§ 1. Параметры термодинамических систем (параметры состояния)

Термодинамической системой называется макроскопическое тело (или группа тел), которому свойственны процессы, сопровождающиеся переходом теплоты в другие виды энергии, и обратные процессы.

Параметрами термодинамических систем называется совокупность физических величин, которые характеризуют те или иные свойства термодинамической системы. Обычно в качестве таких параметров состояния выбирают температуру (Т), давление (р) и объем (V).

Температура – физическая величина, количественно описывающая интенсивность хаотического движения атомов и молекул (или вообще частиц) термодинамической системы.

Сейчас широко применяются две температурные шкалы:

• Термодинамическая абсолютная температура, или температура Кельвина (К) (в формулах обозначается T).

• Международная практическая температура, или температура Цельсия (⁰С) (в формулах обозначается t ).

Реперные, или опорные, точки для шкалы Цельсия − это температуры замерзания (0⁰) и кипения (100⁰) воды (при нормальном давлении). Для шкалы Кельвина реперная точка − это тройная точка воды (температура, при которой лед, вода и насыщенный пар находятся в термодинамическом равновесии), температура которой равна 273,15 К. Так как 1 K=1⁰C, то

T=273,15+t

Температура T=0 К называется нулем Кельвина или абсолютным нулем, который недостижим (в 1993г. в лабораториях была достигнута самая низкая температура Т=280 пК=2,8^.10^-10 К).

Давление р − физическая величина, определяемая нормальной силой на единицу площади. Единица давления – паскаль (Па): 1 Па равен давлению, создаваемому силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1м² (1 Па = 1 Н/м²).

Так как в молекулярной физике мы имеем дело с огромным количеством молекул, размеры и массы которых очень малы¹⁰, то целесообразно применение более удобных единиц измерения для масс и количества молекул.

Масса молекул (атомов) измеряется относительной атомной (молекулярной) массой A_r (М_r) (или просто атомной (молекулярной) массой или весом) - безразмерной величиной, равная отношению средней массы атома (молекулы) природной смеси изотопов элемента к 1/12 массе атома углерода ¹²С. Атомная единица массы - 1а.е.м.= 1/12 массы ¹²С.

A_r или (М_r)= , где m₀ и m₀( ) − масса атома или молекулы и масса атома углерода соответственно.

Но масса атомов или молекул не являются мерой количества вещества (как, например, плотность вещества не является мерой количества вещества).

Единица количества вещества – моль (n, иногда ν)– одна из основных единиц измерения в СИ (см. табл. 1 во введении). В одном моле различных веществ содержится одно и то же число молекул (атомов и т.д.), называемое числом или постоянной Авогадро :N_A=6,022^.10²³ моль^-1 .

Если количество вещества n моль, то число молекул в теле N=nN_A.

Употребляют также такие понятия, как:

• Молярный объем (V_m) – объем одного моля .

• Удельный объем ( ) − объем единицы массы.

• Молярная масса (M) − масса одного моля (киломоля) или размерная физическая величина, равная отношению массы вещества (m) к количеству вещества (n). M=m/n или M=m₀N_A , где m₀ масса одного структурного элемента (атома, молекула, иона…).

Числовые значения {M_r}={M}∙10³ и {M}={M_r}∙10⁻³

Из M=m₀N_A и m=m₀N, получим m/M=N/N_A=n − количество вещества в молях равно отношению массы вещества к его молярной массе.

N=nN_A=N_Am/M.

Когда тело или система однородны (т.е. его плотность всюду постоянна ), а масса m не меняется (обычно рассматриваются замкнутые системы), то из вытекает, что . Это означает, что при необходимости вместо удельного объема мы можем употреблять обычный объем системы V.

При нормальных условиях (t=0⁰ С, p=1атм) молярные объемы всех идеальных газов одинаковы и равны V_m=22,4м³/кмоль=22,4л/моль (закон Авогадро (1811г.)).

Так как количество вещества в молях равно отношению массы вещества (m) к его молярной массе (M), то молярный объем

. (1)

Давление p смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлении p₁, p₂, …p_n входящих в неt газов. Парциальное давление − давление, которое производил бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал весь объем смеси пhи той же температуры: p=p₁+p₂+∙∙∙+p_n.