Základné parametre stavu termodynamických systémov

termodynamický systém nazývaný súbor rôznych telies schopných vzájomnej energetickej interakcie a interakcie s prostredím. V tomto prípade môže byť množstvo látky konštantné alebo premenlivé a telesá môžu byť v rôznych stavoch agregácie (plynné, kvapalné alebo pevné).

Prostredím sa rozumie súhrn všetkých ostatných telies, ktoré nie sú zahrnuté v termodynamickom systéme.

Termodynamický systém je tzv izolovaný ak neinteraguje s prostredím, ZATVORENÉ- ak k tejto interakcii dochádza len vo forme výmeny energie, a OTVORENÉ- ak si s okolím vymieňa energiu aj hmotu. Zmena stavu termodynamického systému v dôsledku výmeny energie s prostredím sa nazýva termodynamický proces.

Hlavnými parametrami, ktoré charakterizujú procesy vzájomnej premeny práce a tepla, sú teplota T, tlak R a objem V.

Teplota je miera intenzity pohybu molekúl látky. Čím väčšia je kinetická energia pohybu molekúl, tým vyššia je teplota. Teplota zodpovedajúca stavu úplného zvyšku molekúl plynu sa považuje za absolútnu nulu. Tento bod je začiatkom

meranie teploty na absolútnej Kelvinovej stupnici (označenie - T, TO). V strojárstve sa zvyčajne používa teplotná stupnica Celzia (označenie - t, ° С), v ktorom sa teplota topenia ľadu berie ako 0 ° С a konštantná teplota varu vody pri normálnom atmosférickom tlaku sa berie ako 100 stupňov.

Prepočet teploty z Celzia na absolútnu sa vykonáva podľa vzorca

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

pričom veľkosť stupňa Celzia sa rovná kelvinom: 1 ° C \u003d 1 K, t.j.

Teplota určuje smer prenosu tepla, pôsobí ako miera zahrievania telies. Dva systémy, ktoré sú navzájom v tepelnej rovnováhe, majú rovnakú teplotu.

Tlak plynu. Podľa kinetickej teórie plyn v uzavretej nádobe vyvíja tlak na jej steny, ktorý je výsledkom silového pôsobenia molekúl plynu pri náhodnom pohybe. Tlak je definovaný ako sila pôsobiaca na jednotkový povrch a meria sa v pascaloch (Pa = N/m2).

Súčet barometrického (atmosférického) a pretlaku, ktorým plyn pôsobí na steny nádoby, je absolútny tlak:

kde V- objem zaberaný plynom, m 3 ; M- hmotnosť plynu v objeme V, kg. Množstvo látky obsiahnuté v jednotke objemu sa nazýva

hustota plynu ρ , kg/m 3. Je to prevrátená hodnota špecifického objemu.

Stav termodynamickej sústavy, charakterizovaný konštantnou hodnotou parametrov v čase a v celej hmote sústavy, je tzv. rovnováha. V systéme, ktorý je v termodynamickej rovnováhe, nedochádza k toku tepla a hmoty ani v rámci systému, ani medzi systémom a prostredím. Rovnovážny stav plynu možno vyjadriť rovnicou f (R, V, T) = 0.

Ideálny plyn sa nazýva plyn pozostávajúci z molekúl, ktorých veľkosti možno zanedbať a ktoré navzájom neinteragujú (neexistuje potenciálna energia interakcie). Zavedenie pojmu ideálny plyn do termodynamiky umožňuje získať jednoduchšie analytické vzťahy medzi stavovými parametrami. Skúsenosti ukazujú, že pri známej aproximácii možno tieto závislosti použiť na štúdium vlastností reálnych plynov.

Termodynamický systém- súbor makroskopických telies, ktoré môžu interagovať medzi sebou a s inými telesami (vonkajším prostredím) - vymieňať si s nimi energiu a hmotu. Výmena energie a hmoty môže prebiehať tak v rámci samotného systému medzi jeho časťami, ako aj medzi systémom a vonkajším prostredím. V závislosti od možných spôsobov izolácie systému od vonkajšieho prostredia sa rozlišuje niekoľko typov termodynamických systémov.

otvorený systém nazývaný termodynamický systém, ktorý dokáže vymieňať hmotu a energiu s prostredím. Typickými príkladmi takýchto systémov sú všetky živé organizmy, ako aj kvapalina, ktorej hmotnosť neustále klesá v dôsledku vyparovania alebo varu.

