Vaatleme termodünaamiliste süsteemide omadusi. Tavaliselt mõistetakse neid kui füüsilisi makroskoopilisi vorme, mis koosnevad märkimisväärsest arvust osakestest, mis ei tähenda iga üksiku osakese kasutamist makroskoopiliste omaduste kirjeldamiseks.
Selliste süsteemide koostisosadeks olevate materjaliosakeste olemusele pole piiranguid. Neid saab esitada molekulide, aatomite, ioonide, elektronide, footonite kujul.
Iseärasused
Analüüsime termodünaamiliste süsteemide eripärasid. Näitena võib tuua kõik objektid, mida saab jälgida ilma teleskoope või mikroskoope kasutamata. Sellise süsteemi täielikuks kirjelduseks valitakse makroskoopilised detailid, tänu millele on võimalik määrata komponentide mahtu, rõhku, temperatuuri, elektrilist polarisatsiooni, magnetinduktsiooni, keemilist koostist ja massi.
Kõigi termodünaamiliste süsteemide jaoks on tingimuslikud või tegelikud piirid, mis eraldavad need keskkonnast. Selle asemel kasutatakse sageli termostaadi mõistet, mida iseloomustab nii suur soojusmahtuvus, et analüüsitava süsteemiga soojusvahetuse korral jääb temperatuurinäidik muutumatuks.
Süsteemi klassifikatsioon
Mõelgem, milline on termodünaamiliste süsteemide klassifikatsioon. Sõltuvalt selle keskkonnaga suhtlemise olemusest on tavaks eristada:
- isoleeritud liigid, mis ei vaheta väliskeskkonnaga ei ainet ega energiat;
- adiabaatiliselt isoleeritud, ei vaheta ainet väliskeskkonnaga, vaid astub töö- või energiavahetusse;
- Suletud termodünaamilistes süsteemides ainevahetust ei toimu, lubatud on vaid energiaväärtuse muutus;
- avatud süsteeme iseloomustab täielik energia ja aine ülekandmine;
- osaliselt avatud vaheseinad võivad olla poolläbilaskvate vaheseintega, mistõttu nad ei osale täielikult materjalivahetuses.
Sõltuvalt kirjeldusest võib termodünaamilise süsteemi parameetrid jagada keerukateks ja lihtsateks valikuteks.
Lihtsate süsteemide omadused
Lihtsaid süsteeme nimetatakse tasakaaluolekuteks, mille füüsikalist olekut saab määrata konkreetse ruumala, temperatuuri ja rõhuga. Seda tüüpi termodünaamiliste süsteemide näideteks on isotroopsed kehad, millel on eri suundades ja punktides võrdsed omadused. Seega ei puutu termodünaamilises tasakaalus olevad vedelikud, gaasilised ained ja tahked ained kokku elektromagnetiliste ja gravitatsioonijõudude, pindpinevuste ja keemiliste transformatsioonidega. Lihtkehade analüüs on termodünaamikas tunnistatud praktilisest ja teoreetilisest seisukohast oluliseks ja asjakohaseks.
Seda tüüpi termodünaamilise süsteemi siseenergia on seotud ümbritseva maailmaga. Kirjeldamisel kasutatakse iga üksiku komponendi osakeste arvu ja aine massi.
Keerulised süsteemid
Komplekssed termodünaamilised süsteemid hõlmavad termodünaamilisi süsteeme, mis ei kuulu lihtsate tüüpide alla. Näiteks on need magnetid, dielektrikud, tahked elastsed kehad, ülijuhid, faasiliidesed, soojuskiirgus ja elektrokeemilised süsteemid. Nende kirjeldamiseks kasutatavate parameetritena märgime ära vedru või varda elastsuse, faasiliidese ja soojuskiirguse.
Füüsikaline süsteem on kogum, milles uurimistööks valitud temperatuuri ja rõhu piires ei toimu ainete vahel keemilist vastasmõju. Ja keemilised süsteemid on need võimalused, mis hõlmavad selle üksikute komponentide vastastikust mõju.
Termodünaamilise süsteemi siseenergia sõltub selle isolatsioonist välismaailmast. Näiteks adiabaatilise kesta variandina võib ette kujutada Dewari kolbi. Homogeensus avaldub süsteemis, mille kõikidel komponentidel on sarnased omadused. Nende näideteks on gaasilised, tahked ja vedelad lahused. Gaasilise homogeense faasi tüüpiline näide on Maa atmosfäär.
Termodünaamika omadused
See teaduse osa käsitleb energia vabanemise ja neeldumisega seotud protsesside põhimustrite uurimist. Keemiline termodünaamika hõlmab süsteemi koostisosade vastastikuste transformatsioonide uurimist, üht tüüpi energia ülemineku mustrite loomist teatud tingimustel (rõhk, temperatuur, maht).
Termodünaamiliste uuringute objektiks olevat süsteemi saab esitada mis tahes loodusliku objekti kujul, sealhulgas suure hulga molekulide kujul, mis on eraldatud liidesega teiste reaalsete objektidega. Süsteemi olekut mõistetakse selle omaduste kogumina, mis võimaldavad seda termodünaamika seisukohalt määrata.
Järeldus
Igas süsteemis täheldatakse üleminekut ühelt energiatüübilt teisele ja tekib termodünaamiline tasakaal. Eriti oluline on füüsika osa, mis käsitleb energia muundumise, muutuste ja säästmise üksikasjalikku uurimist. Näiteks keemilises kineetikas on võimalik mitte ainult kirjeldada süsteemi olekut, vaid ka arvutada tingimused, mis aitavad kaasa selle nihkumisele soovitud suunas.
