Podstawowe parametry stanu układów termodynamicznych

układ termodynamiczny zwany zestawem różnych ciał zdolnych do energetycznej interakcji ze sobą i środowiskiem. W tym przypadku ilość substancji może być stała lub zmienna, a ciała mogą znajdować się w różnych stanach skupienia (gazowy, ciekły lub stały).

Środowisko jest rozumiane jako ogół wszystkich innych ciał, które nie są objęte układem termodynamicznym.

Nazywa się układ termodynamiczny odosobniony jeśli nie wchodzi w interakcje z otoczeniem, Zamknięte- jeśli ta interakcja zachodzi tylko w formie wymiany energii, oraz otwarty- jeśli wymienia z otoczeniem zarówno energię, jak i materię. Nazywamy zmianę stanu układu termodynamicznego w wyniku wymiany energii z otoczeniem proces termodynamiczny.

Głównymi parametrami charakteryzującymi procesy wzajemnej przemiany pracy i ciepła jest temperatura T, nacisk R i głośność V.

Temperatura jest miarą intensywności ruchu cząsteczek substancji. Im większa energia kinetyczna ruchu cząsteczek, tym wyższa temperatura. Temperaturę odpowiadającą stanowi całkowitego spoczynku cząsteczek gazu przyjmuje się jako zero absolutne. Ten punkt jest początkiem

odczyty temperatury w bezwzględnej skali Kelvina (oznaczenie - T, DO). W inżynierii zwykle stosuje się stopnie Celsjusza skali temperatury (oznaczenie - t, ° С), w którym przyjmuje się temperaturę topnienia lodu jako 0 ° С, a stałą temperaturę wrzenia wody przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym przyjmuje się jako 100 stopni.

Przeliczenie temperatury ze stopni Celsjusza na wartość bezwzględną odbywa się zgodnie ze wzorem

T=t+273,15 tys., (2,2)

podczas gdy rozmiar stopnia Celsjusza jest równy kelwinowi: 1 ° C \u003d 1 K, tj.

Temperatura określa kierunek wymiany ciepła, jest miarą nagrzania ciał. Dwa układy, które są ze sobą w równowadze termicznej, mają tę samą temperaturę.

Ciśnienie gazu. Zgodnie z teorią kinetyczną gaz w zamkniętym naczyniu wywiera nacisk na jego ścianki, co jest wynikiem siłowego działania cząsteczek gazu w ruchu losowym. Ciśnienie jest definiowane jako siła działająca na powierzchnię jednostkową i jest mierzone w paskalach (Pa = N/m2).

Suma ciśnienia barometrycznego (atmosferycznego) i nadciśnienia wywieranego przez gaz na ścianki naczynia jest ciśnieniem bezwzględnym:

gdzie V- objętość zajmowana przez gaz, m 3 ; M- masa gazu w objętości V, kg. Nazywa się ilość substancji zawartą w jednostce objętości

gęstość gazu ρ , kg / m3. Jest to odwrotność określonej objętości.

Nazywa się stan układu termodynamicznego, charakteryzujący się stałą wartością parametrów w czasie i w całej masie układu równowaga. W układzie, który znajduje się w równowadze termodynamicznej, nie ma przepływu ciepła i materii zarówno w układzie, jak i pomiędzy układem a otoczeniem. Stan równowagi gazu można wyrazić równaniem f (R, V, T) = 0.

Gaz doskonały nazywa się gazem składającym się z cząsteczek, których rozmiary można pominąć i które nie oddziałują ze sobą (nie ma energii potencjalnej oddziaływania). Wprowadzenie pojęcia gazu doskonałego do termodynamiki umożliwia uzyskanie prostszych zależności analitycznych między parametrami stanu. Doświadczenie pokazuje, że przy znanym przybliżeniu zależności te można zastosować do badania właściwości gazów rzeczywistych.

Układ termodynamiczny- zespół makroskopowych ciał, które mogą oddziaływać ze sobą oraz z innymi ciałami (środowiskiem zewnętrznym) - wymieniać z nimi energię i materię. Wymiana energii i materii może zachodzić zarówno w samym systemie pomiędzy jego częściami, jak i pomiędzy systemem a środowiskiem zewnętrznym. W zależności od możliwych sposobów odizolowania układu od środowiska zewnętrznego wyróżnia się kilka typów układów termodynamicznych.

otwarty system zwany układem termodynamicznym, który może wymieniać materię i energię z otoczeniem. Typowymi przykładami takich układów są wszelkie organizmy żywe, a także ciecz, której masa stale się zmniejsza w wyniku parowania lub wrzenia.

