СОСТОЯНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Лекция 26. ПРЕДМЕТ ТЕРМОДИНАМИКИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ. НУЛЕВОЕ

НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕНЕНИЙ

СОСТОЯНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

1. Предмет термодинамики. Основные понятия и определения

Исторически термодинамика возникла в первой половине XIX века из необходимости исследования тепловых процес­сов, в частности исследования взаимосвязи теплоты и ра­боты. В дальнейшем содержание термодинамики расширя­лось, распространяясь на изучение свойств газов, паров, жид­костей, твердых тел.

Отличительной особенностью термодинамики от статисти­ческой физики, с элементами которой мы познакомились в рамках молекулярно-кинетической теории газов, является то, что термодинамика, изучая свойства макроскопических систем, различные процессы, происходящие в них, не рассмат­ривает внутреннее строение систем и характер движения ее отдельных частей на микроскопическом уровне. Так, в част­ности при изучении свойств вещества в различных агрегатных состояниях, в термодинамике не требуется рассматривать атомы и молекулы и закономерности, которым подчиняются их движение и взаимодействие.

Термодинамика базируется на ряде исходных понятий и определений, а также нескольких опытных законах или на­чалах.

Остановимся на основных понятиях и определениях. Как уже отмечалось ранее (лекция 15), термодинамические системы — макроскопические системы, пространственные раз­меры которых и время существования достаточны для проведения нормальных процессов измерения. Термодинамиче­ские системы могут состоять из большого числа материаль­ных частиц или полей, например электромагнитного поля. В любом случае такие системы обладают чрезвычайно боль­шим числом степеней свободы. Системы с малым числом сте­пеней свободы термодинамикой не рассматриваются.

Вещества и поля, не включенные в состав исследуемой термодинамической системы, образуют окружающую (внеш­нюю) среду. Более абстрактно внешнюю среду можно рас­сматривать как термостат, который налагает на изучаемую систему некоторые условия. Термодинамическая система от­деляется от окружающей среды реальной или мысленной поверхностью контакта. В зависимости от свойств поверхно­сти контакта возможны различные виды термодинамических систем.

Изолированная система — система, которая со­вершенно не взаимодействует с окружающей средой, т. е. не обменивается с ней ни веществом ни энергией.

Замкнутая система — система, которая не способна к обмену энергией с окружающей средой путем совершения работы. Например, жидкость или газ, заключенные в сосуд постоянного объема.

Закрытая система — система не обменивающаяся веществом с внешней средой.

Адиабатическая система — система, не обменива­ющаяся энергией с внешней средой путем теплообмена. Адиа­батической системой может, например, быть газ, жидкость, твердое тело, окруженные теплоизолирующей оболочкой.

Состояние термодинамической системы задается с по­мощью макроскопических параметров, таких, например, как давление р, температура Т, объем V, внутренняя энергия U и другие. Эти параметры называются термодинамическими.

Различают интенсивные и экстенсивные, внутренние и внешние термодинамические параметры. Интенсивные пара­метры— параметры, не зависящие от размеров и массы си­стемы или ее частей. К их числу относятся: температура, дав­ление, химический потенциал. Экстенсивные параметры — параметры, значения которых изменяются пропорционально размерам или массе системы при ее разбиении на части. На­пример, масса частей, внутренняя энергия и другие.

Внешние параметры определяют состояние окружающей среды, внутренние — состояние термодинамической системы. Различия между внутренними и внешними параметрами от­носительны. Все зависит от того, где проводится граница между системой и окружающей средой, находящейся с ней в контакте. Например, напряженности электрического или магнитного полей, действующих на систему, являются внеш­ними параметрами. Однако их можно рассматривать и как внутренние параметры, если источники поля входят в систему, а не в окружающую среду. Термодинамические системы мо­гут взаимодействовать друг с другом, а также с окружающей средой. В этом случае говорят о контакте систем.

Термодинамическим контактом называется такая связь между системами или системой и средой, при которой воз­можно хотя бы одно из следующих типов взаимодействия между ними:

1) механическое взаимодействие — одна система совер­шает работу над другой системой с помощью механических или электромагнитных сил;

2) тепловое взаимодействие — взаимодействие, которое приводит к изменению энергии и совершается в форме пере­дачи тепла посредством теплопроводности или тепловой радиации;

3) передача вещества — взаимодействие, которое приво­дит к обмену веществом между системами.

2. Тепловое равновесие. Нулевое начало термодинамики

Изолированная система, например газ, заключенный в со­суде со стенками, не проводящими тепло, независимо от своего начального состояния в конечном итоге приходит в состояние, которое в дальнейшем уже не меняется. Это ко­нечное состояние называется состоянием термодинамического или теплового равновесия.