Hessi seadus, mis seob vaadeldava teisenduse entalpia ja entroopia, võimaldab tuvastada spontaanse reaktsiooni toimumise võimaluse ja arvutada termodünaamilise süsteemi poolt vabaneva (neeldunud) soojushulga.
Termodünaamika põhialustel põhinev termokeemia on praktilise tähtsusega. Tänu sellele keemiaosale tehakse tootmises kütusesäästlikkuse ja teatud tehnoloogiate tegelikku tootmisse juurutamise otstarbekuse esialgsed arvutused. Termodünaamikast saadud teave võimaldab elastsuse, termoelektrilisuse, viskoossuse ja magnetiseerumise nähtusi rakendada erinevate materjalide tööstuslikuks tootmiseks.
TERMODÜNAAMILINE SÜSTEEM
TERMODÜNAAMILINE SÜSTEEM
Makroskoopiline komplekt kehad, mis võivad omavahel ja teiste kehadega suhelda (väliskeskkond) - vahetavad nendega energiat ja aineid. T.s. koosneb nii suurest hulgast struktuursetest osakestest (aatomitest, molekulidest), et selle olekut saab makroskoopiliselt iseloomustada. parameetrid: tihedus, rõhk, T.-d moodustavate ainete kontsentratsioon jne.
TERMODÜNAAMILINE TASAKAAL), kui süsteemi parameetrid ajas ei muutu ja süsteemis pole ainet. statsionaarsed voolud (soojus, vesi jne). Tasakaalulise T.s. temperatuuri mõiste võetakse kasutusele parameetrina, millel on kõigi makroskoopiliste objektide jaoks sama väärtus. süsteemi osad. Oleku sõltumatute parameetrite arv on võrdne T.S. vabadusastmete arvuga, ülejäänud parameetrid saab väljendada sõltumatute parameetritena, kasutades olekuvõrrandit. Tasakaalu pühakud T.s. uurib tasakaaluprotsesse (termostaatikumid); mittetasakaaluliste süsteemide püha - .
Termodünaamika käsitleb: suletud termodünaamilisi süsteeme, mis ei vaheta aineid teiste süsteemidega, vaid vahetavad aineid ja energiat teiste süsteemidega; adiabaatilised T. süsteemid, milles see teiste süsteemidega puudub; isoleeritud süsteemid, mis ei vaheta energiat ega aineid teiste süsteemidega. Kui süsteem ei ole isoleeritud, võib selle olek muutuda; seisundi muutus T. s. helistas termodünaamiline protsess. T.s. võib olla füüsikaliselt homogeenne (homogeenne süsteem) ja heterogeenne (heterogeenne süsteem), mis koosneb mitmest. erineva füüsikaga homogeensed osad Püha sina. Faasi ja keemilise tulemusena teisendused (vt FAASÜLEMINE) homogeensed T. s. võib muutuda heterogeenseks ja vastupidi.
Füüsiline entsüklopeediline sõnastik. - M.: Nõukogude entsüklopeedia. . 1983 .
TERMODÜNAAMILINE SÜSTEEM
Makroskoopiline komplekt kehad, mis suudavad omavahel ja teiste kehadega suhelda (väliskeskkond) - vahetavad nendega energiat ja ainet. T.s. koosneb nii suurest hulgast struktuursetest osakestest (aatomitest, molekulidest), et selle olekut saab makroskoopiliselt iseloomustada. parameetrid: tihedus, rõhk, tahkeid aineid moodustavate ainete kontsentratsioon jne.
T.s. on tasakaalus (vt. termodünaamiline tasakaal), kui süsteemi parameetrid ajas ei muutu ja süsteemis pole materjali. statsionaarsed voolud (soojus, aine jne). Tasakaalulise T.s. mõiste tutvustatakse temperatuuri Kuidas oleku parameeter, millel on sama tähendus kõigi makroskoopiliste jaoks. süsteemi osad. Sõltumatute olekuparameetrite arv on võrdne arvuga vabadusastmed T.S., ülejäänud parameetrid saab väljendada sõltumatute parameetritena, kasutades olekuvõrrandid. Tasakaalu omadused T.s. uuringud termodünaamika tasakaaluprotsessid (termostaatikumid), mittetasakaalusüsteemide omadused - mittetasakaaluliste protsesside termodünaamika.
Termodünaamika käsitleb: suletud termodünaamilisi süsteeme, mis ei vaheta ainet teiste süsteemidega; avatud süsteemid, aine ja energia vahetamine teiste süsteemidega; a d i a b a t n e T.s., milles ei toimu soojusvahetust teiste süsteemidega; isoleeritud T. homogeenne süsteem) ja heterogeenne ( heterogeenne süsteem), mis koosneb mitmest erinevate füüsikaliste omadustega homogeensest osast. omadused. Faasi ja keemilise tulemusena teisendused (vt Faasi üleminek) homogeenne T. s. võib muutuda heterogeenseks ja vastupidi.
Lit.: Epshtein P.S., Termodünaamika kursus, tlk. inglise keelest, M.-L., 1948; Leontovich M.A., Sissejuhatus termodünaamikasse, 2. väljaanne, M.-L., 1951; Samoilovich A, G., Termodünaamika ja, 2. väljaanne, M., 1955.
Füüsiline entsüklopeedia. 5 köites. - M.: Nõukogude entsüklopeedia. Peatoimetaja A. M. Prohhorov. 1988 .