Układ termodynamiczny zwany Zamknięte jeśli nie może wymieniać ani energii, ani materii z otoczeniem. Zamknięte układ będziemy nazywać układem termodynamicznym izolowanym mechanicznie, tj. niezdolny do wymiany energii z otoczeniem poprzez wykonywanie pracy. Przykładem takiego układu jest gaz zamknięty w naczyniu o stałej objętości. Nazywa się układ termodynamiczny adiabatyczny jeżeli nie może wymieniać energii z innymi systemami poprzez wymianę ciepła.

Parametry termodynamiczne (parametry stanu) zwane wielkościami fizycznymi, które służą do scharakteryzowania stanu układu termodynamicznego.

Przykładami parametrów termodynamicznych są ciśnienie, objętość, temperatura, stężenie. Istnieją dwa rodzaje parametrów termodynamicznych: rozległy oraz intensywny. Te pierwsze są proporcjonalne do ilości materii w danym układzie termodynamicznym, te drugie nie zależą od ilości materii w układzie. Najprostszym rozbudowanym parametrem jest głośność V systemy. wartość w, równa stosunkowi objętości układu do jego masy, nazywana jest objętością właściwą układu. Najprostszymi parametrami intensywnymi są ciśnienie R i temperatura T.

Ciśnienie jest wielkością fizyczną

gdzie dFn jest modułem siły normalnej działającej na mały obszar powierzchni ciała
zapasowy dS.

Jeśli ciśnienie i objętość właściwa mają jasne i proste znaczenie fizyczne, to pojęcie temperatury jest znacznie bardziej złożone i mniej oczywiste. Przede wszystkim zauważamy, że pojęcie temperatury, ściśle mówiąc, ma sens tylko dla stanów równowagi układu.

Stan równowagi układu termodynamicznego- stan systemu, w którym wszystkie parametry mają określone wartości i w którym system może przebywać tak długo, jak sobie tego życzy. Temperatura we wszystkich częściach układu termodynamicznego w równowadze jest taka sama.

Podczas wymiany ciepła między dwoma ciałami o różnych temperaturach ciepło jest przekazywane z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Proces ten zatrzymuje się, gdy temperatury obu ciał się wyrównają.

Temperatura układu w równowadze służy jako miara intensywności ruchu termicznego atomów, cząsteczek i innych cząstek tworzących układ. W układzie cząstek opisanym prawami klasycznej fizyki statystycznej iw równowadze średnia energia kinetyczna ruchu termicznego cząstek jest wprost proporcjonalna do temperatury termodynamicznej układu. Dlatego czasami mówi się, że temperatura charakteryzuje stopień nagrzania ciała.

Podczas pomiaru temperatury, który można wykonać tylko pośrednio, wykorzystuje się zależność od temperatury szeregu właściwości fizycznych ciała, które można zmierzyć bezpośrednio lub pośrednio. Na przykład, gdy zmienia się temperatura ciała, zmienia się jego długość i objętość, gęstość, właściwości sprężyste, opór elektryczny itp. Zmiana którejkolwiek z tych właściwości jest podstawą do pomiarów temperatury. W tym celu konieczne jest, aby dla jednego (wybranego) ciała, zwanego ciałem termometrycznym, znana była funkcjonalna zależność tej właściwości od temperatury. Do praktycznych pomiarów temperatury stosuje się skale temperatury, ustalone za pomocą ciał termometrycznych. W Międzynarodowej Skali Temperatury w Celsjuszach temperaturę wyraża się w stopniach Celsjusza (°C) [A. Celsjusza (1701-1744) - szwedzki naukowiec] i jest oznaczony t i zakłada się, że przy normalnym ciśnieniu 1,01325 × 10 5 Pa temperatura topnienia lodu i temperatura wrzenia wody wynoszą odpowiednio 0 i 100 °C. W termodynamicznej skali temperatur temperaturę wyraża się w kelwinach (K) [W. Thomson, Lord Kelvin (1821-1907) - angielski fizyk], oznaczony T i nazywa się temperaturą termodynamiczną. Związek między temperaturą termodynamiczną T a temperatura w skali Celsjusza ma postać T = t + 273,15.

Temperatura T= 0 K (w skali Celsjusza t\u003d -273,15 ° С) nazywa się zero absolutne temperatura lub zero na termodynamicznej skali temperatur.

Parametry stanu systemu dzielą się na zewnętrzne i wewnętrzne. Parametry zewnętrzne układy nazywane są wielkościami fizycznymi, które zależą od położenia w przestrzeni i różnych właściwości (na przykład ładunków elektrycznych) ciał znajdujących się na zewnątrz danego układu. Na przykład dla gazu tym parametrem jest objętość V naczynie,
w którym znajduje się gaz, ponieważ objętość zależy od położenia ciał zewnętrznych - ścian naczynia. Ciśnienie atmosferyczne jest zewnętrznym parametrem cieczy w otwartym naczyniu. Parametry wewnętrzne układy nazywane są wielkościami fizycznymi, które zależą zarówno od położenia ciał zewnętrznych względem układu, jak i od współrzędnych i prędkości cząstek tworzących ten układ. Na przykład wewnętrznymi parametrami gazu są jego ciśnienie i energia, które zależą od współrzędnych i prędkości poruszających się cząsteczek oraz od gęstości gazu.