Termodynamický systém volal ZATVORENÉ ak si nedokáže vymieňať energiu ani hmotu s okolím. ZATVORENÉ systém budeme nazývať termodynamický systém izolovaný mechanicky, t.j. neschopné vymieňať si energiu s okolím vykonávaním práce. Príkladom takéhoto systému je plyn uzavretý v nádobe s konštantným objemom. Termodynamický systém je tzv adiabatické ak si nemôže vymieňať energiu s inými systémami výmenou tepla.

Termodynamické parametre (stavové parametre) nazývané fyzikálne veličiny, ktoré slúžia na charakterizáciu stavu termodynamického systému.

Príkladmi termodynamických parametrov sú tlak, objem, teplota, koncentrácia. Existujú dva typy termodynamických parametrov: rozsiahle a intenzívne. Prvé sú úmerné množstvu hmoty v danom termodynamickom systéme, druhé nezávisia od množstva hmoty v systéme. Najjednoduchším rozsiahlym parametrom je objem V systémov. hodnota v, ktorý sa rovná pomeru objemu sústavy k jej hmotnosti, sa nazýva špecifický objem sústavy. Najjednoduchšie intenzívne parametre sú tlak R a teplotu T.

Tlak je fyzikálna veličina

kde dFn je modul normálovej sily pôsobiacej na malú oblasť povrchu tela
rezervný dS.

Ak tlak a špecifický objem majú jasný a jednoduchý fyzikálny význam, potom je pojem teploty oveľa zložitejší a menej zrejmý. Predovšetkým si všimneme, že pojem teploty, prísne vzaté, má zmysel iba pre rovnovážne stavy systému.

Rovnovážny stav termodynamického systému- stav systému, v ktorom všetky parametre majú určité hodnoty a v ktorom môže systém zostať tak dlho, ako si želáte. Teplota vo všetkých častiach termodynamického systému v rovnováhe je rovnaká.

Pri výmene tepla medzi dvoma telesami s rôznymi teplotami sa teplo prenáša z telesa s vyššou teplotou na teleso s nižšou teplotou. Tento proces sa zastaví, keď sa teploty oboch telies vyrovnajú.

Teplota systému v rovnováhe slúži ako miera intenzity tepelného pohybu atómov, molekúl a iných častíc, ktoré tvoria systém. V systéme častíc opísaných zákonmi klasickej štatistickej fyziky a v rovnováhe je priemerná kinetická energia tepelného pohybu častíc priamo úmerná termodynamickej teplote systému. Preto sa niekedy hovorí, že teplota charakterizuje stupeň zahriatia telesa.

Pri meraní teploty, ktoré je možné robiť len nepriamo, sa využíva závislosť od teploty množstva priamo alebo nepriamo merateľných fyzikálnych vlastností telesa. Napríklad pri zmene telesnej teploty sa mení jeho dĺžka a objem, hustota, elastické vlastnosti, elektrický odpor atď. Zmena ktorejkoľvek z týchto vlastností je základom pre meranie teploty. Na to je potrebné, aby pre jedno (vybrané) teleso, nazývané termometrické teleso, bola známa funkčná závislosť tejto vlastnosti od teploty. Na praktické merania teploty sa používajú teplotné stupnice, zostavené pomocou termometrických telies. V medzinárodnej stupnici Celzia teploty je teplota vyjadrená v stupňoch Celzia (°C) [A. Celsius (1701-1744) – švédsky vedec] a označuje sa t a predpokladá sa, že pri normálnom tlaku 1,01325 × 105 Pa sú teploty topenia ľadu 0 a teploty varu vody 100 °C. V termodynamickej teplotnej škále je teplota vyjadrená v Kelvinoch (K) [W. Thomson, Lord Kelvin (1821-1907) – anglický fyzik], zn. T a nazýva sa termodynamická teplota. Vzťah medzi termodynamickou teplotou T a teplota na stupnici Celzia má tvar T = t + 273,15.

Teplota T= 0 K (na stupnici Celzia t\u003d -273,15 ° С) sa nazýva absolútna nula teplota alebo nula na termodynamickej teplotnej stupnici.

Parametre stavu systému sú rozdelené na externé a interné. Externé parametre systémy sa nazývajú fyzikálne veličiny, ktoré závisia od polohy v priestore a rôznych vlastností (napríklad elektrických nábojov) telies, ktoré sú pre daný systém vonkajšie. Napríklad pre plyn je týmto parametrom objem V plavidlo,
v ktorej sa plyn nachádza, pretože objem závisí od umiestnenia vonkajších telies - stien nádoby. Atmosférický tlak je vonkajší parameter pre kvapalinu v otvorenej nádobe. Vnútorné parametre systémy sa nazývajú fyzikálne veličiny, ktoré závisia tak od polohy telies mimo systému, ako aj od súradníc a rýchlostí častíc, ktoré tvoria tento systém. Napríklad vnútorné parametre plynu sú jeho tlak a energia, ktoré závisia od súradníc a rýchlostí pohybujúcich sa molekúl a od hustoty plynu.