Vaadake, mis on "TERMODÜNAAMILINE SÜSTEEM" teistes sõnaraamatutes:
Makroskoopiline keha, mis on eraldatud keskkonnast vaheseinte või kestade abil (need võivad olla ka mentaalsed, tingimuslikud) ja mida iseloomustavad makroskoopilised parameetrid: maht, temperatuur, rõhk jne. Selleks... ... Suur entsüklopeediline sõnaraamat
termodünaamiline süsteem- termodünaamiline süsteem; süsteem Kehade kogum, mis suudab üksteisega ja teiste kehadega energeetiliselt suhelda ning nendega ainet vahetada... Polütehniline terminoloogiline seletav sõnastik
TERMODÜNAAMILINE SÜSTEEM- füüsiliste kehad, mis suudavad vahetada energiat ja ainet omavahel ja teiste kehadega (väliskeskkond). T.s. kas süsteem, mis koosneb väga suurest hulgast molekulidest, aatomitest, elektronidest ja muudest osakestest, millel on palju... ... Suur polütehniline entsüklopeedia
termodünaamiline süsteem- Keha (kehade kogum), mis on võimeline vahetama energiat ja (või) ainet teiste kehadega (üksteisega). [Soovitatavate terminite kogu. Väljaanne 103. Termodünaamika. NSVL Teaduste Akadeemia. Teadusliku ja tehnilise terminoloogia komitee. 1984... Tehniline tõlkija juhend
termodünaamiline süsteem- - suvaliselt valitud ruumiosa, mis sisaldab ühte või mitut ainet ja on väliskeskkonnast eraldatud reaalse või tingimusliku kestaga. Üldine keemia: õpik / A. V. Zholnin ... Keemilised terminid
termodünaamiline süsteem- makroskoopiline keha, mis on eraldatud keskkonnast tegelike või kujuteldavate piiridega, mida saab iseloomustada termodünaamiliste parameetritega: maht, temperatuur, rõhk jne. Seal on eraldatud,... ... Metallurgia entsüklopeediline sõnaraamat
Makroskoopiline keha, mis on eraldatud keskkonnast vaheseinte või kestade abil (need võivad olla ka mentaalsed, tingimuslikud), mida saab iseloomustada makroskoopiliste parameetritega: maht, temperatuur, rõhk jne. Sest... ... entsüklopeediline sõnaraamat
Termodünaamika ... Wikipedia
termodünaamiline süsteem- termodinaminė sistemos statusas T sritis chemija apibrėžtis Kūnas (kūnų visuma), kurį nuo aplinkos skiria reali ar įsivaizduojama riba. vastavusmenys: engl. termodünaamiline süsteem rus. termodünaamiline süsteem... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
termodünaamiline süsteem- termodinaminė sistemos statusas T ala fizika vastavusmenys: engl. termodünaamiline süsteem vok. thermodynamisches System, n rus. termodünaamiline süsteem, f pranc. système thermodynamique, m … Fizikos terminų žodynas
Sissejuhatus. Soojustehnika aine. Põhimõisted ja määratlused. Termodünaamiline süsteem. Oleku parameetrid. Temperatuur. Surve. Konkreetne maht. Olekuvõrrand. Van der Waalsi võrrand .
Ühikute vaheline suhe:
1 bar = 10 5 Pa
1 kg/cm 2 (atmosfäär) = 9,8067 10 4 Pa
1 mmHg st (elavhõbeda millimeeter) = 133 Pa
1 mm vett. Art. (veesamba millimeeter) = 9,8067 Pa
Tihedus - aine massi ja selle aine ruumala suhe.
Konkreetne maht - tiheduse pöördväärtus, s.o. aine ruumala ja selle massi suhe.
Definitsioon: Kui termodünaamilises süsteemis muutub vähemalt üks süsteemi kuuluva keha parameeter, siis süsteem kogeb termodünaamiline protsess .
Oleku termodünaamilised põhiparameetrid P, V, T homogeensed kehad sõltuvad üksteisest ja on omavahel seotud olekuvõrrandiga:
F (P, V, T)
Ideaalse gaasi puhul kirjutatakse olekuvõrrand järgmiselt:
P- surve
v- konkreetne maht
T- temperatuur
R- gaasikonstant (igal gaasil on oma väärtus)
Kui olekuvõrrand on teada, siis kõige lihtsamate süsteemide oleku määramiseks piisab kahe sõltumatu muutuja teadmisest kolmest
P = fl (v, t); v = f2 (P, T); T = f3(v, P).
Termodünaamilisi protsesse on sageli kujutatud olekugraafikutel, kus olekuparameetrid on kantud piki telge. Sellise graafiku tasapinnal olevad punktid vastavad süsteemi teatud olekule, jooned graafikul vastavad termodünaamilistele protsessidele, mis viivad süsteemi ühest olekust teise.
Vaatleme termodünaamilist süsteemi, mis koosneb ühest gaasikehast kolviga anumas ja anum ja kolb on sel juhul väliskeskkond.
Olgu näiteks gaasi kuumutamine anumas, võimalik on kaks juhtumit:
1) Kui kolb on fikseeritud ja maht ei muutu, siis rõhk anumas suureneb. Seda protsessi nimetatakse isohooriline(v = const), töötab konstantsel helitugevusel;
Riis. 1.1. Isohoorilised protsessid sisse P-T koordinaadid: v 1 > v 2 > v 3
2) Kui kolb on vaba, siis kuumutatud gaas paisub; konstantsel rõhul nimetatakse seda protsessi isobaariline (P= const), töötab konstantsel rõhul.