Pod proces termodynamiczny zrozumieć każdą zmianę stanu rozważanego układu termodynamicznego, charakteryzującą się zmianą jego parametrów termodynamicznych. Nazywa się proces termodynamiczny równowaga, jeśli w tym procesie układ przechodzi przez ciągłą serię nieskończenie bliskich stanów równowagi termodynamicznej. Rzeczywiste procesy zmiany stanu układu zawsze zachodzą ze skończoną szybkością i dlatego nie mogą być w równowadze. Oczywiste jest jednak, że rzeczywisty proces zmiany stanu układu będzie przebiegał im bliżej stanu równowagi, tym wolniej będzie przebiegał, dlatego takie procesy nazywane są quasi-statyczny.

Następujące procesy mogą służyć jako przykłady najprostszych procesów termodynamicznych:

a) proces izotermiczny, w którym temperatura układu się nie zmienia ( T= stała);

b) proces izochoryczny zachodzący przy stałej objętości układu ( V= stała);

c) proces izobaryczny zachodzący przy stałym ciśnieniu w układzie ( p= stała);

d) proces adiabatyczny, który zachodzi bez wymiany ciepła między układem a otoczeniem.

Układ termodynamiczny- jest to część świata materialnego, oddzielona od otoczenia rzeczywistymi lub wyimaginowanymi granicami i będąca przedmiotem badań termodynamiki. Środowisko ma znacznie większą objętość, dlatego zmiany w nim są nieznaczne w porównaniu ze zmianą stanu systemu. W przeciwieństwie do układów mechanicznych, które składają się z jednego lub kilku ciał, układ termodynamiczny zawiera bardzo dużą liczbę cząstek, co daje zupełnie nowe właściwości i wymaga innego podejścia do opisu stanu i zachowania się takich układów. Układ termodynamiczny jest obiekt makroskopowy.

Klasyfikacja układów termodynamicznych

1. Kompozycja

Układ termodynamiczny składa się z elementów. Składnik - jest to substancja, którą można wyizolować z układu i istnieć poza nim, tj. składniki są niezależnymi substancjami.

Jednoskładnikowy.

Dwuskładnikowy lub binarny.

Trójskładnikowy - potrójny.

Wieloskładnikowy.

2. Według składu fazowego- homogeniczne i heterogeniczne

jednorodny układy mają takie same właściwości makroskopowe w dowolnym punkcie układu, przede wszystkim temperaturę, ciśnienie, stężenie i wiele innych, takich jak współczynnik załamania światła, przenikalność, struktura krystaliczna itp. Układy jednorodne składają się z jednej fazy.

Faza- jest to jednorodna część systemu, oddzielona od innych faz interfejsem i charakteryzująca się własnym równaniem stanu. Faza i stan agregacji nakładają się na siebie, ale nie są tożsame pojęcia. Istnieją tylko 4 stany agregacji, faz może być znacznie więcej.

Heterogeniczny Systemy składają się z co najmniej dwóch faz.

3. Według rodzajów powiązań z otoczeniem(wg możliwości wymiany z otoczeniem).

Odosobniony Układ nie wymienia energii ani materii z otoczeniem. Jest to wyidealizowany system, którego w zasadzie nie można badać eksperymentalnie.

Zamknięte system może wymieniać energię z otoczeniem, ale nie wymienia materii.

otwarty system wymienia zarówno energię, jak i materię

Stan TDS

Stan TDS jest sumą wszystkich jego mierzalnych właściwości makroskopowych, które w związku z tym mają wyraz ilościowy. Makroskopowy charakter właściwości oznacza, że ​​można je przypisać tylko układowi jako całości, a nie poszczególnym cząstkom tworzącym TDS (T, p, V, c, U, n k). Ilościowe cechy stanu są ze sobą powiązane. W związku z tym istnieje minimalny zestaw cech systemu, tzw parametry , którego ustawienie pozwala w pełni opisać właściwości układu. Liczba tych parametrów zależy od typu systemu. W najprostszym przypadku dla zamkniętego jednorodnego układu gazowego w stanie równowagi wystarczy podać tylko 2 parametry. W przypadku systemu otwartego, oprócz tych 2 cech systemu, wymagane jest określenie liczby moli każdego składnika.

