Термодинамические параметры состояния и их функции.

При делении системы на части равновесие не нарушается. Имеется только два класса термодинамических величин.

1. Если значение термодинамической величины при делении системы на части ведет себя так:

F_общ = F₁ + F₂ ,

то такую величину называют экстенсивной. Примеры: число частиц N , объем тела V . Экстенсивная величина пропорциональна числу частиц в системе.

2. Если значение термодинамической величины при делении системы сохраняется для каждой ее части

f_общ = f₁ = f₂ ,

то такую величину называют интенсивной. Интенсивная величина не зависит от числа частиц в системе. Таким образом равновесное состояние однородной системы является внутренним свойством, определяемым интенсивными параметрами. Примеры: температура T, давление p , химический потенциал  .

Основные параметры: T – ^K (t – ^C), p – Па, удельный объем v = 1/ ,  –кг/м³, удельные внутренняя энергия u – Дж/кг, энтальпия h – Дж/(кгград), энтропия s – Дж/(кгград). Имеют место формулы

h = u + pv ,

где температура T₀ соответствует началу отсчета энтропии, T – температура рабочего тела, q – приращение тепловой формы энергии в процессе. Последнее равенство – одна из формулировок второго начала термодинамики, определяющего энтропию как функцию состояния системы для обратимых процессов, определение которых будет дано позже.

Отметим, что переход к удельным величинам для экстенсивных параметров превращает их в интенсивные. Это удобно при составлении таблиц свойств и диаграмм для состояния систем, но в некоторых случаях различие интенсивных и экстенсивных переменных существенно.

Для систем типа газа состояние термодинамического равновесия может быть полностью охарактеризовано заданием двух параметров (напр. p и T). Любой третий параметр будет определенной функцией их. В частности, уравнение состояния идеального газа (Менделеева-Клайперона) имеет вид

pv = RT ,

где R = R_/ , R_ = 8314 Дж/(кмольград) – удельная газовая постоянная,  – молекулярный вес. Данное уравнение называют термическим уравнением идеального газа. Оно представляет собой поверхность (термодинамическую) в трехмерном пространстве p , v , T . В термодинамике вводится еще калорическое уравнение состояния. Термодинамическая система считается заданной, если наряду с ним известно еще термическое(ие) уравнение состояния. Для идеального газа калорическое уравнение формулируется как независимость внутренней энергии газа от его объема. В рамках термодинамики уравнения состояния (которых может быть несколько) считаются заданными (либо эмпирически, либо определяются методами статистической физики) при формулировке ТС.

Термодинамические процессы в закрытых системах.

При изменении хотя бы одного параметра состояния рабочего тела происходит термодинамический процесс, т. е. последовательность изменений состояний системы.

Рис. 5.

Всякий процесс представляет собой отклонение от равновесия. Процесс протекающий так медленно, что в системе в каждый момент времени устанавливается практически равновесное состояние – квазистатический (квазиравновесный) процесс. Время выпадает из теории, т.к. при равновесии все параметры системы остаются постоянными. Процесс перехода в равновесное состояние из некоторого неравновесного при фиксированных внешних условиях (0-ое начало термодинамики и т.п.) называется релаксацией. Соответственно характерное время перехода – время релаксации _p . Для квазистатического процесса имеем по определению: da/dt << a/_p , где a – любой параметр, a – его изменение в процессе за время t . Обратимым процессом называют процс, который может проходить в прямом и обратном направлениях. Подразумеваетесся, что обратный процесс проходит через те же равновесные состояния в обратном порядке, что и прямой процесс, причем в системе и окружающей среде термодинамические параметры не меняются после возращения системы в начальное состояние. При равновесии отсутствуют макроскопические потоки любого типа. В противном случае – необратимый процесс. Всякий обратимый процесс является квазистатическим, но не всякий квазистатический является обратимым (пример: сухое трение). Как равновесный, так и обратимый процессы являются идеализацией, не реализуемой на практике.

В реальных системах, характерных для ТТ, снабженных различными регуляторами для торможения процессов ситуация сложнее. Пусть система состоит из отдельных, различающихся друг от друга частей (по температуре, давлению и т. п.). Состояние такой системы не является состоянием полного равновесия и поддерживается различными (теоретически идеальными) устройствами (адиабатическими перегородками, непроницаемыми стенками и т. п.). Если их устранить, то через некоторое время система придет к полному равновесию. Если же действие регуляторов осуществляется настолько медленно, что в любой момент времени каждая из частей системы находится в локальном равновесии, то состояния системы будут меняться обратимым образом, хотя в целом система не находится в равновесии (не равновесна).