1.2. Термодинамическая система
В любом явлении участвуют множество различных тел, связанных между собой. При термодинамическом изучении какого-либо явления в качестве объекта изучения выделяется группа тел, или единичное тело, или даже отдельные его части. Объект изучения называется термодинамической системой. Все, что окружает термодинамическую систему, называется окружающей средой.
Термодинамическая система – совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией как друг с другом, так и с окружающей средой.
Пример: газ, находящийся в цилиндре с поршнем – термодинамическая система, цилиндр и поршень окружающая среда.
Виды систем:
По степени обмена веществом и энергией:
1. изолированная – нет взаимодействия с окружающей средой. Пр.: термос;
2. закрытая – обменивается только энергией. Пр.: батарея;
3. открытая – обменивается с окружающей средой и веществом и энергией. Пр.: стакан, наполненный водным раствором соли.
По наличию границы раздела фаз:
Фаза – совокупность гомогенных частей гетерогенной системы, одинаковых по физическим и химическим свойствам, отделенная от других частей системы видимой поверхностью раздела. Фаза может быть твердой, жидкой и газообразной.
1. гомогенная – система, внутри которой нет поверхностей, разделяющих отличающиеся по своим свойствам части системы (фазы).
Пр.: идеальный газ или раствор поваренной соли.
Если во всех точках система имеет одинаковый состав и физические свойства одинаковы, то система называется физически однородной.
2. гетерогенная – система, внутри которой присутствует поверхность, разделяющая отличающиеся по свойствам части системы.
Пр.: вода и бензол, взвешенные частицы в жидкости, система из воды и льда.
1.3. Термодинамический процесс
Основные термодинамические параметры состояния р, υ и Т однородного тела зависят друг от друга и связаны соотношением:
– уравнение
состояния.
Если известно уравнение состояния, то для определения состояния простейших систем – однородных и постоянных по времени, по массе и по составу (состоящих из одной фазы и не изменяющихся химически) – достаточно знать две независимые переменные из трех:
Если внешние условия меняются, то меняется и состояние системы. Совокупность изменений состояния термодинамической системы при переходе из одного равновесного состояния в другое называется термодинамическим процессом.
Равновесное состояния – состояние системы, в котором во всех ее точках давление, температура, удельный объем и другие физические параметры одинаковы.
Равновесный термодинамический процесс – процесс, проходящий через равновесные состояния.
Термодинамика в первую очередь рассматривает равновесные состояния и процессы изменения состояния термодинамической системы. Равновесный процесс осуществляется только в случае бесконечно медленного изменения параметров внешней среды или когда изменения параметров системы малы по сравнению со значениями этих параметров. Реальные процессы – неравновесные, поскольку под влиянием внешних условий они протекают с конечными скоростями и равновесное состояние не успевает устанавливаться.
С математической точки зрения уравнение состояния выражает некоторую поверхность – термодинамическая поверхность. Произвольно взятое равновесное состояние это точка на термодинамической поверхности, а совокупность этих точек при непрерывном изменений состояния – кривая, которая является графическим отображением равновесного процесса.
Параметры состояния системы могут быть:
1. экстенсивные – параметры, значения которых пропорциональны массе системы (объем, энергия, энтропия и др.);
2. интенсивные – параметры, не зависящие от массы системы (р, Т и др.)
Экстенсивные параметры подчиняются закону аддитивности, а интенсивные нет.
Измерение экстенсивной величины – это сравнение ее с другой, однородной с ней величиной, длина с длиной, объем с объемом.
Измерение интенсивной величины состоит в использовании объективной связи между изменением интенсивной и экстенсивной величины. Для изменения температуры используется термометр, который фиксирует интенсивную величину температуру путем измерения экстенсивной величины объема ртути.