1. lehekülg
Termodünaamilisel süsteemil, nagu igal teiselgi füüsilisel süsteemil, on teatud hulk energiat, mida tavaliselt nimetatakse süsteemi siseenergiaks.
Termodünaamilist süsteemi nimetatakse isoleeritud, kui see ei suuda vahetada väliskeskkonnaga ei energiat ega ainet. Sellise süsteemi näiteks on gaas, mis on suletud konstantse mahuga anumasse. Termodünaamilist süsteemi nimetatakse adiabaatiliseks, kui see ei suuda soojusvahetuse teel energiat teiste süsteemidega vahetada.
Termodünaamiline süsteem on kehade kogum, mis ühel või teisel määral suudavad vahetada energiat ja ainet enda ja keskkonna vahel.
Termodünaamilised süsteemid jagunevad suletud, mis ei vaheta ainet teiste süsteemidega, ja avatud, mis vahetavad ainet ja energiat teiste süsteemidega. Juhtudel, kui süsteem ei vaheta energiat ja ainet teiste süsteemidega, nimetatakse seda isoleerituks ja kui soojusvahetus puudub, nimetatakse süsteemi adiabaatiliseks.
Termodünaamilised süsteemid võivad koosneda puhaste ainete segudest. Segu (lahust) nimetatakse homogeenseks, kui väikeste osakeste keemiline koostis ja füüsikalised omadused on samad või muutuvad pidevalt ühest süsteemi punktist teise. Homogeense segu tihedus, rõhk ja temperatuur on igal hetkel identsed. Homogeense süsteemi näide on teatud kogus vett, mille keemiline koostis on sama, kuid füüsikalised omadused on punktiti erinevad.
Teatud komponentide kvantitatiivse suhtega termodünaamilist süsteemi nimetatakse ühtseks füüsikalis-keemiliseks süsteemiks.
Termodünaamilistel süsteemidel (makroskoopilised kehad) on koos mehaanilise energiaga E ka siseenergia U, mis sõltub temperatuurist, mahust, rõhust ja muudest termodünaamilistest parameetritest.
Termodünaamilist süsteemi nimetatakse isoleerimata ehk avatud otsaga süsteemiks, kui see suudab keskkonda soojust vastu võtta või eraldada ja tööd toota ning väliskeskkond suudab süsteemis töid teha. Süsteem on isoleeritud ehk suletud, kui see ei vaheta soojust keskkonnaga ning rõhumuutus süsteemi sees ei mõjuta keskkonda ning viimane ei saa süsteemis töid teha.
Termodünaamilised süsteemid koosnevad statistiliselt suurest hulgast osakestest.
Teatud välistingimustes jõuab termodünaamiline süsteem (või isoleeritud süsteem) olekusse, mida iseloomustab selle parameetrite püsivus ajas ning aine- ja soojusvoogude puudumine süsteemis. Seda süsteemi olekut nimetatakse tasakaalu- või tasakaaluolekuks. Süsteem ei saa sellest olekust spontaanselt väljuda. Süsteemi seisundit, milles tasakaal puudub, nimetatakse mittetasakaaluliseks. Süsteemi järkjärgulist üleminekut mittetasakaalulisest seisundist, mis on põhjustatud välismõjudest tasakaaluolekusse, nimetatakse relaksatsiooniks ja aega, mille jooksul süsteem naaseb tasakaaluolekusse, nimetatakse lõõgastusajaks.
Sel juhul teostab termodünaamiline süsteem paisutustööd, vähendades süsteemi siseenergiat.
Termodünaamiline süsteem on termodünaamika uurimisobjekt ja kehade kogum, mis interakteeruvad energeetiliselt üksteise ja keskkonnaga ning vahetavad sellega ainet.
Konstantsetes välistingimustes omaette jäetud termodünaamiline süsteem jõuab tasakaaluolekusse, mida iseloomustab kõigi parameetrite püsivus ja makroskoopiliste liikumiste puudumine. Seda süsteemi seisundit nimetatakse termodünaamilise tasakaalu olekuks.