Riis. 1.2 Isobaarsed protsessid sisse v - T koordinaadid: P 1 > P 2 > P 3
Kui kolvi liigutades muudate gaasi mahtu anumas, siis muutub ka gaasi temperatuur, kuid anuma jahutamisel gaasi kokkusurumisel ja kuumutamisel paisumisel saate saavutada temperatuuri muutumise konstantseks. mahu ja rõhu muutustega nimetatakse seda protsessi isotermiline (T= konst).
Riis. 1.3 Isotermilised protsessid sisse P-v koordinaadid: T 1 > T 2 > T 3
Protsessi, mille käigus soojusvahetus süsteemi ja keskkonna vahel puudub, nimetatakse adiabaatiline, samas kui soojushulk süsteemis jääb konstantseks ( K= konst). Reaalses elus adiabaatilisi protsesse ei eksisteeri, kuna süsteemi ei ole võimalik keskkonnast täielikult isoleerida. Sageli esinevad aga protsessid, mille puhul soojusvahetus keskkonnaga on väga väike, näiteks gaasi kiire kokkusurumine anumas kolvi poolt, kui kolvi ja anuma kuumenemise tõttu ei jõua soojust eemaldada.
Riis. 1.4 Adiabaatilise protsessi ligikaudne graafik in P-v koordinaadid
Definitsioon: ringprotsess (tsükkel) - on protsesside kogum, mis tagastab süsteemi algsesse olekusse. Tingis võib olla suvaline arv eraldi protsesse.
Ringprotsessi kontseptsioon on meie jaoks termodünaamikas võtmetähtsusega, kuna tuumaelektrijaama töö põhineb auru-vee tsüklil ehk teisisõnu võib käsitleda vee aurustumist südamikus, turbiini rootori pöörlemist. auru abil, auru kondenseerumine ja vee voolamine südamikku teatud tüüpi suletud termodünaamilise protsessi või tsüklina.
Definitsioon: töökeha - teatud kogus ainet, mis termodünaamilises tsüklis osaledes teeb kasulikku tööd. RBMK reaktorijaama töövedelikuks on vesi, mis pärast südamikus auruna aurustumist töötab turbiinis, pannes rootorit pöörlema.
Definitsioon: Energia ülekandumist termodünaamilises protsessis ühelt kehalt teisele, mis on seotud töövedeliku mahu muutumisega, selle liikumisega välisruumis või asendi muutumisega, nimetatakse protsessi töö .
Termodünaamiline süsteem
Tehniline termodünaamika (t/d) uurib soojuse vastastikuse tööks muundamise mustreid. See loob seose soojus- ja külmutusmasinates toimuvate termiliste, mehaaniliste ja keemiliste protsesside vahel, uurib gaasides ja aurudes toimuvaid protsesse, samuti nende kehade omadusi erinevates füüsikalistes tingimustes.
Termodünaamika põhineb kahel termodünaamika põhiseadusel (põhimõttel):
Termodünaamika esimene seadus- energia muundamise ja jäävuse seadus;
Termodünaamika II seadus- kehtestab tingimused makroskoopiliste protsesside toimumiseks ja suunamiseks süsteemides, mis koosnevad suurest hulgast osakestest.
Tehniline tehnoloogia, rakendades põhiseadusi soojuse muundamise protsessidele mehaaniliseks tööks ja vastupidi, võimaldab välja töötada soojusmasinate teooriaid, uurida neis toimuvaid protsesse jne.
Uuringu objekt on termodünaamiline süsteem, mis võib olla kehade rühm, keha või kehaosa. Seda, mis on väljaspool süsteemi, nimetatakse keskkond. T/D süsteem on makroskoopiliste kehade kogum, mis vahetavad energiat üksteise ja keskkonnaga. Näiteks: t/d süsteem on gaas, mis asub silindris koos kolviga ja keskkonnaks on silinder, kolb, õhk ja ruumi seinad.
Isoleeritud süsteem - t/d süsteem ei suhtle keskkonnaga.
Adiabaatiline (soojusisolatsiooniga) süsteem - süsteemil on adiabaatiline kest, mis välistab soojusvahetuse (soojusvahetuse) keskkonnaga.
Homogeenne süsteem – süsteem, mille koostis ja füüsikalised omadused on kõikides osades samad.
Homogeenne süsteem - koostiselt ja füüsikaliselt struktuurilt homogeenne süsteem, mille sees puuduvad liidesed (jää, vesi, gaasid).
Heterogeenne süsteem
– süsteem, mis koosneb mitmest erinevate füüsikaliste omadustega homogeensest osast (faasist), mis on üksteisest eraldatud nähtavate liidestega (jää ja vesi, vesi ja aur).
Soojusmasinates (mootorites) tehakse mehaanilisi töid töövedelike - gaasi, auru - abil.
Iga süsteemi omadusi iseloomustavad mitmed suurused, mida tavaliselt nimetatakse termodünaamilisteks parameetriteks. Vaatleme mõnda neist, kasutades füüsikakursusest tuntud molekulaarkineetilisi kontseptsioone ideaalsest gaasist kui molekulide kogumist, mis on kaduvalt väikese suurusega, juhuslikus soojusliikumises ja interakteeruvad üksteisega ainult kokkupõrgete kaudu.
Rõhk tekib töövedeliku molekulide interaktsioonist pinnaga ja on arvuliselt võrdne viimase suhtes normaalse kehapinna pindalaühiku kohta mõjuva jõuga. Vastavalt molekulaarkineetilisele teooriale määratakse gaasi rõhk seosega
Kus n— molekulide arv mahuühiku kohta;
T— molekuli mass; alates 2- molekulide translatsiooniliikumise ruutkeskmine kiirus.
Rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis (SI) väljendatakse rõhku paskalites (1 Pa = 1 N/m2). Kuna see seade on väike, on mugavam kasutada 1 kPa = 1000 Pa ja 1 MPa = 10 6 Pa.
Rõhku mõõdetakse manomeetrite, baromeetrite ja vaakummõõturite abil.
Vedeliku ja vedruga manomeetrid mõõdavad manomeetrilist rõhku, mis on kogu- või absoluutrõhu erinevus R mõõdetud keskmist ja atmosfäärirõhku
lk pangaautomaat, st.
Alla atmosfäärirõhu mõõtmise instrumente nimetatakse vaakummeetriteks; nende näidud annavad vaakumi (või vaakumi) väärtuse:
st atmosfäärirõhu ületamine absoluutrõhust.
Tuleb märkida, et oleku parameeter on absoluutne rõhk. See sisaldub termodünaamilistes võrrandites.
Temperatuurnimetatakse füüsikaliseks suuruseks, mis iseloomustab keha kuumenemise astet. Temperatuuri mõiste tuleneb järgmisest väitest: kui kaks süsteemi on termilises kontaktis, siis kui nende temperatuur on ebavõrdne, vahetavad nad omavahel soojust, aga kui nende temperatuurid on võrdsed, siis soojusvahetust ei toimu.
Molekulaarkineetiliste kontseptsioonide seisukohalt on temperatuur molekulide soojusliikumise intensiivsuse mõõt. Selle arvväärtus on seotud aine molekulide keskmise kineetilise energiaga:
Kus k- Boltzmanni konstant on võrdne 1,380662,10? 23 J/K. Sel viisil määratletud temperatuuri T nimetatakse absoluutseks.
Temperatuuri SI ühik on kelvin (K); praktikas kasutatakse laialdaselt Celsiuse kraadi (°C). Absoluutne suhe T ja kraadi I temperatuuridel on vorm
Tööstus- ja laboratoorsetes tingimustes mõõdetakse temperatuuri vedeliktermomeetrite, püromeetrite, termopaaride ja muude instrumentide abil.
Konkreetne maht v— on aine maht massiühiku kohta. Kui homogeenne massikeha M võtab helitugevust v, siis definitsiooni järgi
v= V/M.
SI-süsteemis on erimahu ühikuks 1 m 3 /kg. Aine erimahu ja selle tiheduse vahel on ilmne seos:
Identsetes olekutes süsteeme iseloomustavate suuruste võrdlemiseks võetakse kasutusele mõiste "normaalsed füüsikalised tingimused":
lk= 760 mmHg = 101,325 kPa; T= 273,15 K.
Erinevad tehnoloogiaharud ja riigid kehtestavad oma "tavalised tingimused", mis on mõnevõrra erinevad näiteks "tehnilistest" tingimustest ( lk= 735,6 mm Hg. = 98 kPa, t= 15 °C) või tavatingimused kompressori jõudluse hindamiseks ( lk= 101,325 kPa, t= 20? C) jne.
Kui kõik termodünaamilised parameetrid on ajas konstantsed ja süsteemi kõikides punktides ühesugused, siis seda süsteemi olekut nimetatakse equi-vedru.
Kui süsteemi erinevate punktide vahel on temperatuuri, rõhu ja muude parameetrite erinevused, siis on tasakaalutus. Sellises süsteemis tekivad parameetrite gradientide mõjul soojuse, ainete ja muu voolud, mille eesmärk on taastada see tasakaaluolekusse. Kogemus näitab seda Isoleeritud süsteem jõuab aja jooksul alati tasakaaluseisundisse ega saa sellest kunagi spontaanselt lahkuda. Klassikalises termodünaamikas vaadeldakse ainult tasakaalusüsteeme.
Olekuvõrrand. Tasakaalulise termodünaamilise süsteemi puhul on olekuparameetrite vahel funktsionaalne seos, mida nimetatakse olekuvõrrand. Kogemused näitavad, et kõige lihtsamate süsteemide, milleks on gaasid, aurud või vedelikud, erimaht, temperatuur ja rõhk on omavahel seotud. termiline võrrand vaate olek:
Olekuvõrrandile võib anda ka teise kuju:
Need võrrandid näitavad, et kolmest peamisest parameetrist, mis määravad süsteemi oleku, on kõik kaks sõltumatud.
Ülesannete lahendamiseks termodünaamiliste meetodite abil on tingimata vaja teada olekuvõrrandit. Seda ei saa aga termodünaamika raames saada ja see tuleb leida kas eksperimentaalselt või statistilise füüsika meetoditega. Olekuvõrrandi konkreetne vorm sõltub aine individuaalsetest omadustest.
Termodünaamiline süsteem- see on osa materiaalsest maailmast, mis on eraldatud keskkonnast tegelike või kujuteldavate piiridega ja on termodünaamika uurimisobjekt. Keskkond on mahult palju suurem ja seetõttu on muutused selles ebaolulised võrreldes süsteemi oleku muutustega. Erinevalt mehaanilistest süsteemidest, mis koosnevad ühest või mitmest kehast, sisaldab termodünaamiline süsteem väga suurt hulka osakesi, mis tekitab täiesti uusi omadusi ning nõuab selliste süsteemide oleku ja käitumise kirjeldamiseks erinevaid lähenemisi. Termodünaamiline süsteem on makroskoopiline objekt.