Zmienne termodynamiczne dzielą się na:

- zewnętrzny, które są określone przez właściwości i współrzędne układu w środowisku i zależą od kontaktów układu z otoczeniem, np. masa i liczba elementów, natężenie pola elektrycznego, liczba takich zmiennych jest ograniczona ;

- wewnętrzny, które charakteryzują właściwości układu, np. gęstość, energia wewnętrzna, liczba takich parametrów jest nieograniczona;

- rozległy, które są wprost proporcjonalne do masy układu lub liczby cząstek, na przykład objętość, energia, entropia, pojemność cieplna;

-intensywny, które nie zależą od masy układu, na przykład temperatura, ciśnienie.

Parametry TDS są połączone relacją, która nazywa się równanie stanu systemy. Ogólny pogląd na to f(str., V , T)= 0. Jednym z najważniejszych zadań FH jest znalezienie równania stanu dla dowolnego układu. Jak dotąd dokładne równanie stanu znane jest tylko dla gazów doskonałych (równanie Clapeyrona-Mendelejewa).

pV = nRT, ( 1.1)

gdzie R– uniwersalna stała gazowa = 8,314 J/(mol.K) .

[p] \u003d Pa, 1 atm \u003d 1,013 * 10 5 Pa \u003d 760 mm Hg,

[V] \u003d m 3, [T] \u003d K, [n] \u003d mol, N \u003d 6,02 * 1023 mol-1. Gazy rzeczywiste są opisane tym równaniem tylko w przybliżeniu, a im wyższe ciśnienie i niższa temperatura, tym większe odchylenie od tego równania stanu.

Wyróżnić równowaga oraz brak równowagi stan TDS.

Klasyczna termodynamika jest zwykle ograniczona do rozważania stanów równowagi bliskich układów podwójnych. równowaga - jest to stan, do którego TDS dochodzi spontanicznie iw którym może istnieć w nieskończoność przy braku wpływów zewnętrznych. Do określenia stanu równowagi wymagana jest zawsze mniejsza liczba parametrów niż w przypadku układów nierównowagowych.

Stan równowagi dzieli się na:

- zrównoważony(stabilny) stan, w którym każde nieskończenie małe działanie powoduje tylko nieskończenie małą zmianę stanu, a po wyeliminowaniu tego efektu system powraca do stanu pierwotnego;

- metastabilny stan, w którym pewne wpływy końcowe powodują zmiany stanu końcowego, które nie znikają po wyeliminowaniu tych wpływów.

Nazywa się zmianę stanu TDS związaną ze zmianą co najmniej jednej z jego zmiennych termodynamicznych proces termodynamiczny. Cechą opisu procesów termodynamicznych jest to, że charakteryzują się one nie szybkością zmian właściwości, ale wielkością zmian. Proces w termodynamice to ciąg stanów układu prowadzący od początkowego zestawu parametrów termodynamicznych do końcowego. Istnieją następujące procesy termodynamiczne:

- spontaniczny, do realizacji których nie jest konieczne wydatkowanie energii;

- niespontaniczne, występujące tylko przy wydatku energii;

- nieodwracalne(lub nierównowaga) – gdy w wyniku procesu nie jest możliwe przywrócenie systemu do stanu pierwotnego.

-odwracalny są wyidealizowanymi procesami, które przechodzą tam iz powrotem przez te same stany pośrednie, a po zakończeniu cyklu ani system, ani środowisko się nie zmieniają.

Funkcje stanu to cechy systemu, które zależą tylko od parametrów stanu, ale nie zależą od sposobu jego osiągnięcia.

Funkcje stanu charakteryzują się następującymi właściwościami:

Nieskończenie mała zmiana funkcji f jest całkowitą różnicą df;

O zmianie funkcji podczas przejścia ze stanu 1 do stanu 2 decydują tylko te stany ∫ df \u003d fa 2 - fa 1

W wyniku dowolnego procesu cyklicznego funkcja stanu nie zmienia się, tj. równa się zeru.

Ciepło i praca– sposoby wymiany energii między CDS a otoczeniem. Ciepło i praca są cechami procesu, a nie funkcjami stanu.

Praca- forma wymiany energii na poziomie makroskopowym, gdy następuje ukierunkowany ruch obiektu. Pracę uważa się za pozytywną, jeśli system wykonuje ją wbrew siłom zewnętrznym.

Ciepło- forma wymiany energii na poziomie mikroskopowym, tj. w postaci zmiany chaotycznego ruchu cząsteczek. Zwyczajowo ciepło odbierane przez system i wykonaną nad nim pracę uważa się za dodatnie, tj. działa „zasada egoizmu”. .

Najczęściej używanymi jednostkami energii i pracy, szczególnie w termodynamice, są dżul w układzie SI (J) oraz jednostka pozasystemowa, kaloria (1 cal = 4,18 J).