Termodünaamilist süsteemi iseloomustab piiratud arv sõltumatuid muutujaid – makroskoopilised suurused, mida nimetatakse termodünaamilisteks parameetriteks. Termodünaamilise süsteemi üks sõltumatuid makroskoopilisi parameetreid, mis eristab seda mehaanilisest süsteemist, on temperatuur kui soojusliikumise intensiivsuse mõõt. Keha temperatuur võib muutuda keskkonnaga soojusvahetuse ja soojusallikate toime tõttu ning deformatsiooniprotsessi enda tulemusena. Deformatsiooni ja temperatuuri vaheline seos määratakse termodünaamika abil.
Termodünaamiline süsteem on igasugune füüsikaline süsteem, mis koosneb suurest hulgast osakestest – aatomitest ja molekulidest, mis läbivad lõputut soojusliikumist ja üksteisega suheldes vahetavad energiaid. Sellised termodünaamilised süsteemid ja kõige lihtsamad on gaasid, mille molekulid sooritavad juhuslikke translatsiooni- ja pöörlemisliigutusi ning vahetavad kokkupõrgete ajal kineetilist energiat. Tahked ained on ka termodünaamilised süsteemid.
ja vedelad ained. Tahkete ainete molekulid läbivad oma tasakaaluasendi ümber juhuslikke vibratsioone; energiavahetus molekulide vahel toimub nende pideva vastastikmõju tõttu, mille tulemusena ühe molekuli nihkumine tasakaaluasendist kajastub koheselt ka keskmiste molekulide asukohas ja liikumiskiiruses. Kuna molekulide soojusliikumise keskmine energia vastavalt valemitele (1.7) ja (1.8) on seotud temperatuuriga, on temperatuur termodünaamiliste süsteemide erinevaid olekuid iseloomustav olulisim füüsikaline suurus. Lisaks temperatuurile määrab selliste süsteemide oleku ka nende hõivatav ruumala ja välisrõhk või süsteemile mõjuvad välised jõud.
Termodünaamiliste süsteemide oluline omadus on tasakaaluolekute olemasolu, milles nad võivad püsida meelevaldselt pikka aega. Kui ühes tasakaaluolekus olevale termodünaamilisele süsteemile avaldatakse välismõju ja seejärel see peatatakse, läheb süsteem spontaanselt üle uude tasakaaluolekusse. Siiski tuleb rõhutada, et kalduvus üleminekuks tasakaaluolekusse toimib alati pidevalt, isegi ajal, mil süsteem on avatud välismõjudele. See tendents, täpsemalt, tasakaaluseisundite saavutamiseni viivate protsesside pidev olemasolu, on termodünaamiliste süsteemide kõige olulisem tunnus.
Teatud mahutisse suletud gaasi puhul on tasakaal seisund, kus temperatuur, rõhk ja tihedus (või molekulide arv ruumalaühikus) on kõikjal ühesugused. Kui selle ruumala mõnes kohas tekib lokaalne kuumenemine või kokkusurumine, algab süsteemis temperatuuri ja rõhu ühtlustamise protsess; see protsess jätkub seni, kuni eksisteerib väline mõju, kuid alles pärast selle mõju lakkamist viib võrdsustamisprotsess süsteemi uude tasakaaluolekusse.
Isoleeritud termodünaamiliste süsteemide seisundeid, mis vaatamata välismõjude puudumisele ei püsi piiratud aja jooksul, nimetatakse mittetasakaalulisteks. Algselt mittetasakaaluseisundis olev süsteem läheb aja jooksul tasakaaluolekusse. Mittetasakaaluseisundist tasakaaluolekusse üleminekuaega nimetatakse relaksatsiooniajaks. Pöördüleminek tasakaaluolekust mittetasakaalusse saab toimuda süsteemi välismõjude abil. Eelkõige on erinevates kohtades erineva temperatuuriga süsteemi seisund mittetasakaalu; temperatuuri ühtlustamine gaasides, tahketes ja vedelikes on nende kehade üleminek tasakaaluolekusse sama temperatuuriga kehamahu piires. Veel ühe mittetasakaalu oleku näite võib tuua kahefaasiliste süsteemide puhul, mis koosnevad vedelikust ja selle aurudest. Kui suletud anumas on vedeliku pinna kohal küllastumata aur, siis on süsteemi olek mittetasakaalu: vedelikust ajaühikus väljuvate molekulide arv on suurem kui
molekulid, mis naasevad aurust vedelikku sama aja jooksul. Selle tulemusena suureneb aja jooksul auruolekus olevate molekulide arv (st aurutihedus suureneb), kuni saavutatakse tasakaaluseisund
Üleminek tasakaalust tasakaaluolekusse toimub enamikul juhtudel pidevalt ja selle ülemineku kiirust saab sobivate välismõjude abil sujuvalt reguleerida, muutes lõõgastusprotsessi kas väga kiireks või väga aeglaseks. Näiteks mehaanilise segamise abil saate oluliselt suurendada temperatuuri ühtlustamise kiirust vedelikes või gaasides; Vedelikku jahutades saate muuta selles lahustunud aine difusiooniprotsessi väga aeglaseks jne.
