3.1. Термодинамічна система:

У будь-якому явищі природи бере участь безліч різних тіл, так чи інакше зв'язаних між собою. При термодинамічному вивченні якого-небудь явища як об'єкт дослідження виділяється група тіл або одиничне тіло, або навіть окремі його частини. Об'єкт вивчення називається термодинамічною системою, а все, що лежить поза його границями, — навколишнім середовищем. Термодинамічною системою називається сукупність макроскопічних тіл, що обмінюються енергією як один з одним, так і з навколишнім (зовнішнім) середовищем.

Найпростішим прикладом термодинамічної системи (тіла) може служити газ, що знаходиться в циліндрі з поршнем. До навколишнього середовища варто віднести циліндр і поршень, повітря, що оточує їх, стіни приміщення, де перебуває циліндр із поршнем, і т.д.

Границю між термодинамічною системою й навколишнім середовищем часто називають контрольною поверхнею.

Якщо термодинамічна система не має ніяких взаємодій з навколишнім середовищем, то її називають ізольованою, або замкнутої, системою.

Система, оточена так званою адіабатною оболонкою, що виключає теплообмін з навколишнім середовищем, називається теплоізольованою, або адіабатною, системою. Прикладом теплоізольованої системи є робоче тіло, яке знаходиться в посудині, стінки якої покриті ідеальною тепловою ізоляцією, що виключає теплообмін між робочим тілом і навколишнім середовищем.

Система, що має у всіх своїх частинах однаковий склад й фізичні властивості, називається фізично однорідною.

Однорідна термодинамічна система (як по складу, так і по фізичній будові), усередині якої немає поверхонь розділу, називається гомогенною (наприклад, лід, вода, гази).

Система, що складається з декількох макроскопічних частин з різними фізичними властивостями, відділених одна від іншої видимими поверхнями розділу, називається гетерогенною (наприклад, лід і вода, вода й пара й ін.).

Гомогенні частини системи, відділені від інших частин видимими поверхнями розділу, називаються фазами, Залежно від числа фаз гетерогенні системи називаються двофазною і трифазною (газоподібний, рідкий і твердий стан). Компонентом термодинамічної системи називають усяку хімічно однорідну систему.

Системи, що мають два ступеня свободи (термічну та деформаційну), називають простими або термодеформаційними.

3.2. Термодинамічні процеси та стани: рівноважні й нерівноважні.

Рівняння стану.

Основні термодинамічні параметри стану р, v і Т однорідного тіла залежать один від іншого й взаємно зв'язані певним математичним рівнянням виду

яке в термодинаміці називають рівнянням стану. Якщо відомо рівняння стану, то для визначення стану найпростіших систем - однорідних і постійних за часом, по масі й по складу (що складаються з однієї фази й хімічно не змінюються) - досить знати дві незалежні змінні із числа трьох:

Якщо зовнішні умови, у яких перебуває термодинамічна система, змінюються, то буде змінюватися й стан системи. Сукупність змін стану термодинамічної системи при переході з одного рівноважного стану в інше називають термодинамічним процесом.

Термодинамічним процесом називається зміна стану термодинамічної системи в результаті взаємодії її з навколишнім середовищем.

Під рівноважним станом тіла розуміють таке, при якому у всіх точках його об'єму тиск, температура, питомий об'єм і всі інші фізичні властивості однакові.

Процес зміни стану системи може бути рівноважним і нерівноважним. Якщо процес, протікаючи, проходить через рівноважні стани, то його називають рівноважним.

Термодинаміка в першу чергу розглядає рівноважні стани й рівноважні процеси зміни стану термодинамічної системи. Тільки рівноважні стани можуть бути описані кількісно за допомогою рівняння стану.

Рівноважний процес можна здійснити при нескінченно повільній зміні зовнішніх умов або коли зміни параметрів, що характеризують стан системи, нескінченно малі в порівнянні зі значеннями самих параметрів. Отже, реальні процеси, будучи нерівновагими, можуть лише в тім або іншому ступені наближатися до рівноважних, ніколи в точності з ними не збігаючись.

Принцип самонепорушності термодинамічної рівноваги. У систем, що перебувають у стані термодинамічної рівноваги, передача теплоти від одних частин системи до інших або до навколишнього середовища, а також переміщення окремих частин системи, і обмін речовиною між частинами системи або, що те ж саме, зміна маси компонентів системи, відсутні, тобто має місце теплова, механічна й масова (фазова або хімічна) рівновага.

Із цього випливає, що стан термодинамічної рівноваги неізольованої системи, що взаємодіє з навколишнім середовищем, однозначно визначається завданням зовнішніх умов, тобто зовнішніх параметрів, і температури системи (яка при рівновазі дорівнює температурі навколишнього середовища). Будь-яка система, що перебуває в незмінних зовнішніх умовах, рано чи пізно приходить до стану термодинамічної рівноваги, яким б не був її початковий стан; мимовільно вийти зі стану рівноваги система не може (принцип самонепорушності термодинамічної рівноваги).