Termodünaamiliste süsteemide klassifikatsioon
1. Koostise järgi
Termodünaamiline süsteem koosneb komponentidest. Komponent - on aine, mida saab süsteemist eraldada ja eksisteerida väljaspool seda, s.t. komponendid on sõltumatud ained.
Ühekomponentne.
Kahekomponentne ehk kahekomponentne.
Kolmekomponentne - kolmekordne.
Mitmekomponentne.
2. Faasi koostise järgi– homogeenne ja heterogeenne
Homogeenne süsteemidel on süsteemi mis tahes punktis samad makroskoopilised omadused, eelkõige temperatuur, rõhk, kontsentratsioon, aga ka paljud teised, näiteks murdumisnäitaja, dielektriline konstant, kristallstruktuur jne. Homogeensed süsteemid koosnevad ühest faasist.
Faas on süsteemi homogeenne osa, mis on teistest faasidest eraldatud liidesega ja mida iseloomustab oma olekuvõrrand. Agregatsiooni faas ja olek on kattuvad, kuid mitte identsed mõisted. Agregatsioonil on ainult 4 olekut; faase võib olla palju rohkem.
Heterogeenne süsteemid koosnevad vähemalt kahest faasist.
3. Suhete tüübi järgi keskkonnaga(vastavalt keskkonnaga vahetuse võimalustele).
Isoleeritud süsteem ei vaheta keskkonnaga ei energiat ega ainet. See on idealiseeritud süsteem, mida põhimõtteliselt ei saa eksperimentaalselt uurida.
Suletud süsteem võib vahetada keskkonnaga energiat, kuid ei vaheta ainet.
Avatud süsteem vahetab nii energiat kui ainet
TDS seisund
TDS seisund on kõigi selle mõõdetavate makroskoopiliste omaduste kogum, millel on seetõttu kvantitatiivne väljend. Omaduste makroskoopiline olemus tähendab, et neid saab omistada ainult süsteemile kui tervikule, mitte aga üksikutele osakestele, mis moodustavad lähedase binaarstruktuuri (T, p, V, c, U, n k). Riigi kvantitatiivsed omadused on omavahel seotud. Seetõttu on olemas minimaalne süsteemi omaduste kogum, mida nimetatakse parameetrid , mille spetsifikatsioon võimaldab meil täielikult kirjeldada süsteemi omadusi. Nende parameetrite arv sõltub süsteemi tüübist. Lihtsamal juhul piisab suletud homogeense gaasisüsteemi jaoks tasakaaluolekus ainult 2 parameetri seadmisest. Avatud süsteemi puhul on lisaks süsteemi kahele omadusele vaja täpsustada iga komponendi moolide arv.
Termodünaamilised muutujad jagunevad:
- välised, mis on määratud süsteemi omaduste ja koordinaatidega keskkonnas ning sõltuvad süsteemi kontaktidest keskkonnaga, näiteks komponentide massist ja arvust, elektrivälja tugevusest, selliste muutujate arv on piiratud;
- sisemine, mis iseloomustavad süsteemi omadusi, näiteks tihedust, siseenergiat, selliste parameetrite arv on piiramatu;
- ulatuslik, mis on otseselt võrdelised süsteemi massi või osakeste arvuga, näiteks ruumala, energia, entroopia, soojusmahtuvus;
-intensiivne, mis ei sõltu süsteemi massist, näiteks temperatuurist, rõhust.
TDS parameetrid on omavahel seotud seosega, mida nimetatakse võrrandi olek süsteemid. Üldine vaade sellest f(lk, V , T)= 0. FH üks olulisemaid ülesandeid on leida mis tahes süsteemi olekuvõrrand. Seni on täpne olekuvõrrand teada vaid ideaalgaaside puhul (Clapeyroni-Mendelejevi võrrand).
pV = nRT, ( 1.1)
Kus R– universaalne gaasikonstant = 8,314 J/(mol.K).
[p] = Pa, 1 atm = 1,013 * 10 5 Pa = 760 mm Hg,
[V] = m3, [T] = K, [n] = mol, N = 6,02 x 1023 mol-1. Päris gaase kirjeldab see võrrand vaid ligikaudselt ning mida kõrgem on rõhk ja madalam temperatuur, seda suurem on kõrvalekalle sellest olekuvõrrandist.
Eristama tasakaal Ja tasakaalutus TDS-i olek.
Klassikaline termodünaamika piirdub tavaliselt lähedaste binaarsüsteemide tasakaaluolekute arvestamisega. Tasakaal - see on seisund, millesse TDS spontaanselt jõuab ja kus see võib välismõjude puudumisel eksisteerida lõputult. Tasakaaluseisundi määramiseks on alati vaja väiksemat arvu parameetreid kui mittetasakaaluliste süsteemide puhul.
Tasakaaluseisund jaguneb järgmisteks osadeks:
- jätkusuutlik(stabiilne) olek, milles iga lõpmata väike mõju põhjustab ainult lõpmata väikese olekumuutuse ja selle mõju kõrvaldamisel naaseb süsteem algsesse olekusse;
- metastabiilne seisund, kus mõned lõplikud mõjud põhjustavad lõplikke olekumuutusi, mis ei kao nende mõjude kõrvaldamisel.
Kehalähedase süsteemi oleku muutust, mis on seotud vähemalt ühe selle termodünaamilise muutuja muutumisega, nimetatakse termodünaamiline protsess. Termodünaamiliste protsesside kirjeldamise eripära on see, et neid ei iseloomusta mitte omaduste muutumise kiirused, vaid muutuste suurus. Protsess termodünaamikas on süsteemi olekute jada, mis viib algsest termodünaamiliste parameetrite komplektist lõplikuni. Eristatakse järgmisi termodünaamilisi protsesse:
- spontaanne, mille rakendamiseks ei pea te energiat kulutama;
- mittespontaansed, tekib ainult siis, kui energiat kulutatakse;
- pöördumatu(või mittetasakaal) - kui protsessi tulemusena ei ole võimalik süsteemi algsesse olekusse tagasi viia.