Mõnede süsteemide jaoks on metastabiilseks nimetatavad seisundid, milles need süsteemid võivad püsida suhteliselt pikka aega, kuid niipea, kui süsteemile avaldatakse teatud laadi välismõju, toimub spontaanne järsk üleminek tasakaaluolekusse. Nendel juhtudel avab väline mõju ainult tasakaaluolekusse ülemineku võimaluse. Näiteks saab piisavalt puhast vett aeglase soojuse juurdevooluga kuumutada keemistemperatuurist mitu kraadi kõrgemale temperatuurile. See vee olek on metastabiilne; kui sellist vett raputada (või lisada väike hulk tolmuosakesi – aurumullide tekkekeskusi), keeb see plahvatuslikult keema ja selle temperatuur langeb järsult keemistemperatuurini. Seega iseloomustab metastabiilset seisundit asjaolu, et sellest seisundist eemaldamisel süsteem mitte ainult ei pöördu sellesse tagasi, vaid, vastupidi, eemaldub sellest veelgi, hüpates selle süsteemi jaoks eksisteerivasse tasakaaluolekusse.
Sissejuhatus. 2
Termodünaamika. Üldine kontseptsioon. 3
Termodünaamilise süsteemi mõiste.. 4
Termodünaamiliste süsteemide tüübid.. 6
Termodünaamilised protsessid.. 7
Pööratavad ja pöördumatud protsessid.. 7
Süsteemi siseenergia... 10
Termodünaamika nullseadus.. 11
Termodünaamika esimene seadus.. 12
Termodünaamika teine seadus.. 14
Termodünaamika kolmas seadus... 16
Tagajärjed. 17
Absoluutse nulltemperatuuri saavutamatus. 17
Termodünaamiliste koefitsientide käitumine. 17
Sissejuhatus
Me ei puutu pidevalt kokku mitte ainult mehaanilise liikumisega, vaid ka termiliste nähtustega, mis on seotud kehatemperatuuri muutustega või ainete üleminekuga erinevatesse agregatsiooniseisunditesse – vedelatesse, gaasilistesse või tahkestesse.
Soojusprotsessid on elu eksisteerimiseks Maal väga olulised, kuna valk on eluliseks aktiivsuseks võimeline ainult teatud temperatuurivahemikus. Elu Maal sõltub ümbritseva õhu temperatuurist.
Inimesed saavutasid suhtelise sõltumatuse keskkonnast pärast seda, kui nad õppisid tuld tegema. See oli inimkonna koidiku üks suurimaid avastusi.
Termodünaamika on teadus soojusnähtuste kohta, mis ei võta arvesse kehade molekulaarstruktuuri. Selles essees käsitletakse termodünaamika seadusi ja nende rakendamist.
Termodünaamika. Üldine kontseptsioon
Termodünaamika põhimõtted on termodünaamika aluseks olevate postulaatide kogum. Need sätted kehtestati teadusliku uurimistöö tulemusena ja neid tõestati eksperimentaalselt. Neid aktsepteeritakse postulaatidena, et termodünaamikat saaks konstrueerida aksiomaatiliselt.
Termodünaamika põhimõtete vajadus tuleneb sellest, et termodünaamika kirjeldab süsteemide makroskoopilisi parameetreid ilma konkreetsete eeldusteta nende mikroskoopilise struktuuri kohta. Statistiline füüsika tegeleb sisestruktuuri küsimustega.
