термодинамічні системи
Термодинамічна система - сукупність макроскопічних тіл, які можуть взаємо-діяти між собою і з іншими тілами (зовнішнім середовищем) - обмінюватися з ними енергією і речовиною. Обмін енергією і речовиною може відбуватися як всередині самої системи між її частинами, так і між системою і зовнішнім середовищем. Залежно від можливих способів ізоляції системи від зовнішнього середовища розрізняють кілька видів термодинамічних систем.
Відкритою системою називається термодинамічна система, яка може обмінюватися речовиною і енергією з зовнішнім середовищем. Типовими прикладами таких систем можуть служити будь-які живі організми, а також рідина, маса якої безперервно зменшується внаслідок випаровування або кипіння.
Термодинамічна система називається закритою. якщо вона не може обмінюватися з зовнішнім середовищем ні енергією, ні речовиною. Замкнута система будемо називати термодіна-мічного систему, ізольовану в механічному відношенні, тобто неспроможну до обміну енергією з зовнішнім середовищем шляхом здійснення роботи. Прикладом такої системи може служити газ, укладений в посудину постійного обсягу. Термодинамічна система називається адіабатною. якщо вона не може обмінюватися з іншими системами енергією шляхом теплообміну.
Термодинамічними параметрами (параметрами стану) називаються фізичні величини, що служать для характеристики стану термодинамічної системи.
Прикладами термодинамічних параметрів є тиск, обсяг, температура, концентрація. Розрізняють два типи термодинамічних параметрів: екстенсивні та інтенсивні. Перші пропорційні кількості речовини в даній термодинамічної системи, другі не залежать від кількості речовини в системі. Найпростішим екстенсивним параметром є об'єм V системи. Величину v. рівну відношенню обсягу системи до її масі, називають питомою обсягів по-мом системи. Найпростішими інтенсивними параметрами є тиск р і температура Т.
Тиском називається фізична величина
,
де dFn - модуль нормальної сили, що діє на малий ділянку поверхні тіла пло-
щадью dS.
Якщо тиск і питомий об'єм мають ясний і простий фізичний зміст, то набагато більш складним і менш наочним є поняття температури. Зауважимо насамперед, що поняття температури, строго кажучи, має сенс тільки для рівноважних станів системи.
Рівноважний стан термодинамічної системи - стан системи, при якому всі параметри мають певні значення і в якому система може залишатися скільки завгодно довго. Температура у всіх частинах термодинамічної системи, що знаходиться в одно-весна стані, однакова.
При теплообміні між двома тілами з різною температурою відбувається передача теплоти від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою. Цей процес прекра щается, коли температури обох тіл вирівнюються.
Температура системи, що знаходиться в стані рівноваги, служить мірою інтенсивності теплового руху атомів, молекул та інших частинок, що утворюють систему. В системі частинок, що описуються законами класичної статистичної фізики і знаходяться в стані рівноваги, середня кінетична енергія теплового руху частинок прямо пропорційна термодинамічної температури системи. Тому іноді говорять, що температура характе-ризует ступінь нагретости тіла.
При вимірюванні температури, яке можна робити тільки непрямим шляхом, викорис-зуется залежність від температури цілого ряду фізичних властивостей тіла, що піддаються прямому чи непрямому вимірюванню. Наприклад, при зміні температури тіла змінюються його довжина і об'єм, щільність, пружні властивості, електричний опір і т.д. Зміна будь-якого з цих властивостей є основою для вимірювань температури. Для цього необхідно, щоб для одного (обраного) тіла, званого термометричною тілом, була відома функціональна залежність даного властивості від температури. Для практичних вимірювань температури застосовуються температурні шкали, встановлені за допомогою термометричні тел. У Міжнародній стоградусной температурній шкалі температура виражається в градусах Цельсія (° С) [А. Цельсій (1701-1744) - шведський вчений] і позначається t. причому приймається, що при нормальному тиску 1,01325 × 10 5 Па температури плавлення льоду і кипіння води рівні, відповідно, 0 і 100 ° С. У термодинамічної температурної шкали температура виражається в Кельвіна (К) [У. Томсон, лорд Кельвін (1821-1907) - англійський фізик], позначається Т і називається термодинамічною температурою. Зв'язок між термодинамічною температурою Т і температурою по стоградусной шкалою має вигляд T = t + 273,15.
Температура T = 0 К (по стоградусной шкалою t = -273,15 ° С) називається абсолютним нулем температури, або нулем по термодинамічної шкалою температур.
Параметри стану системи поділяються на зовнішні і внутрішні. Зовнішніми парамет-рами системи називаються фізичні величини, що залежать від положення в просторі і різних властивостей (наприклад електричних зарядів) тел, які є зовнішніми по відношенню до даної системи. Наприклад, для газу таким параметром є об'єм V судини,
в якому знаходиться газ, бо обсяг залежить від розташування зовнішніх тел - стінок посудини. Атмосферний тиск є зовнішнім параметром для рідини у відкритому посуді. Внутрішніми параметрами системи називаються фізичні величини, що залежать як від стану зовнішніх по відношенню до системи тіл, так і від координат і швидкостей частинок, що утворюють дану систему. Наприклад, внутрішніми параметрами газу є його тиск і енергія, які залежать від координат і швидкостей рухомих молекул і від щільності газу.
Під термодинамічним процесом розуміють всяка зміна стану розглядає-мій термодинамічної системи, що характеризується зміною її термодинамічних параметрів. Термодинамічний процес називається рівноважним. якщо в цьому процесі система проходить безперервний ряд нескінченно близьких термодинамічно рівноважних станів. Реальні процеси зміни стану системи завжди відбуваються з кінцевою швидкістю і тому не можуть бути рівноважним. Очевидно, однак, що реальний процес зміни стану системи буде тим ближче до рівноважного, ніж повільніше він відбувається, тому такі процеси називають квазістатичного.
Прикладами простих термодинамічних процесів можуть служити наступні процеси:
а) ізотермічний процес, при якому температура системи не змінюється (T = const);
б) Ізохоричний процес, що відбувається при постійному обсязі системи (V = const);
в) ізобарний процес, що відбувається при постійному тиску в системі (p = const);
г) Адіабатний процес, який відбувається без теплообміну між системою і зовнішнім середовищем.