-pööratav - need on idealiseeritud protsessid, mis kulgevad edasi ja tagasi läbi samade vaheolekute ning pärast tsükli lõppu ei täheldata muutusi ei süsteemis ega keskkonnas.
Olekufunktsioonid– need on süsteemi omadused, mis sõltuvad ainult oleku parameetritest, kuid ei sõltu selle saavutamise viisist.
Olekufunktsioone iseloomustavad järgmised omadused:
Funktsiooni lõpmata väike muutus f on täielik erinevus df;
Funktsiooni muutuse üleminekul olekust 1 olekusse 2 määravad ainult need olekud ∫ df = f 2 – f 1
Ühegi tsüklilise protsessi tulemusena olekufunktsioon ei muutu, s.t. võrdne nulliga.
Kuumus ja töö– RDS-i ja keskkonna vahelise energiavahetuse meetodid. Kuumus ja töö on protsessi tunnused, need ei ole oleku funktsioonid.
Töö- energiavahetuse vorm makroskoopilisel tasemel, kui toimub objekti suunatud liikumine. Töö loetakse positiivseks, kui süsteem teostab seda väliste jõudude vastu.
Kuumus– energiavahetuse vorm mikroskoopilisel tasemel, s.o. molekulide kaootilise liikumise muutumise näol. Üldtunnustatud seisukoht on, et süsteemi poolt vastuvõetav soojus ja selle kallal tehtav töö on positiivne, s.t. toimib “egoistlik printsiip”. .
Kõige sagedamini kasutatavad energia- ja tööühikud, eriti termodünaamikas, on SI-džaul (J) ja mittesüsteemne kaloriühik (1 cal = 4,18 J).
Sõltuvalt objekti iseloomust eristatakse erinevat tüüpi töid:
1. Mehaaniline - keha liikumine
dA karusnahk = - F ex dl.(2.1)
Töö on 2 jõu ja nihke vektori skalaarkorrutis, st.
|dA karusnaha | = F dl cosα. Kui välisjõu suund on vastupidine sisejõudude poolt sooritatavale liikumisele, siis cosα < 0.
2. Laiendusoperatsioon (kõige sagedamini kaalutakse gaasi paisutamist)
dA = - p dV (1.7)
Siiski tuleb meeles pidada, et see väljend kehtib ainult pöörduva protsessi puhul.
3. Elektriline – elektrilaengute liikumine
dA el = -jdq,(2.2)
Kus j- elektriline potentsiaal.
4. Pindmine - pindala muutus,
dA pind = -sdS,(2.3)
Kus s- pind pinevus.
5. Töö üldväljend
dA = - Ydx,(2.4)
Y– üldine jõud, dx-üldistatud koordinaat, nii et tööd võib käsitleda kui intensiivse teguri ja ekstensiivse teguri muutuse korrutis.
6. Kutsutakse kõiki töid, välja arvatud laiendustööd kasulik tööd (dA'). dA = рdV + dА’ (2,5)
7. Analoogia põhjal saame tutvustada mõistet keemiline töötada suunaga liikumisel k- keemiline aine, n k– ulatuslik vara, samas kui intensiivne parameeter m k nimetatakse keemiliseks potentsiaaliks k-th aine
dA keemiline = -Sm k dn k. (2.6)
Definitsioon 1
Termodünaamiline süsteem on makroskoopiliste füüsiliste kehade kogum ja püsivus, mis alati suhtlevad üksteisega ja teiste elementidega, vahetades nendega energiat.
Termodünaamikas mõistavad nad süsteemi tavaliselt kui makroskoopilist füüsilist vormi, mis koosneb suurest hulgast osakestest, mis ei tähenda makroskoopiliste indikaatorite kasutamist iga üksiku elemendi kirjeldamiseks. Materiaalsete kehade olemuses ei ole teatud piiranguid, mis on selliste mõistete koostisosad. Neid saab kujutada aatomite, molekulide, elektronide, ioonide ja footonitena
Termodünaamilisi süsteeme on kolme peamist tüüpi:
- isoleeritud – puudub vahetus ainega ega energia keskkonnaga;
- suletud - keha ei ole keskkonnaga seotud;
- avatud – toimub nii energia- kui massivahetus välisruumiga.
Iga termodünaamilise süsteemi energia võib jagada energiaks, mis sõltub süsteemi asendist ja liikumisest, samuti energiaks, mille määrab kontseptsiooni moodustavate mikroosakeste liikumine ja vastastikmõju. Teist osa nimetatakse füüsikas süsteemi siseenergiaks.
Termodünaamiliste süsteemide omadused
Joonis 1. Termodünaamiliste süsteemide tüübid. Autor24 - õpilastööde veebivahetus
Märkus 1
Termodünaamika süsteemide eripäraks võib olla mis tahes objekt, mida vaadeldakse ilma mikroskoopide ja teleskoopide kasutamiseta.
Sellise kontseptsiooni täielikuks kirjelduseks on vaja valida makroskoopilised detailid, mille kaudu on võimalik täpselt määrata rõhku, mahtu, temperatuuri, magnetinduktsiooni, elektrilist polarisatsiooni, keemilist koostist ja liikuvate komponentide massi.