Termodünaamika põhimõtted on sõltumatud, see tähendab, et ühtki neist ei saa tuletada teistest printsiipidest.
Termodünaamika põhimõtete loetelu
· Termodünaamika esimene seadus on energia jäävuse seadus, mida rakendatakse termodünaamilistes süsteemides.
· Termodünaamika teine seadus seab piirangud termodünaamiliste protsesside suunale, keelates soojuse spontaanse ülekandumise vähem kuumenenud kehadelt rohkem kuumenenud kehadele. Samuti sõnastatud entroopia suurenemise seadusena.
· Termodünaamika kolmas seadus ütleb, kuidas entroopia käitub absoluutse nulltemperatuuri lähedal.
· Termodünaamika null- (või üld)seaduseks nimetatakse mõnikord printsiipi, mille kohaselt suletud süsteem, sõltumata algolekust, jõuab lõpuks termodünaamilise tasakaalu olekusse ega saa sellest üksi lahkuda.
Termodünaamilise süsteemi mõiste
Termodünaamiline süsteem on igasugune füüsiline süsteem, mis koosneb suurest hulgast osakestest-aatomitest ja molekulidest, mis läbivad lõputut soojusliikumist ning interakteeruvad üksteisega ja vahetavad energiat. Sellised termodünaamilised süsteemid ja kõige lihtsamad on gaasid, mille molekulid teevad kokkupõrke ajal juhuslikku translatsiooni- ja pöörlemisliikumist ning vahetavad kineetilist energiat. Tahked ja vedelad ained on samuti termodünaamilised süsteemid.
Tahkete ainete molekulid teostavad oma tasakaaluasendi ümber juhuslikke vibratsioone, energiavahetus molekulide vahel toimub nende pideva vastasmõju tõttu, mille tulemusena ühe molekuli nihkumine tasakaaluasendist kajastub koheselt naaberobjekti asukohas ja liikumiskiiruses. molekulid. Kuna molekulide soojusliikumise keskmine energia on seotud temperatuuriga, on temperatuur kõige olulisem füüsikaline suurus, mis iseloomustab termodünaamiliste süsteemide erinevaid olekuid. Lisaks temperatuurile määrab selliste süsteemide oleku ka nende ruumala ja välisrõhk või süsteemile mõjuvad välised jõud.
Termodünaamiliste süsteemide oluline omadus on tasakaaluolekute olemasolu, milles nad võivad püsida mis tahes aja jooksul. Kui ühes tasakaaluolekus olevale termodünaamilisele süsteemile avaldatakse välismõju ja seejärel see peatatakse, läheb süsteem spontaanselt üle uude tasakaaluolekusse. Siiski tuleb rõhutada, et kalduvus tasakaaluseisundisse üleminekuks on alati ja pidevalt aktiivne, ka väljaspool süsteemi välismõjudele avatud aega.
See tendents, täpsemalt, tasakaaluseisundi saavutamiseni viivate protsesside pidev olemasolu, on termodünaamiliste süsteemide kõige olulisem tunnus.
Isoleeritud termodünaamilise süsteemi seisundeid, mis vaatamata väliste mõjude puudumisele ei püsi piiratud ajaperioodide jooksul, nimetatakse mittetasakaalulisteks. Algselt mittetasakaaluseisundis olev süsteem läheb aja jooksul tasakaaluolekusse. Mittetasakaaluseisundist tasakaaluolekusse üleminekuaega nimetatakse relaksatsiooniajaks. Pöördüleminek tasakaaluolekust mittetasakaalusse saab toimuda süsteemi välismõjude abil.
Eelkõige on erinevates kohtades erineva temperatuuriga süsteemi olek mittetasakaalu; t 0 võrdsustamine gaasides, tahketes ainetes ja vedelikes on nende kehade üleminek tasakaaluolekusse, mille t 0 on sama ruumala piires. keha. Veel ühe mittetasakaalu oleku näite võib tuua kahefaasiliste süsteemide puhul, mis koosnevad vedelikust ja selle aurudest. Kui suletud anumas on vedeliku pinna kohal küllastumata aur, siis on süsteemi olek mittetasakaalu: vedelikust ajaühikus väljuvate molekulide arv on suurem kui aurust vedelikku tagasi pöörduvate molekulide arv. sama aja jooksul. Selle tulemusena suureneb aja jooksul auruolekus olevate molekulide arv, kuni tekib tasakaaluseisund.