W zależności od charakteru obiektu wyróżnia się różne rodzaje prac:

1. Mechaniczny - ruch ciała

dA mech = - F z dl.(2.1)

Praca jest iloczynem skalarnym 2 wektorów siły i przemieszczenia, tj.

|dА futro | = F dl sałataα. Jeśli kierunek siły zewnętrznej jest przeciwny do przesunięcia sił wewnętrznych, to sałataα < 0.

2. Prace ekspansyjne (najczęściej rozważane rozprężanie gazu)

dА = - р dV (1.7)

Należy jednak pamiętać, że to wyrażenie jest ważne tylko dla procesu odwracalnego.

3. Elektryczny – ruch ładunków elektrycznych

dА el = -jdq,(2.2)

gdzie j- potencjał elektryczny.

4. powierzchowny – zmiana powierzchni,

Powierzchnia dA = -sdS,(2.3)

gdzie s- napięcie powierzchniowe.

5. Ogólne wyrażenie dotyczące pracy

dА = - Ydx,(2.4)

Y- siła uogólniona, dx- uogólniona współrzędna, więc pracę można uznać za iloczyn czynnika intensywnego i zmiany czynnika ekstensywnego.

6. Powołane są wszystkie rodzaje prac, z wyjątkiem prac rozwojowych użyteczne praca (dA'). dА = đdV + dА’ (2,5)

7. Przez analogię możemy wprowadzić pojęcie chemiczny pracować, gdy porusza się kierunkowo k chemiczny, nk jest właściwością ekstensywną, natomiast parametr intensywny m k zwany potencjałem chemicznym k ta substancja

dA chem \u003d -Sm k dn k. (2.6)

Wprowadzenie. Przedmiot ciepłownictwo. Podstawowe pojęcia i definicje. Układ termodynamiczny. Opcje stanu. Temperatura. Nacisk. Określona objętość. Równanie stanu. Równanie Van der Waalsa .

Stosunek jednostek:

1 bar = 10 5 Pa

1 kg / cm 2 (atmosfera) \u003d 9,8067 10 4 Pa

1mmHg st (milimetr słupa rtęci) = 133 Pa

1 mm wc Sztuka. (milimetr słupa wody) = 9,8067 Pa

Gęstość - stosunek masy substancji do zajmowanej przez nią objętości.

Określona objętość - odwrotność gęstości, tj. stosunek objętości zajmowanej przez substancję do jej masy.

Definicja: Jeżeli co najmniej jeden z parametrów dowolnego ciała wchodzącego do układu zmienia się w układzie termodynamicznym, to wtedy proces termodynamiczny .

Podstawowe parametry termodynamiczne stanu P, V, T ciała jednorodne zależą od siebie i są wzajemnie powiązane równaniem stanu:

F(P, V, T)

Dla gazu doskonałego równanie stanu można zapisać jako:

P- nacisk

w- określona objętość

T- temperatura

R- stała gazowa (każdy gaz ma swoją wartość)

Jeśli znane jest równanie stanu, to do wyznaczenia stanu najprostszych układów wystarczy znać dwie zmienne niezależne z 3

P. \u003d f1 (v, t); v = f2 (P, T); T = f3(v, P).

Procesy termodynamiczne są często przedstawiane na wykresach stanu, gdzie parametry stanu są wykreślane wzdłuż osi. Punkty na płaszczyźnie takiego wykresu odpowiadają określonemu stanowi układu, linie na wykresie odpowiadają procesom termodynamicznym, które przenoszą układ z jednego stanu do drugiego.

Rozważmy układ termodynamiczny składający się z jednego ciała pewnego gazu w naczyniu z tłokiem, a naczynie i tłok w tym przypadku są środowiskiem zewnętrznym.

Niech na przykład gaz w naczyniu zostanie ogrzany, możliwe są dwa przypadki:

1) Jeśli tłok jest nieruchomy, a objętość się nie zmienia, nastąpi wzrost ciśnienia w naczyniu. Taki proces nazywa się izochoryczny(v = const) przy stałej objętości;

Ryż. 1.1. Procesy izochoryczne w P-T współrzędne: v1 > v2 > v3

2) Jeśli tłok jest wolny, wówczas ogrzany gaz rozszerzy się, przy stałym ciśnieniu, proces ten nazywa się izobaryczny (P= const), przy stałym ciśnieniu.

Ryż. 1.2 Procesy izobaryczne w v - T współrzędne: P1>P2>P3

Jeżeli poruszając tłokiem zmienimy objętość gazu w naczyniu, to zmieni się również temperatura gazu, jednak ochładzając naczynie podczas sprężania gazu i ogrzewając podczas rozprężania można osiągnąć, że temperatura być stały ze zmianami objętości i ciśnienia, taki proces nazywa się izotermiczny (T= stała).

