Глава 1 Основні поняття термодинаміки

1.1 Термодинамічна система

Матеріальне тіло, що складається з досить великого числа часток, фактично або уявно виділене нами з навколишнього середовища, називається системою.

Система, в якій відбувається матеріальний обмін між складовими її частинами, називається термодинамічною.

Термодинамічна система повинна містити досить велике число часток, оскільки макроскопічні властивості тіла не повинні визначатися закономірностями руху окремих часток, а формуються в результаті їх сукупного, колективного руху.

Таким чином, термодинаміка розглядає системи, до складу яких входять лише макроскопічні об’єкти.

Системи, які зовсім не взаємодіють з навколишнім середовищем, називаються замкнутими або ізольованими.

Системи, що не обмінюються з навколишнім середовищем частками, не взаємодіють з нею будь-яким іншим чином, наприклад, теплообміном, або обміном механічною енергією, називаються закритими.

Системи, що обмінюються з навколишнім середовищем частками, називаються відкритими.

Однорідна (гомогенна) система має лише точні просторові границі, що відокремлюють її від навколишнього середовища.

В неоднорідній (гетерогенній) системі поряд із зовнішніми границями існують і внутрішні, що розділяють декілька однорідних (гомогенних) тіл, які утворюють систему.

1.2 Фаза

Гомогенна частина гетерогенної системи, що відокремлена від інших частин поверхнею розділу, на якій стрибкоподібно змінюються будь-які властивості, називається фазою.

Приклад 1. Система включає до себе дві фази: лід та воду – рис. 1, а. Між ними є поверхня розділу, при переході через яку стрибком змінюються фізичні властивості, наприклад, щільність, твердість, текучість.

Не можна плутати і ототожнювати фази системи з агрегатними станами. У той час, як агрегатних станів усього чотири (твердий, рідкий, газоподібний, плазмовий), в гетерогенній системі може утворюватися значно більша кількість фаз - рідких, твердих і т.ін.

а – з твердою і рідкою фазами; б – з двома рідкими фазами

Рисунок 1 - Двофазні системи

Приклад 2. У сосуді є дві рідними: вода і олія – рис. 1, б. Система представлена одним агрегатним станом – рідким, при цьому рідкий агрегатний стан включає до себе дві ж рідкі фази. При переході через міжфазну границю стрибком змінюється щільність, в’язкість і текучість двох рідких фаз.

1.3 Компонент

Будь-яка система, як гомогенна, так і гетерогенна, утворена вихідними незалежними речовинами – простими (хімічними елементами) або складними (сполуками хімічних елементів). Таким чином, компонент – це така частина системи, вміст якої не залежить від вмісту інших частин.

Приклад. В тиглі розміщений розплав алюмінію, у якому розчинено декілька відсотків міді. У цій системі є два компоненти: алюміній і мідь. Ці два компоненти утворюють одну рідку фазу.

Слід враховувати, що якщо в даній фазі є N різних хімічних елементів, між якими можливі n хімічних реакцій, то число компонентів в даній системі дорівнює N-n.

1.4 Термодинамічні параметри стану системи

Стан системи, яка знаходиться у термодинамічній рівновазі, може бути визначений сукупністю властивостей. Усі величини, які характеризують будь-яку макроскопічну властивість системи, називаються термодинамічними параметрами. Розрізняють параметри зовнішні та внутрішні.

Зовнішні термодинамічні параметри задаються співвідношенням зовнішніх тіл по відношенню до системи, що розглядається (наприклад, об’єм системи, напруженість силового поля і т.ін.

Внутрішні термодинамічні параметри визначаються сукупним рухом і розподілoм у просторі системи часток, які входять до її складу (наприклад, щільність, тиск, енергія і т.ін.).

Будь-який стан системи описується мінімум двома параметрами, один з який є величиною екстенсивною, а інший – інтенсивною.

Значення екстенсивних параметрів є пропорційними масі і тому мають властивість адитивності. Це – об’єм системи, число її молей, маса.

Інтенсивні параметри описують специфічні властивості системи у даному стані і не залежать від маси. Величини їх не адитивні, вони можуть мати одне й те ж значення для усієї системи або змінюватися від точки до точки. Це – усі молярні і питомі властивості, температура, тиск.

Зазвичай, в якості незалежних термодинамічних параметрів вибирають інтенсивні властивості.

Термічний стан Q системи описується ентропією S (екстенсивний параметр) і температурою Т (інтенсивний параметр):

Q=TS (1)

Аналогічно механічний стан А системи характеризується об’ємом V (екстенсивний параметр) і тиском p (інтенсивний параметр):

A=pV (2)

Аналогічно W_i – хімічну енергію i-компоненту системи можна представити у вигляді добутку двох параметрів: кількості молей i-компоненту – n_і (екстенсивний параметр) і його хімічного потенціалу (інтенсивний параметр):

(3)