Üleminek tasakaaluseisundist tasakaaluseisundisse toimub enamikul juhtudel pidevalt ning selle ülemineku kiirust saab sobivate välismõjude abil sujuvalt reguleerida, muutes lõõgastusprotsessi kas väga kiireks või väga aeglaseks. Näiteks mehaanilise segamisega saate oluliselt suurendada temperatuuri ühtlustamise kiirust vedelikes või gaasides, vedelikku jahutades saate muuta selles lahustunud aine difusiooniprotsessi väga aeglaseks.
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 vood, 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 ole aga võimalik saada termodünaamika raames ja see tuleb leida kas eksperimentaalselt või statistilise füüsika meetoditega. Olekuvõrrandi konkreetne vorm sõltub aine individuaalsetest omadustest.
Termodünaamiline süsteem- makroskoopiliste kehade kogum, mis suudavad üksteisega ja teiste kehadega (väliskeskkonnaga) suhelda - vahetavad nendega energiat ja ainet. Energia ja aine vahetus võib toimuda nii süsteemis endas selle osade vahel kui ka süsteemi ja väliskeskkonna vahel. Sõltuvalt süsteemi väliskeskkonnast eraldamise võimalikest meetoditest eristatakse mitut tüüpi termodünaamilisi süsteeme.
Avatud süsteem nimetatakse termodünaamiliseks süsteemiks, mis suudab vahetada ainet ja energiat väliskeskkonnaga. Selliste süsteemide tüüpilisteks näideteks on kõik elusorganismid, aga ka vedelikud, mille mass aurustumise või keemise tõttu pidevalt väheneb.
Termodünaamiline süsteem helistas suletud, kui see ei suuda vahetada väliskeskkonnaga ei energiat ega ainet. Suletud nimetame süsteemiks termodünaamilist süsteemi, mis on mehaaniliselt isoleeritud, s.t. ei suuda tööd tehes vahetada energiat väliskeskkonnaga. Sellise süsteemi näiteks on gaas, mis on suletud konstantse mahuga anumasse. Termodünaamilist süsteemi nimetatakse adiabaatiline, kui see ei saa soojusvahetuse kaudu energiat teiste süsteemidega vahetada.
Termodünaamilised parameetrid (olekuparameetrid) on füüsikalised suurused, mis iseloomustavad termodünaamilise süsteemi olekut.
Termodünaamiliste parameetrite näideteks on rõhk, maht, temperatuur, kontsentratsioon. Termodünaamilisi parameetreid on kahte tüüpi: ulatuslik Ja intensiivne. Esimesed on võrdelised aine hulgaga antud termodünaamilises süsteemis, teised ei sõltu aine hulgast süsteemis. Lihtsaim ulatuslik parameeter on maht V süsteemid. Suurus v, mis võrdub süsteemi ruumala ja selle massi suhtega, nimetatakse süsteemi erimahuks. Kõige lihtsamad intensiivsed parameetrid on rõhk R ja temperatuur T.
Rõhk on füüsikaline suurus
Kus dFn– tasapinnalise keha pinna väikesele alale mõjuva normaaljõu moodul
säästlikult dS.
Kui rõhul ja erimahul on selge ja lihtne füüsikaline tähendus, siis temperatuuri mõiste on palju keerulisem ja vähem selge. Märgime kõigepealt, et rangelt võttes on temperatuuri mõistel mõte ainult süsteemi tasakaaluolekute puhul.
Termodünaamilise süsteemi tasakaaluseisund– süsteemi olek, milles kõigil parameetritel on teatud väärtused ja milles süsteem võib püsida nii kaua, kui soovitakse. Termodünaamilise süsteemi kõigi osade temperatuur tasakaaluolekus on sama.
Kui soojusvahetus toimub kahe erineva temperatuuriga keha vahel, kandub soojus kõrgema temperatuuriga kehast madalama temperatuuriga kehasse. See protsess peatub, kui mõlema keha temperatuur on ühtlustunud.