Ryż. 1.3 Procesy izotermiczne w Pv współrzędne: T 1 > T 2 > T 3

Proces, w którym nie dochodzi do wymiany ciepła między układem a otoczeniem nazywa się adiabatyczny, podczas gdy ilość ciepła w układzie pozostaje stała ( Q= stała). W rzeczywistości procesy adiabatyczne nie istnieją, ponieważ nie jest możliwe całkowite odizolowanie układu od otoczenia. Często jednak zachodzą procesy, w których wymiana ciepła z otoczeniem jest bardzo mała, np. gwałtowne sprężanie gazu w naczyniu przez tłok, gdy ciepło nie ma czasu na odprowadzenie z powodu nagrzewania się tłoka i naczynia.

Ryż. 1.4 Przybliżony wykres procesu adiabatycznego w Pv współrzędne.

Definicja: proces okrężny (cykl) - to zestaw procesów, które przywracają system do pierwotnego stanu. Liczba oddzielnych procesów może być dowolną liczbą w cyklu.

Koncepcja procesu okrężnego jest dla nas kluczowa w termodynamice, ponieważ działanie elektrowni jądrowej opiera się na obiegu pary wodnej, czyli możemy rozpatrywać parowanie wody w rdzeniu, obrót turbiny wirnik przez parę, skraplanie pary i przepływ wody do rdzenia jako rodzaj zamkniętego procesu lub cyklu termodynamicznego.

Definicja: Ciało robocze - pewna ilość substancji, która uczestnicząc w cyklu termodynamicznym wykonuje użyteczną pracę. Czynnikiem roboczym w reaktorze RBMK jest woda, która po odparowaniu w rdzeniu w postaci pary pracuje w turbinie, obracając wirnik.

Definicja: Nazywa się przeniesienie energii w procesie termodynamicznym z jednego ciała na drugie, związane ze zmianą objętości płynu roboczego, jego ruchem w przestrzeni zewnętrznej lub zmianą jego położenia praca procesowa .

Układ termodynamiczny

Termodynamika techniczna (t / d) uwzględnia prawa wzajemnego przekształcania ciepła w pracę. Ustala zależności między procesami cieplnymi, mechanicznymi i chemicznymi zachodzącymi w maszynach cieplnych i chłodniczych, bada procesy zachodzące w gazach i parach oraz właściwości tych ciał w różnych warunkach fizycznych.

Termodynamika opiera się na dwóch podstawowych prawach (początkach) termodynamiki:

I zasada termodynamiki- prawo przemian i zachowania energii;

II zasada termodynamiki- ustala warunki przebiegu i kierunku procesów makroskopowych w układach składających się z dużej liczby cząstek.

Techniczne t/d, stosując podstawowe prawa do procesów zamiany ciepła na pracę mechaniczną i odwrotnie, umożliwia rozwijanie teorii silników cieplnych, badanie zachodzących w nich procesów itp.

Przedmiotem badania jest układ termodynamiczny, którym może być grupa ciał, ciało lub część ciała. To, co jest poza systemem, nazywa się środowisko. Układ T/D to zbiór makroskopowych ciał wymieniających energię między sobą oraz z otoczeniem. Na przykład: układ t/d – gaz umieszczony w cylindrze z tłokiem, a otoczenie – cylinder, tłok, powietrze, ściany pomieszczenia.

system izolowany - system t/d, który nie wchodzi w interakcje z otoczeniem.

System adiabatyczny (izolowany termicznie). - układ posiada powłokę adiabatyczną, która wyklucza wymianę ciepła (wymianę ciepła) z otoczeniem.

układ jednorodny - system, który ma taki sam skład i właściwości fizyczne we wszystkich swoich częściach.

układ jednorodny - system jednorodny pod względem składu i struktury fizycznej, wewnątrz którego nie ma interfejsów (lód, woda, gazy).

układ heterogeniczny - układ składający się z kilku jednorodnych części (faz) o różnych właściwościach fizycznych, oddzielonych od siebie widocznymi granicami faz (lód i woda, woda i para).
W silnikach cieplnych (silnikach) prace mechaniczne wykonywane są za pomocą płynów roboczych - gazu, pary.

Właściwości każdego układu charakteryzują się szeregiem wielkości, które potocznie nazywane są parametrami termodynamicznymi. Rozważmy niektóre z nich, wykorzystując znane z toku fizyki koncepcje molekularno-kinetyczne dotyczące gazu doskonałego jako zbioru cząsteczek, które mają znikomo małe rozmiary, są w losowym ruchu termicznym i oddziałują ze sobą tylko podczas zderzeń.

Ciśnienie wynika z interakcji cząsteczek płynu roboczego z powierzchnią i jest liczbowo równe sile działającej na jednostkową powierzchnię ciała wzdłuż normalnej do tej ostatniej. Zgodnie z teorią kinetyki molekularnej ciśnienie gazu jest określone zależnością

Gdzie n to liczba cząsteczek na jednostkę objętości;

t jest masą cząsteczki; od 2 jest średnią kwadratową prędkości ruchu translacyjnego cząsteczek.

W Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI) ciśnienie wyraża się w paskalach (1 Pa = 1 N/m2). Ponieważ ta jednostka jest mała, wygodniej jest użyć 1 kPa = 1000 Pa i 1 MPa = 10 6 Pa.

Ciśnienie mierzy się za pomocą manometrów, barometrów i próżniomierzy.

Ciśnieniomierze cieczowe i sprężynowe mierzą ciśnienie manometryczne, które jest różnicą między ciśnieniem całkowitym a bezwzględnym. R mierzone medium i ciśnienie atmosferyczne

p bankomat, tj.

Urządzenia do pomiaru ciśnień poniżej atmosferycznego nazywane są próżniomierzami; ich odczyty podają wartość próżni (lub próżni):

tj. nadwyżka ciśnienia atmosferycznego nad ciśnieniem bezwzględnym.

Należy zauważyć, że parametrem stanu jest ciśnienie bezwzględne. To właśnie wchodzi w równania termodynamiczne.

temperaturanazywamy wielkością fizyczną charakteryzujący stopień nagrzania ciała. Pojęcie temperatury wynika z następującego stwierdzenia: jeśli dwa układy są w kontakcie termicznym, to jeśli ich temperatury nie są równe, będą wymieniać między sobą ciepło, ale jeśli ich temperatury są równe, to wymiany ciepła nie będzie.

Z punktu widzenia koncepcji kinetyki molekularnej temperatura jest miarą intensywności ruchu termicznego cząsteczek. Jego wartość liczbowa jest związana z wartością średniej energii kinetycznej cząsteczek substancji:

gdzie k czy stała Boltzmanna jest równa 1,380662,10? 23 J/K. Zdefiniowana w ten sposób temperatura T nazywana jest absolutną.

W układzie SI jednostką temperatury jest kelwin (K); w praktyce powszechnie stosuje się stopień Celsjusza (°C). Stosunek między absolutem T i stopni Celsjusza I temperatury ma postać

W warunkach przemysłowych i laboratoryjnych do pomiaru temperatury służą termometry cieczowe, pirometry, termopary i inne przyrządy.

Określona objętość w— to objętość na jednostkę masy substancji. Jeśli jednorodne ciało o masie M zajmuje objętość v, wtedy z definicji

w= V/M.

W układzie SI jednostką objętości właściwej jest 1 m 3 /kg. Istnieje oczywisty związek między objętością właściwą substancji a jej gęstością:

Aby porównać wielkości charakteryzujące układy w tych samych stanach, wprowadza się pojęcie „normalnych warunków fizycznych”:

p= 760 mmHg = 101,325 kPa; T= 273,15 k.

W odmiennych gałęziach techniki i różnych krajach wprowadzają oni swoje własne, nieco odmienne od powyższych "normalne warunki", przykładowo "techniczne" ( p= 735,6 mmHg = 98 kPa, t= 15°C) lub normalne warunki szacowania wydajności sprężarek ( p= 101,325 kPa, t\u003d 20? C) itp.

Jeśli wszystkie parametry termodynamiczne są stałe w czasie i takie same we wszystkich punktach układu, to ten stan układu nazywa się zrównoważona sprężyna.

Jeśli występują różnice w temperaturze, ciśnieniu i innych parametrach między różnymi punktami w systemie, to tak brak równowagi. W takim układzie pod wpływem gradientów parametrów powstają przepływy ciepła, substancji i innych, zmierzające do przywrócenia go do stanu równowagi. Pokazuje to doświadczenie izolowany system zawsze dochodzi w czasie do stanu równowagi i nigdy nie może się z niego spontanicznie wydostać. W klasycznej termodynamice rozważane są tylko układy równowagowe.

Równanie stanu. Dla równowagowego układu termodynamicznego istnieje funkcjonalna zależność między parametrami stanu, która jest nazywana równanie stanu. Doświadczenie pokazuje, że specyficzna objętość, temperatura i ciśnienie najprostszych układów, jakimi są gazy, pary lub ciecze, są ze sobą powiązane równanie termiczne stan widoku:

Równaniu stanu można nadać inną postać:

Z równań tych wynika, że ​​spośród trzech głównych parametrów określających stan układu dowolne dwa są niezależne.

Aby rozwiązywać problemy metodami termodynamicznymi, niezbędna jest znajomość równania stanu. Nie można go jednak uzyskać w ramach termodynamiki i należy go znaleźć eksperymentalnie lub metodami fizyki statystycznej. Konkretna postać równania stanu zależy od indywidualnych właściwości substancji.

