ydre påvirkninger.
Denne tendens, eller mere præcist, den konstante eksistens af processer, der fører til opnåelse af en ligevægtstilstand, er det vigtigste træk ved termodynamiske systemer.
Tilstande i et isoleret termodynamisk system, som på trods af fraværet af ydre påvirkninger ikke varer ved i begrænsede tidsperioder, kaldes ikke-ligevægt. Systemet, i første omgang i en ikke-ligevægtstilstand, går over i en ligevægtstilstand over tid. Tidspunktet for overgangen fra en ikke-ligevægtstilstand til en ligevægtstilstand kaldes afslapningstid. Den omvendte overgang fra en ligevægtstilstand til en ikke-ligevægtstilstand kan udføres ved hjælp af eksterne påvirkninger på systemet.
Især tilstanden af et system med forskellige temperaturer på forskellige steder er ikke-ligevægt udligningen af t 0 i gasser, faste stoffer og væsker er overgangen af disse legemer til en ligevægtstilstand med den samme t 0 inden for volumenet af den; legeme. Et andet eksempel på en ikke-ligevægtstilstand kan gives ved at betragte tofasesystemer bestående af en væske og dens damp. Hvis der er umættet damp over overfladen af en væske i en lukket beholder, så er systemets tilstand uligevægt: antallet af molekyler, der slipper ud fra væsken pr. tidsenhed, er større end antallet af molekyler, der vender tilbage fra dampen til væsken i samme tid. Som et resultat, over tid, stiger antallet af molekyler i damptilstanden, indtil en ligevægtstilstand er etableret.
Overgangen fra en ligevægtstilstand til en ligevægtstilstand sker i de fleste tilfælde kontinuerligt, og hastigheden af denne overgang kan jævnt justeres ved hjælp af passende ydre påvirkninger, hvilket gør afslapningsprocessen enten meget hurtig eller meget langsom. For eksempel kan du ved mekanisk omrøring øge hastigheden af temperaturudligning i væsker eller gasser ved at afkøle væsken, du kan gøre diffusionsprocessen af stoffet opløst i den meget langsom.