Tasakaalulises olekus oleva süsteemi temperatuur on aatomite, molekulide ja muude süsteemi moodustavate osakeste soojusliikumise intensiivsuse mõõt. Klassikalise statistilise füüsika seadustega kirjeldatud osakeste süsteemis ja tasakaaluseisundis on osakeste soojusliikumise keskmine kineetiline energia otseselt võrdeline süsteemi termodünaamilise temperatuuriga. Seetõttu öeldakse mõnikord, et temperatuur iseloomustab keha kuumenemisastet.
Temperatuuri mõõtmisel, mida saab teha ainult kaudselt, kasutatakse keha mitmete füüsikaliste omaduste sõltuvust temperatuurist, mida saab otseselt või kaudselt mõõta. Näiteks keha temperatuuri muutumisel muutuvad selle pikkus ja maht, tihedus, elastsusomadused, elektritakistus jne. Nende omaduste muutmine on temperatuuri mõõtmise aluseks. Selleks on vaja, et ühe (valitud) keha, mida nimetatakse termomeetriliseks kehaks, puhul oleks teada selle omaduse funktsionaalne sõltuvus temperatuurist. Praktiliseks temperatuuri mõõtmiseks kasutatakse termomeetriliste kehade abil loodud temperatuuriskaalaid. Rahvusvahelises Celsiuse kraadiskaalas väljendatakse temperatuuri Celsiuse kraadides (°C) [A. Celsius (1701–1744) – Rootsi teadlane] ja on määratud t, ja eeldatakse, et normaalrõhul 1,01325 × 10 5 Pa on jää ja keeva vee sulamistemperatuurid vastavalt 0 ja 100 °C. Termodünaamilisel temperatuuriskaalal väljendatakse temperatuuri kelvinites (K) [U. Thomson, Lord Kelvin (1821–1907) – inglise füüsik], tähistatud T ja seda nimetatakse termodünaamiliseks temperatuuriks. Termodünaamilise temperatuuri vaheline seos T ja temperatuuri skaalal on vorm T = t + 273,15.
Temperatuur T= 0 K (kraadiskaala t= –273,15 °C) nimetatakse absoluutne null temperatuur või null termodünaamilise temperatuuri skaalal.
Süsteemi oleku parameetrid jagunevad välisteks ja sisemisteks. Välised parameetrid süsteemid on füüsikalised suurused, mis sõltuvad antud süsteemi väliste kehade asukohast ruumis ja erinevatest omadustest (näiteks elektrilaengud). Näiteks gaasi puhul on see parameeter maht V laev,
milles gaas asub, sest maht sõltub väliskehade – anuma seinte – asukohast. Atmosfäärirõhk on avatud anumas oleva vedeliku väline parameeter. Sisemised parameetrid süsteemid on füüsikalised suurused, mis sõltuvad nii süsteemiväliste kehade asukohast kui ka seda süsteemi moodustavate osakeste koordinaatidest ja kiirustest. Näiteks gaasi siseparameetrid on selle rõhk ja energia, mis sõltuvad liikuvate molekulide koordinaatidest ja kiirustest ning gaasi tihedusest.
Under termodünaamiline protsess mõista kõiki vaadeldava termodünaamilise süsteemi oleku muutusi, mida iseloomustab selle termodünaamiliste parameetrite muutus. Termodünaamilist protsessi nimetatakse tasakaal, kui selles protsessis läbib süsteem lõpmatult lähedaste termodünaamiliselt tasakaaluolekute pideva jada. Süsteemi oleku tegelikud muutumisprotsessid toimuvad alati piiratud kiirusega ega saa seetõttu olla tasakaalus. On aga ilmne, et süsteemi oleku muutumise tegelik protsess on tasakaalule lähemal, mida aeglasem see toimub, seetõttu nimetatakse selliseid protsesse nn. kvaasistaatiline.
Lihtsaimate termodünaamiliste protsesside näited on järgmised protsessid:
a) isotermiline protsess, mille käigus süsteemi temperatuur ei muutu ( T= const);
b) isohooriline protsess, mis toimub süsteemi konstantsel ruumalal ( V= const);
c) isobaarne protsess, mis toimub süsteemis konstantsel rõhul ( lk= const);
d) adiabaatiline protsess, mis toimub ilma soojusvahetuseta süsteemi ja väliskeskkonna vahel.