Termodynamika to nauka, która bada ogólne wzorce przebiegu procesów, którym towarzyszy uwalnianie, pochłanianie i przekształcanie energii. Termodynamika chemiczna bada wzajemne przemiany energii chemicznej i innych jej form - cieplnej, świetlnej, elektrycznej itp., ustala ilościowe prawa tych przemian, a także umożliwia przewidywanie trwałości substancji w danych warunkach i ich zdolności do wchodzenia w pewne reakcje chemiczne. Przedmiot rozważań termodynamicznych nazywany jest układem termodynamicznym lub po prostu układem.

System- dowolny obiekt natury składający się z dużej liczby cząsteczek (jednostek strukturalnych) i oddzielony od innych obiektów przyrody rzeczywistą lub urojoną powierzchnią graniczną (interfejs).

Stan układu jest zbiorem właściwości układu, które pozwalają na zdefiniowanie układu z punktu widzenia termodynamiki.

Rodzaje układów termodynamicznych:

I. Z natury wymiany materii i energii z otoczeniem:

1. Układ izolowany - nie wymienia materii ani energii z otoczeniem (Δm = 0; ΔE = 0) - termos.

2. Układ zamknięty - nie wymienia materii z otoczeniem, ale może wymieniać energię (zamknięta kolba z odczynnikami).

3. Układ otwarty - może wymieniać z otoczeniem zarówno materię, jak i energię (organizm ludzki).

II. Według stanu zagregowanego:

1. Jednorodny - brak ostrych zmian właściwości fizycznych i chemicznych podczas przejścia z jednego obszaru systemu do drugiego (składają się z jednej fazy).

2. Heterogeniczny - dwa lub więcej jednorodnych systemów w jednym (składa się z dwóch lub więcej faz).

Faza- jest to część systemu, we wszystkich punktach jednorodna pod względem składu i właściwości, oddzielona od innych części systemu interfejsem. Przykładem układu jednorodnego jest roztwór wodny. Ale jeśli roztwór jest nasycony i na dnie naczynia znajdują się kryształki soli, to rozważany układ jest niejednorodny (istnieje granica faz). Zwykła woda jest kolejnym przykładem układu jednorodnego, ale woda z pływającym w niej lodem jest układem heterogenicznym.

przejście fazowe- przemiany fazowe (topienie lodu, gotowanie wody).

Proces termodynamiczny- przejście układu termodynamicznego z jednego stanu do drugiego, co zawsze wiąże się z naruszeniem równowagi układu.

Klasyfikacja procesów termodynamicznych:

7. Izotermiczny - stała temperatura - T = const

8. Izobaryczny - stałe ciśnienie - p = const

9. Izochoryczny - stała objętość - V = const

stan standardowy jest stanem systemu warunkowo wybranym jako standard do porównania.

Do faza gazowa- jest to stan chemicznie czystej substancji w fazie gazowej pod ciśnieniem normalnym 100 kPa (przed 1982 r. - 1 atmosfera normalna, 101 325 Pa, 760 mmHg), co sugeruje obecność właściwości gazu doskonałego.

Do czysta faza, mieszanina lub rozpuszczalnik w stanie skupienia ciekłym lub stałym – jest to stan skupienia substancji chemicznie czystej w fazie ciekłej lub stałej pod ciśnieniem normalnym.

Do rozwiązanie- to stan substancji rozpuszczonej o standardowej molarności 1 mol/kg, pod normalnym ciśnieniem lub w standardowym stężeniu, w oparciu o warunki, w których roztwór jest rozcieńczany bez ograniczeń.

Do chemicznie czysta substancja jest substancją w dobrze określonym stanie skupienia pod dobrze określonym, ale arbitralnym ciśnieniem standardowym.

W definicji stanu standardowego nie obejmuje temperatury standardowej, choć często mówi się o standardowej temperaturze, która wynosi 25°C (298,15 K).

2.2. Podstawowe pojęcia termodynamiki: energia wewnętrzna, praca, ciepło

Energia wewnętrzna U- całkowity zapas energii, w tym ruch cząsteczek, drgania wiązań, ruch elektronów, jąder itp., tj. wszystkie rodzaje energii oprócz energii kinetycznej i potencjalnej systemów jako całości.

Niemożliwe jest wyznaczenie wartości energii wewnętrznej dowolnego układu, ale możliwe jest wyznaczenie zmiany energii wewnętrznej ΔU zachodzącej w określonym procesie podczas przejścia układu z jednego stanu (o energii U 1) do drugiego (z energią U2):

ΔU zależy od rodzaju i ilości rozważanej substancji oraz warunków jej istnienia.

Całkowita energia wewnętrzna produktów reakcji różni się od całkowitej energii wewnętrznej materiałów wyjściowych, ponieważ podczas reakcji powłoki elektronowe atomów oddziałujących cząsteczek ulegają przegrupowaniu.