Pod termodynamický proces rozumieť každej zmene stavu uvažovaného termodynamického systému, charakterizovanej zmenou jeho termodynamických parametrov. Termodynamický proces je tzv rovnováha, ak pri tomto procese sústava prechádza súvislým radom nekonečne blízkych termodynamicky rovnovážnych stavov. Reálne procesy zmeny stavu systému prebiehajú vždy konečnou rýchlosťou, a preto nemôžu byť v rovnováhe. Je však zrejmé, že skutočný proces zmeny stavu systému bude tým bližšie k rovnováhe, čím pomalšie prebieha, preto sa takéto procesy nazývajú tzv. kvázistatické.

Nasledujúce procesy môžu slúžiť ako príklady najjednoduchších termodynamických procesov:

a) izotermický proces, pri ktorom sa teplota systému nemení ( T= konšt.);

b) izochorický proces prebiehajúci pri konštantnom objeme systému ( V= konšt.);

c) izobarický proces prebiehajúci pri konštantnom tlaku v systéme ( p= konšt.);

d) adiabatický proces, ktorý prebieha bez výmeny tepla medzi systémom a prostredím.

Termodynamický systém- je to časť hmotného sveta, oddelená od prostredia reálnymi alebo imaginárnymi hranicami a je predmetom štúdia termodynamiky. Prostredie je objemovo oveľa väčšie, a preto sú zmeny v ňom nepodstatné v porovnaní so zmenou stavu systému. Na rozdiel od mechanických systémov, ktoré pozostávajú z jedného alebo viacerých telies, termodynamický systém obsahuje veľmi veľké množstvo častíc, čo dáva vznik úplne novým vlastnostiam a vyžaduje si rôzne prístupy k popisu stavu a správania takýchto systémov. Termodynamický systém je makroskopický objekt.

Klasifikácia termodynamických systémov

1. Zloženie

Termodynamický systém pozostáva z komponentov. Komponent - ide o látku, ktorá môže byť izolovaná zo systému a existuje mimo neho, t.j. zložky sú nezávislé látky.

Jednozložkový.

Dvojzložkový alebo binárny.

Trojzložkový - trojitý.

Viaczložkový.

2. Podľa fázového zloženia- homogénny a heterogénny

homogénne systémy majú rovnaké makroskopické vlastnosti v ktoromkoľvek bode systému, predovšetkým teplota, tlak, koncentrácia a mnohé iné, ako index lomu, permitivita, kryštálová štruktúra atď. Homogénne systémy pozostávajú z jednej fázy.

Fáza- ide o homogénnu časť systému, oddelenú od ostatných fáz rozhraním a charakterizovanú vlastnou stavovou rovnicou. Fáza a stav agregácie sa prekrývajú, ale nie sú totožné. Existujú len 4 stavy agregácie, fáz môže byť oveľa viac.

Heterogénne systémy pozostávajú najmenej z dvoch fáz.

3. Podľa typov spojení s prostredím(podľa možností výmeny s okolím).

Izolovaný Systém si nevymieňa energiu ani hmotu s okolím. Ide o idealizovaný systém, ktorý v zásade nie je možné experimentálne študovať.

ZATVORENÉ systém si môže vymieňať energiu s okolím, ale nevymieňa hmotu.

OTVORENÉ systém vymieňa energiu aj hmotu

Stav TDS

Stav TDS je súhrn všetkých jeho merateľných makroskopických vlastností, ktoré majú teda kvantitatívne vyjadrenie. Makroskopický charakter vlastností znamená, že ich možno pripísať iba systému ako celku, a nie jednotlivým časticiam, ktoré tvoria TDS (T, p, V, c, U, n k). Kvantitatívne charakteristiky štátu sú vzájomne prepojené. Preto existuje minimálny súbor charakteristík systému, tzv parametre , ktorého nastavenie umožňuje úplne opísať vlastnosti systému. Počet týchto parametrov závisí od typu systému. V najjednoduchšom prípade pre uzavretý homogénny plynový systém v rovnováhe stačí zadať len 2 parametre. Pre otvorený systém je okrem týchto 2 charakteristík systému potrebné špecifikovať počet mólov každej zložky.

Termodynamické premenné sa delia na:

- externé, ktoré sú určené vlastnosťami a súradnicami systému v prostredí a závisia od kontaktov systému s okolím, napríklad hmotnosť a počet komponentov, sila elektrického poľa, počet takýchto premenných je obmedzený ;

- interný, ktoré charakterizujú vlastnosti systému, napríklad hustotu, vnútornú energiu, počet takýchto parametrov je neobmedzený;

- rozsiahly, ktoré sú priamo úmerné hmotnosti systému alebo počtu častíc, napríklad objem, energia, entropia, tepelná kapacita;

-intenzívny, ktoré nezávisia od hmotnosti systému, napríklad od teploty, tlaku.

Parametre TDS sú vzájomne prepojené vzťahom, ktorý je tzv stavová rovnica systémov. Celkový pohľad na to f(p,V , T)= 0. Jednou z najdôležitejších úloh FH je nájsť stavovú rovnicu pre ľubovoľný systém. Zatiaľ je presná stavová rovnica známa len pre ideálne plyny (Clapeyron-Mendelejevova rovnica).

pV = nRT, ( 1.1)

kde R– univerzálna plynová konštanta = 8,314 J/(mol.K) .

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

[V] \u003d m3, [T] \u003d K, [n] \u003d mol, N \u003d 6,02 * 1023 mol-1. Reálne plyny sú touto rovnicou opísané len približne a čím vyšší je tlak a nižšia teplota, tým väčšia je odchýlka od tejto stavovej rovnice.

Rozlišovať rovnováha a nerovnovážne stavu TDS.

Klasická termodynamika sa zvyčajne obmedzuje na uvažovanie o rovnovážnych stavoch blízkych binárnych systémov. Rovnováha - to je stav, do ktorého TDS spontánne prichádza, a v ktorom môže existovať neobmedzene dlho bez vonkajších vplyvov. Na určenie rovnovážneho stavu je vždy potrebný menší počet parametrov ako pre nerovnovážne systémy.

Rovnovážny stav sa delí na:

- udržateľný(stabilný) stav, v ktorom každá nekonečne malá akcia spôsobí len nekonečne malú zmenu stavu a keď sa tento efekt odstráni, systém sa vráti do pôvodného stavu;

- metastabilný stav, v ktorom niektoré konečné vplyvy spôsobujú konečné zmeny stavu, ktoré po odstránení týchto vplyvov nezmiznú.

Zmena stavu TDS spojená so zmenou aspoň jednej z jeho termodynamických premenných sa nazýva termodynamický proces. Charakteristickým znakom opisu termodynamických procesov je, že nie sú charakterizované rýchlosťou zmeny vlastností, ale veľkosťou zmien. Proces v termodynamike je postupnosť stavov systému, ktorá vedie od počiatočného súboru termodynamických parametrov ku konečnému. Existujú nasledujúce termodynamické procesy:

- spontánny, na realizáciu ktorých nie je potrebné vynakladať energiu;

- nespontánne, vyskytujúce sa len pri výdaji energie;

- nezvratný(alebo nerovnovážne) - keď v dôsledku procesu nie je možné vrátiť systém do pôvodného stavu.

-reverzibilné sú idealizované procesy, ktoré idú tam a späť cez rovnaké medzistavy a po dokončení cyklu sa nezmení ani systém, ani prostredie.

Štátne funkcie sú charakteristiky systému, ktoré závisia len od parametrov stavu, ale nezávisia od spôsobu jeho dosiahnutia.

Stavové funkcie sa vyznačujú nasledujúcimi vlastnosťami:

Nekonečne malá zmena funkcie f je totálny diferenciál df;

Zmena funkcie pri prechode zo stavu 1 do stavu 2 je určená len týmito stavmi ∫ df \u003d f 2 - f 1

V dôsledku akéhokoľvek cyklického procesu sa funkcia stavu nemení, t.j. rovná sa nule.

Teplo a práca– spôsoby výmeny energie medzi CDS a životným prostredím. Teplo a práca sú charakteristiky procesu, nie sú to stavové funkcie.

Práca- forma výmeny energie na makroskopickej úrovni, kedy dochádza k usmernenému pohybu predmetu. Práca sa považuje za pozitívnu, ak ju systém vykonáva proti vonkajším silám.

Teplo- forma výmeny energie na mikroskopickej úrovni, t.j. v podobe zmeny chaotického pohybu molekúl. Je zvykom považovať teplo prijaté systémom a prácu na ňom vykonanú za pozitívne, t.j. funguje „egoistický princíp“. .

Najbežnejšie používané jednotky energie a práce, najmä v termodynamike, sú joule SI (J) a mimosystémová jednotka, kalória (1 kal = 4,18 J).

V závislosti od povahy objektu existujú rôzne typy práce:

1. Mechanický - pohyb tela

dA mech = - F ex dl.(2.1)

Práca je skalárny súčin 2 vektorov sily a posunutia, t.j.

|dА kožušina | = F dl cosα. Ak je smer vonkajšej sily opačný k posunu vnútorných síl, potom cosα < 0.

2. Rozširujúce práce (najbežnejšie považovaná expanzia plynu)

dА = - р dV (1.7)

Treba však mať na pamäti, že tento výraz platí len pre reverzibilný proces.

3. Elektrické – pohyb elektrických nábojov

dА el = -jdq,(2.2)

kde j- elektrický potenciál.

4. povrchný - zmena povrchu,

dA povrch = -sdS,(2.3)

kde s- povrchové napätie.

5. Všeobecný výraz pre prácu

dА = - Ydx,(2.4)

Y- všeobecná sila, dx- zovšeobecnenú súradnicu, takže prácu možno považovať za produkt intenzívneho faktora a zmeny v extenzívnom.

6. Všetky druhy prác okrem expanzných prác sú tzv užitočné práca (dA'). dА = рdV + dА’ (2,5)

7. Analogicky môžeme zaviesť pojem chemický pracovať, keď sa pohybuje smerovo k chemická látka, nk je extenzívna vlastnosť, pričom intenzívny parameter m k nazývaný chemický potenciál k látka

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

Úvod. Predmet tepelná technika. Základné pojmy a definície. Termodynamický systém. Možnosti stavu. Teplota. Tlak. Špecifický objem. Stavová rovnica. Van der Waalsova rovnica .

Pomer medzi jednotkami:

1 bar = 10 5 Pa

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

1 mmHg st (milimeter ortuti) = 133 Pa

1 mm w.c. čl. (milimeter vodného stĺpca) = 9,8067 Pa

Hustota - pomer hmotnosti látky k objemu, ktorý zaberá.

Špecifický objem - prevrátená hodnota hustoty, t.j. pomer objemu, ktorý zaberá látka, k jej hmotnosti.

Definícia: Ak sa v termodynamickom systéme zmení aspoň jeden z parametrov akéhokoľvek telesa vstupujúceho do systému, potom termodynamický proces .

Základné termodynamické parametre stavu P, V, T homogénne teleso na sebe závisí a sú vzájomne prepojené stavovou rovnicou:

F(P, V, T)

Pre ideálny plyn je stavová rovnica napísaná takto:

P- tlak

v- špecifický objem

T- teplota

R- plynová konštanta (každý plyn má svoju vlastnú hodnotu)

Ak je známa stavová rovnica, potom na určenie stavu najjednoduchších systémov stačí poznať dve nezávislé premenné z 3

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

Termodynamické procesy sú často znázornené na stavových grafoch, kde sú stavové parametre vynesené pozdĺž osí. Body na rovine takéhoto grafu zodpovedajú určitému stavu systému, čiary na grafe zodpovedajú termodynamickým procesom, ktoré prenášajú systém z jedného stavu do druhého.

Uvažujme termodynamický systém pozostávajúci z jedného telesa nejakého plynu v nádobe s piestom a nádoba a piest sú v tomto prípade vonkajším prostredím.

Nech sa napríklad ohrieva plyn v nádobe, sú možné dva prípady:

1) Ak je piest pevný a objem sa nemení, potom dôjde k zvýšeniu tlaku v nádobe. Takýto proces sa nazýva izochorický(v = const) pri konštantnom objeme;

Ryža. 1.1. Izochorické procesy v P-T súradnice: v1 >v2 >v3

2) Ak je piest voľný, potom sa zahriaty plyn roztiahne, pri konštantnom tlaku sa tento proces nazýva izobarický (P= const), prebiehajúci pri konštantnom tlaku.

Ryža. 1.2 Izobarické procesy v v - T súradnice: P1>P2>P3

Ak pohybom piestu zmeníte objem plynu v nádobe, zmení sa aj teplota plynu, avšak ochladzovaním nádoby pri stláčaní plynu a zahrievaním pri expanzii dosiahnete, že sa teplota byť konštantný so zmenami objemu a tlaku, takýto proces sa nazýva izotermický (T= konštanta).

Ryža. 1.3 Izotermické procesy v P-v súradnice: Ti >T2 >T3

Proces, pri ktorom nedochádza k výmene tepla medzi systémom a prostredím, sa nazýva adiabatické pričom množstvo tepla v systéme zostáva konštantné ( Q= konštanta). V reálnom živote adiabatické procesy neexistujú, pretože nie je možné úplne izolovať systém od prostredia. Často sa však vyskytujú procesy, pri ktorých je výmena tepla s okolím veľmi malá, napríklad rýchle stlačenie plynu v nádobe piestom, kedy sa teplo nestihne odobrať v dôsledku zahrievania piesta a nádoby.

Ryža. 1.4 Približný graf adiabatického procesu v P-v súradnice.

Definícia: Kruhový proces (cyklus) - je súbor procesov, ktoré vracajú systém do pôvodného stavu. Počet samostatných procesov môže byť ľubovoľný počet v cykle.

Pojem kruhový proces je pre nás v termodynamike kľúčový, keďže prevádzka jadrovej elektrárne je založená na parovodnom cykle, inými slovami, môžeme uvažovať o vyparovaní vody v jadre, rotácii turbíny rotora parou, kondenzácia pary a prúdenie vody do aktívnej zóny ako druh uzavretého termodynamického procesu alebo cyklu.

Definícia: Pracovný orgán - určité množstvo látky, ktorá sa zúčastňuje termodynamického cyklu a vykonáva užitočnú prácu. Pracovnou tekutinou v reaktore RBMK je voda, ktorá po odparení v aktívnej zóne vo forme pary vykonáva prácu v turbíne, ktorá otáča rotor.

Definícia: Prenos energie v termodynamickom procese z jedného telesa na druhé, spojený so zmenou objemu pracovnej tekutiny, s jej pohybom vo vonkajšom priestore alebo so zmenou jej polohy, sa nazýva procesná práca .

Termodynamický systém

Technická termodynamika (t/d) uvažuje o zákonoch vzájomnej premeny tepla na prácu. Stanovuje vzťah medzi tepelnými, mechanickými a chemickými procesmi, ktoré prebiehajú v tepelných a chladiacich strojoch, študuje procesy prebiehajúce v plynoch a parách, ako aj vlastnosti týchto telies za rôznych fyzikálnych podmienok.

Termodynamika je založená na dvoch základných zákonoch (začiatkoch) termodynamiky:

I zákon termodynamiky- zákon premeny a zachovania energie;

II termodynamický zákon- stanovuje podmienky pre prúdenie a smerovanie makroskopických procesov v systémoch pozostávajúcich z veľkého počtu častíc.

Technické t / d, uplatňujúce základné zákony na procesy premeny tepla na mechanickú prácu a naopak, umožňuje rozvíjať teórie tepelných motorov, študovať procesy, ktoré sa v nich vyskytujú atď.

Predmetom štúdie je termodynamický systém, ktorým môže byť skupina telies, teleso alebo časť telesa. To, čo je mimo systému, sa nazýva životné prostredie. T/D systém je súbor makroskopických telies, ktoré si vymieňajú energiu medzi sebou a s okolím. Napríklad: systém t / d - plyn umiestnený vo valci s piestom a prostredie - valec, piest, vzduch, steny miestnosti.

izolovaný systém - t / d systém, ktorý neinteraguje s prostredím.

Adiabatický (tepelne izolovaný) systém - systém má adiabatický plášť, ktorý vylučuje výmenu tepla (výmena tepla) s okolím.

homogénny systém - systém, ktorý má vo všetkých svojich častiach rovnaké zloženie a fyzikálne vlastnosti.

homogénny systém - zložením a fyzikálnou štruktúrou homogénny systém, vo vnútri ktorého nie sú žiadne rozhrania (ľad, voda, plyny).

heterogénny systém - systém pozostávajúci z niekoľkých homogénnych častí (fáz) s rôznymi fyzikálnymi vlastnosťami, ktoré sú od seba oddelené viditeľnými rozhraniami (ľad a voda, voda a para).
V tepelných motoroch (motoroch) sa mechanická práca vykonáva pomocou pracovných kvapalín - plynu, pary.

Vlastnosti každého systému sú charakterizované množstvom veličín, ktoré sa bežne nazývajú termodynamické parametre. Uvažujme o niektorých z nich pomocou molekulárno-kinetických konceptov známych z priebehu fyziky o ideálnom plyne ako o súbore molekúl, ktoré majú miznúce malé veľkosti, sú v náhodnom tepelnom pohybe a interagujú medzi sebou iba počas zrážok.

Tlak je spôsobený interakciou molekúl pracovnej tekutiny s povrchom a je číselne rovný sile pôsobiacej na jednotkovú povrchovú plochu tela pozdĺž normály k nej. V súlade s molekulárnou kinetickou teóriou je tlak plynu určený vzťahom

Kde n je počet molekúl na jednotku objemu;

t je hmotnosť molekuly; od 2 je stredná kvadratická rýchlosť translačného pohybu molekúl.

V Medzinárodnej sústave jednotiek (SI) je tlak vyjadrený v pascaloch (1 Pa = 1 N/m2). Keďže táto jednotka je malá, je vhodnejšie použiť 1 kPa = 1000 Pa a 1 MPa = 10 6 Pa.

Tlak sa meria pomocou tlakomerov, barometrov a vákuomerov.

Kvapalinové a pružinové tlakomery merajú pretlak, čo je rozdiel medzi celkovým alebo absolútnym tlakom. R meraný stredný a atmosférický tlak

p atm, t.j.

Zariadenia na meranie tlaku pod atmosférickým tlakom sa nazývajú vákuomery; ich hodnoty udávajú hodnotu vákua (alebo vákua):

t.j. prebytok atmosférického tlaku nad absolútnym tlakom.

Všimnite si, že stavovým parametrom je absolútny tlak. Toto vstupuje do termodynamických rovníc.

teplotanazývaná fyzikálna veličina charakterizujúce stupeň zahrievania tela. Pojem teploty vyplýva z nasledujúceho tvrdenia: ak sú dva systémy v tepelnom kontakte, potom ak ich teploty nie sú rovnaké, budú si navzájom vymieňať teplo, ale ak sú ich teploty rovnaké, potom k výmene tepla nedôjde.

Z hľadiska molekulárnych kinetických konceptov je teplota mierou intenzity tepelného pohybu molekúl. Jeho číselná hodnota súvisí s hodnotou priemernej kinetickej energie molekúl látky:

kde k rovná sa Boltzmannova konštanta 1,380662,10? 23 J/K. Takto definovaná teplota T sa nazýva absolútna.

V sústave SI je jednotkou teploty kelvin (K); v praxi sa široko používa stupeň Celzia (°C). Pomer medzi absolút T a Celzia ja teploty má tvar

V priemyselných a laboratórnych podmienkach sa teplota meria pomocou kvapalinových teplomerov, pyrometrov, termočlánkov a iných prístrojov.

Špecifický objem v— je objem na jednotku hmotnosti látky. Ak ide o homogénne teleso hmoty M zaberá objem v, potom podľa definície

v= V/M.

V sústave SI je jednotkou špecifického objemu 1 m 3 /kg. Existuje zrejmý vzťah medzi špecifickým objemom látky a jej hustotou:

Na porovnanie veličín charakterizujúcich systémy v rovnakých stavoch sa zavádza pojem „normálne fyzikálne podmienky“:

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

V rôznych odvetviach techniky a rôznych krajinách zavádzajú svoje vlastné, trochu odlišné od vyššie uvedených „normálnych podmienok“, napríklad „technické“ ( p= 735,6 mmHg = 98 kPa, t= 15 °C) alebo normálne podmienky pre odhad výkonu kompresorov ( p= 101,325 kPa, t\u003d 20? C) atď.

Ak sú všetky termodynamické parametre konštantné v čase a rovnaké vo všetkých bodoch systému, potom sa tento stav systému nazýva vyvážená pružina.

Ak existujú rozdiely v teplote, tlaku a iných parametroch medzi rôznymi bodmi v systéme, potom je to tak nevyrovnanosť. V takomto systéme pod vplyvom gradientov parametrov vznikajú toky tepla, látok a iných, ktoré majú tendenciu vracať ho do rovnovážneho stavu. Skúsenosti to ukazujú izolovaný systém sa vždy časom dostane do rovnovážneho stavu a nikdy sa z neho nemôže samovoľne dostať. V klasickej termodynamike sa berú do úvahy iba rovnovážne systémy.

Stavová rovnica. Pre rovnovážny termodynamický systém existuje medzi stavovými parametrami funkčný vzťah, ktorý je tzv stavová rovnica. Skúsenosti ukazujú, že špecifický objem, teplota a tlak najjednoduchších systémov, ktorými sú plyny, pary alebo kvapaliny, sú spojené tepelná rovnica zobraziť stav:

Stavová rovnica môže mať inú formu:

Tieto rovnice ukazujú, že z troch hlavných parametrov, ktoré určujú stav systému, sú ľubovoľné dva nezávislé.

Na riešenie úloh termodynamickými metódami je absolútne nevyhnutné poznať stavovú rovnicu. Nedá sa však získať v rámci termodynamiky a treba ho zistiť buď experimentálne, alebo metódami štatistickej fyziky. Konkrétny tvar stavovej rovnice závisí od jednotlivých vlastností látky.

Termodynamika je veda, ktorá študuje všeobecné vzorce toku procesov sprevádzaných uvoľňovaním, absorpciou a transformáciou energie. Chemická termodynamika študuje vzájomné premeny chemickej energie a jej iných foriem – tepelnej, svetelnej, elektrickej a pod., stanovuje kvantitatívne zákonitosti týchto prechodov a zároveň umožňuje predpovedať stabilitu látok za daných podmienok a ich schopnosť vstúpiť do určitých chemických reakcií. Predmet termodynamickej úvahy sa nazýva termodynamický systém alebo jednoducho systém.

Systém- akýkoľvek objekt prírody, pozostávajúci z veľkého počtu molekúl (štrukturálnych jednotiek) a oddelený od ostatných objektov prírody reálnou alebo imaginárnou hraničnou plochou (rozhraním).

Stav systému je súbor vlastností systému, ktoré umožňujú definovať systém z hľadiska termodynamiky.

Typy termodynamických systémov:

ja Podľa povahy výmeny hmoty a energie s prostredím:

1. Izolovaný systém - nevymieňa si s okolím hmotu ani energiu (Δm = 0; ΔE = 0) - termos.

2. Uzavretý systém – nevymieňa látky s okolím, ale môže si vymieňať energiu (uzavretá banka s činidlami).

3. Otvorený systém – dokáže si vymieňať s okolím hmotu aj energiu (ľudské telo).

II. Podľa súhrnného stavu:

1. Homogénne - absencia prudkých zmien fyzikálnych a chemických vlastností počas prechodu z jednej oblasti systému do druhej (pozostávajú z jednej fázy).

2. Heterogénne - dva alebo viac homogénnych systémov v jednom (pozostáva z dvoch alebo viacerých fáz).

Fáza- je to časť systému, homogénna vo všetkých bodoch zloženia a vlastností a oddelená od ostatných častí systému rozhraním. Príkladom homogénneho systému je vodný roztok. Ak je však roztok nasýtený a na dne nádoby sú kryštály soli, potom je uvažovaný systém heterogénny (existuje fázové rozhranie). Obyčajná voda je ďalším príkladom homogénneho systému, ale voda s ľadom plávajúcim v nej je heterogénny systém.

fázový prechod- fázové premeny (topenie ľadu, varenie vody).

Termodynamický proces- prechod termodynamickej sústavy z jedného stavu do druhého, ktorý je vždy spojený s porušením rovnováhy sústavy.

Klasifikácia termodynamických procesov:

7. Izotermická - konštantná teplota - T = konšt

8. Izobarický - konštantný tlak - p = konšt

9. Izochorický - konštantný objem - V = konšt

štandardný stav je stav systému podmienečne zvolený ako štandard na porovnanie.

Pre plynná fáza- je to stav chemicky čistej látky v plynnej fáze pri štandardnom tlaku 100 kPa (pred rokom 1982 - 1 štandardná atmosféra, 101 325 Pa, 760 mmHg), z čoho vyplýva prítomnosť vlastností ideálneho plynu.

Pre čistá fáza, zmes alebo rozpúšťadlo v kvapalnom alebo tuhom stave agregácie - ide o stav chemicky čistej látky v kvapalnej alebo pevnej fáze za štandardného tlaku.

Pre Riešenie- je stav rozpustenej látky so štandardnou molalitou 1 mol/kg, pri štandardnom tlaku alebo štandardnej koncentrácii, za podmienok, že roztok je neobmedzene riedený.

Pre chemicky čistá látka je látka v presne definovanom stave agregácie pod presne definovaným, ale svojvoľným štandardným tlakom.

V definícii štandardného stavu bez štandardnej teploty, aj keď často hovoria o štandardnej teplote, ktorá je 25 ° C (298,15 K).

2.2. Základné pojmy termodynamiky: vnútorná energia, práca, teplo

Vnútorná energia U- celková zásoba energie vrátane pohybu molekúl, vibrácií väzieb, pohybu elektrónov, jadier a pod., t.j. všetky druhy energie okrem kinetickej a potenciálnej energie systémov ako celku.

Nie je možné určiť hodnotu vnútornej energie akéhokoľvek systému, ale je možné určiť zmenu vnútornej energie ΔU, ktorá nastáva v konkrétnom procese počas prechodu systému z jedného stavu (s energiou U 1) do druhého. (s energiou U 2):

ΔU závisí od druhu a množstva uvažovanej látky a podmienok jej existencie.

Celková vnútorná energia produktov reakcie sa líši od celkovej vnútornej energie východiskových látok, pretože pri reakcii sa preskupujú elektrónové obaly atómov interagujúcich molekúl.