Kõigi termodünaamiliste süsteemide jaoks on tingimuslikud või tegelikud piirid, mis eraldavad need keskkonnast. Selle asemel arvestatakse sageli termostaadi kontseptsiooniga, mida iseloomustab nii suur soojusmahtuvus, et analüüsitava kontseptsiooniga soojusvahetuse korral jääb temperatuuri parameeter muutumatuks.
Sõltuvalt termodünaamilise süsteemi ja keskkonna interaktsiooni üldisest olemusest on tavaks eristada:
- isoleeritud liigid, mis ei vaheta väliskeskkonnaga ei ainet ega energiat;
- adiabaatiliselt isoleeritud - süsteemid, mis ei vaheta ainet väliskeskkonnaga, vaid astuvad energiavahetusse;
- suletud süsteemid - need, mis ei vaheta ainega, on lubatud ainult väike siseenergia väärtuse muutus;
- avatud süsteemid - need, mida iseloomustab energia ja aine täielik ülekandmine;
- osaliselt avatud - neil on poolläbilaskvad vaheseinad, mistõttu nad ei osale täielikult materjalivahetuses.
Sõltuvalt sõnastusest võib termodünaamilise kontseptsiooni tähenduse jagada lihtsateks ja keerukateks valikuteks.
Süsteemide siseenergia termodünaamikas
Joonis 2. Termodünaamilise süsteemi siseenergia. Autor24 - õpilastööde veebivahetus
Märkus 2
Peamised termodünaamilised näitajad, mis sõltuvad otseselt süsteemi massist, hõlmavad siseenergiat.
See hõlmab nii aine elementaarosakeste liikumisest tingitud kineetilist energiat kui ka potentsiaalset energiat, mis ilmneb molekulide omavahelisel interaktsioonil. See parameeter on alati üheselt mõistetav. See tähendab, et sisemise energia tähendus ja realiseerimine on konstantsed alati, kui kontseptsioon on soovitud olekus, olenemata sellest, millisel viisil see positsioon saavutati.
Süsteemides, mille keemiline koostis jääb energia muundumisel muutumatuks, on siseenergia määramisel oluline arvestada ainult materjaliosakeste soojusliikumise energiat.
Hea näide sellisest süsteemist termodünaamikas on ideaalne gaas. Vaba energia on teatud hulk tööd, mida füüsiline keha saaks teha isotermilises pöörduvas protsessis, või vaba energia kujutab endast maksimaalset võimalikku funktsionaalsust, mida kontseptsioon suudab täita, omades märkimisväärset sisemist energiavarustust. Süsteemi siseenergia on võrdne seotud ja vaba pinge summaga.
2. definitsioon
Seotud energia on see osa siseenergiast, mis ei ole võimeline iseseisvalt tööks muutuma - see on siseenergia devalveeritud element.
Samal temperatuuril suureneb see parameeter entroopia suurenedes. Seega on termodünaamilise süsteemi entroopia selle algenergia pakkumise mõõt. Termodünaamikas on veel üks määratlus - energiakadu stabiilses isoleeritud süsteemis
Pööratav protsess on termodünaamiline protsess, mis võib kulgeda kiiresti nii tagurpidi- kui ka edasisuunas, läbides samu vahepealseid positsioone, kusjuures kontseptsioon naaseb lõpuks algsesse olekusse ilma sisemist energiat kulutamata ja makroskoopilisi muutusi ümbritsevasse ei jää. ruumi.
Pööratavad protsessid annavad maksimaalse töö. Praktikas on süsteemiga parimaid tulemusi võimatu saavutada. See annab teoreetilise tähenduse pöörduvatele nähtustele, mis kulgevad lõpmatult aeglaselt ja millele saab läheneda vaid lühikeste vahemaade tagant.
3. definitsioon
Teaduses on pöördumatu protsess, mida ei saa samade vaheseisundite kaudu läbi viia vastupidises suunas.
Kõik reaalsed nähtused on igal juhul pöördumatud. Selliste mõjude näideteks on termiline difusioon, difusioon, viskoosne vool ja soojusjuhtivus. Makroskoopilise liikumise kineetilise ja siseenergia üleminek pideva hõõrdumise kaudu soojuseks, st süsteemi endasse, on pöördumatu protsess.
Süsteemi oleku muutujad
Iga termodünaamilise süsteemi oleku saab määrata selle omaduste või omaduste praeguse kombinatsiooni järgi. Kõiki uusi muutujaid, mis on täielikult määratud ainult teatud ajahetkel ja ei sõltu sellest, kuidas mõiste täpselt sellesse positsiooni jõudis, nimetatakse oleku termodünaamilisteks parameetriteks või ruumi põhifunktsioonideks.
Termodünaamikas peetakse süsteemi statsionaarseks, kui muutujate väärtused jäävad stabiilseks ega muutu aja jooksul. Üks statsionaarse oleku võimalustest on termodünaamiline tasakaal. Iga, isegi kõige ebaolulisem, kontseptsiooni muutus on juba füüsiline protsess, nii et see võib sisaldada ühest kuni mitme muutuva olekuindikaatorini. Jada, milles süsteemi olekud süstemaatiliselt üksteiseks muutuvad, nimetatakse protsessi teeks.
Paraku on segadus terminite ja üksikasjalike kirjeldustega endiselt olemas, sest sama muutuja termodünaamikas võib olla kas sõltumatu või tuleneda korraga mitme süsteemi funktsiooni lisandumisest. Seetõttu võib mõnikord sünonüümidena pidada selliseid termineid nagu "olekuparameeter", "olekufunktsioon", "olekumuutuja".