Если система находится в тепловом равновесии, то в ней не происходит систематических изменений термодинамиче­ских параметров и нет систематических потоков. Несистема­тические (флуктуационные) изменения параметров и потоки в состоянии равновесия допустимы, но экспериментально установлено, что они обычно очень малы и ими можно пре­небречь. Поэтому можно принять, что значение термодина­мических параметров в этом случае постоянно и система на­ходится в термодинамическом равновесии.

Если две изолированные системы А и В приведены в кон­такт друг с другом, то полная система A + B в конечном итоге переходит в состояние теплового равновесия. В этом случае говорят, что системы А и В находятся в состоянии теплового равновесия друг с другом. Каждая из систем А и В в отдельности также находится в состоянии теплового рав­новесия. Это равновесие не нарушается, если устранить контакт между системами, а затем через некоторое время вос­становить его.

Следовательно, если установление контакта между дву­мя системами А и В, которые до этого были изолированными, не приводит ни к каким изменениям, то можно считать, что эти системы находятся в тепловом равновесии друг с другом (А~В). Эмпирически был установлен закон, называемый нулевым началом термодинамики: если системы А и В нахо­дятся в тепловом равновесии и системы В и С находятся в тепловом равновесии, то системы А и С также находятся в тепловом равновесии между собой: А~В, В~С, А~С.

Следствием нулевого закона термодинамики можно счи­тать введение термодинамической температуры.

Температура Т определяется как величина, позволяющая описывать тепловое равновесие между телами, находящимися в тепловом контакте. Если Т₁ и Т₂ — температуры двух тел, то соотношение Т₁ = T₂ является условием теплового равно­весия. Если же Т₁ > T₂, то при тепловом контакте между те­лами температура Т₁ будет уменьшаться, а Т₂ — увеличи­ваться вплоть до момента выравнивания температур тел, т. е. установления теплового равновесия. Очевидно, что согласно нулевому началу термодинамики, если Т₁ = Т₂ и Т₂ = Тз, то Т₁ = T₃, где Т₁, T₂ и Т₃ — температуры трех тел. Из изложен­ного следует, что температура является параметром состоя­ния термодинамической системы и может быть найдена из уравнения состояния системы. Например, для моля идеаль­ного газа V _м, находящегося в состоянии термодинамического равновесия при давлении р, имеем .

3. Классификация изменений состояния термодинамической системы

Состояние термодинамической системы может изменяться самопроизвольно или в результате контакта с другими си­стемами, окружающей средой. Любое изменение состояния системы называется процессом. Термодинамика рассматри­вает только такие процессы, в которых начальное и конечное состояния однозначно определяются несколькими парамет­рами, как, например, температурой и давлением или дру­гими. Если система проходит через непрерывный ряд беско­нечно близких равновесных состояний, то говорят о равновес­ном термодинамическом процессе. Промежуточные состояния, через которые проходит система, могут и не быть равновес­ными. В этом случае процесс является неравновесным.

В реальных условиях процессы протекают с конечной скоростью и поэтому являются неравновесными. Однако чем медленнее происходит процесс, тем он ближе к равновесному. Вследствие этого равновесные процессы называют квазиста­тическими. В идеальном случае квазистатическим будет бес­конечно медленно протекающий процесс, при котором термо­динамическая система и окружающая среда в любой момент времени бесконечно близки к равновесному состоянию.

Если в ходе процесса остается неизменным какой-либо из параметров термодинамической системы, то говорят об изопроцессе. Такими процессами являются:

изотермический, протекающий при неизменной темпера­туре системы (Т =const);

изобарный, протекающий при постоянном давлении в си­стеме (р = const);

изохорный, не изменяющий объема системы (V =const).

В практическом плане существенными являются круговые процессы или циклы, которые лежат в основе работы целого ряда устройств, тепловых машин.

Циклом называется процесс, при котором термодинамиче­ская система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние, т. е. по завершении процесса начальное и конечное состояния системы совпадают.

Очень важными в термодинамике являются понятия обра­тимого и необратимого процессов.

Обратимым называется процесс, который может быть осуществлен в обратном направлении, при этом термодина­мическая система должна проходить через те же состояния, что и в случае прямого направления процесса, только в об­ратной последовательности. При совершении обратимого процесса в прямом и обратном направлении система возвраща­ется в исходное состояние, а в окружающей среде не должно наблюдаться никаких изменений.

Любой процесс, включая циклический, не удовлетворяю­щий указанным выше условиям, является необратимым.

Реальные процессы, связанные с диссипацией энергии вследствие трения, теплопроводности и других причин, не являются обратимыми. Однако многие из них при опреде­ленных условиях близки к обратимым.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: