Термодинамічна система– це частина матеріального світу, відокремлена від довкілля реальними чи уявними кордонами і є об'єктом дослідження термодинаміки. Навколишнє середовище значно більше за обсягом, і тому зміни у ньому незначні порівняно зі зміною стану системи. На відміну від механічних систем, які складаються з одного або кількох тіл, термодинамічна система містить дуже велику кількість частинок, що породжує абсолютно нові властивості та потребує інших підходів до опису стану та поведінки таких систем. Термодинамічна система є макроскопічний об'єкт.

Класифікація термодинамічних систем

1. За складом

Термодинамічна система складається із компонентів. Компонент - це речовина, яка може бути виділена із системи та існувати поза нею, тобто. компоненти – це незалежні речовини.

Однокомпонентні.

Двокомпонентні, або бінарні.

Трикомпонентні – потрійні.

Багатокомпонентні.

2. За фазовим складом– гомогенні та гетерогенні

Гомогенні системи мають однакові макроскопічні властивості у будь-якій точці системи, насамперед температуру, тиск, концентрацію, а також багато інших, наприклад, показник заломлення, діелектричну проникність, кристалічну структуру та ін. Гомогенні системи складаються з однієї фази.

Фаза– це однорідна частина системи, відокремлена з інших фаз поверхнею розділу і що характеризується своїм рівнянням стану. Фаза і агрегатний стан - поняття, що перекриваються, але не ідентичні. Агрегатних станів тільки 4 фаз може бути набагато більше.

ГетерогенніСистеми складаються мінімум з двох фаз.

3. За типами зв'язків із навколишнім середовищем(за можливостями обміну із довкіллям).

Ізольованасистема не обмінюється з оточуючої ні енергією, ні речовиною. Це ідеалізована система, яку, в принципі, не можна експериментально вивчати.

Закритасистема може обмінюватися з довкіллям енергією, але з обмінюється речовиною.

Відкритасистема обмінюється і енергією, і речовиною

Стан ТДС

Стан ТДС- Це сукупність всіх її вимірних макроскопічних властивостей, що мають, отже, кількісне вираз. Макроскопічний характер властивостей означає, що їх можна приписати тільки до системи загалом, а не окремих частинок, які становлять ТДС (Т, р, V, c, U, n k). Кількісні характеристики стану пов'язані між собою. Тому існує мінімальний набір характеристик системи, які називаються параметрами , Завдання яких дозволяє повністю описати властивості системи. Кількість цих параметрів залежить від типу системи. У найпростішому випадку для закритої гомогенної газової системи в стані рівноваги достатньо встановити лише 2 параметри. Для відкритої системи крім цих 2 параметрів системи потрібно задати число молей кожного компонента.

Термодинамічні змінні поділяються:

- зовнішні, які визначаються властивостями та координатами системи у навколишньому середовищі та залежать від контактів системи з оточенням, наприклад, маса та кількість компонентів, напруженість електричного поля, кількість таких змінних обмежена;

- внутрішні, які характеризують властивості системи, наприклад, густина, внутрішня енергія, число таких параметрів необмежено;

- екстенсивні,які прямо пропорційні масі системи або кількості частинок, наприклад, обсяг, енергія, ентропія, теплоємність;

-інтенсивні, які залежать від маси системи, наприклад, температура, тиск.

Параметри ТДС пов'язані між собою співвідношенням, яке зветься рівняння стансистеми. Загальний вигляд його f(p,V , T)= 0. Одне з найважливіших завдань ФГ – визначити рівняння стану будь-якої системи. Поки що точне рівняння стану відомо лише ідеальних газів (рівняння Клапейрона - Менделєєва).

pV = nRT, ( 1.1)

де R- Універсальна газова постійна = 8.314 Дж / (моль.К) .

[p] = Па, 1атм = 1,013 * 105 Па = 760 мм рт.ст.,

[V] = м 3 , [T] = До, [n] = моль, N = 6.02 * 1023 моль-1. Реальні гази лише наближено описуються даним рівнянням, і що вище тиск і нижче температура, то більше вписувалося відхилення від цього рівняння стану.

Розрізняють рівноважнеі нерівноважнестани ТДС.

Класична термодинаміка, зазвичай, обмежується розглядом рівноважних станів ТДС. Рівновага - це такий стан, до якого мимоволі приходить ТДС, і в якому вона може існувати нескінченно довго без зовнішніх впливів. Для визначення рівноважного стану завжди потрібно менше параметрів, ніж для нерівноважних систем.

Рівноважний стан поділяють на:

- стійке(стабільний) стан, при якому будь-яка нескінченно мала вплив викликає тільки нескінченно мала зміна стану, а при усуненні цього впливу система повертається у вихідний стан;

- метастабільнестан, у якому деякі кінцеві впливу викликають кінцеві зміни стану, які зникають при усунення цих впливів.

Зміна стану ТДС пов'язана зі зміною хоча б однієї з її термодинамічних змінних термодинамічний процес. Особливістю опису термодинамічних процесів і те, що вони характеризуються не швидкостями зміни властивостей, а величинами змін. Процес у термодинаміці – це послідовність станів системи, яка веде від початкового набору термодинамічних параметрів до кінцевого. Розрізняють такі термодинамічні процеси:

- мимовільні, для здійснення яких не потрібно витрачати енергію;

- мимовільні, що відбуваються лише за витрати енергії;

- Необоротні(або нерівноважні) – коли внаслідок процесу неможливо повернути систему до початкового стану.

-оборотні – це ідеалізовані процеси, які відбуваються у прямому та зворотному напрямку через одні й ті самі проміжні стани, і після завершення циклу ні в системі, ні в навколишньому середовищі не спостерігається жодних змін.

Функції стану- Це характеристики системи, які залежать тільки від параметрів стану, але не залежать від способу досягнення.

Функції стану характеризуються такими властивостями:

Нескінченна мала зміна функції fє повним диференціалом df;

Зміна функції при переході зі стану 1 до стану 2 визначається лише цими станами ∫ df = f 2 – f 1

Через війну будь-якого циклічного процесу функція стану змінюється, тобто. дорівнює нулю.

Теплота та робота– способи обміну енергією між ТДС та довкіллям. Теплота та робота характеристики процесу, вони не є функціями стану.

Робота- Форма обміну енергією на макроскопічному рівні, коли відбуваються спрямоване переміщення об'єкта. Робота вважається позитивною, якщо її робить система проти зовнішніх сил.

Теплота– форма обміну енергією мікроскопічному рівні, тобто. у формі зміни хаотичного руху молекул. Прийнято вважати позитивною теплоту, отриману системою, і роботу, виконану з неї, тобто. діє "егоїстичний принцип" .

Найбільш часто використовуваними одиницями виміру енергії та роботи, зокрема, у термодинаміці є джоуль (Дж) у системі СІ та позасистемна одиниця – калорія (1 кал = 4,18 Дж).

Залежно від характеру об'єкта розрізняють різні види роботи:

1. Механічна - переміщення тіла

dА хутро = - F ех dl.(2.1)

Робота – скалярне твір 2-х векторів сили та переміщення, тобто.

|dА хутро | = F dl cosα. Якщо напрям зовнішньої сили протилежний переміщенню, що здійснюється внутрішніми силами, то cosα < 0.

2. Робота розширення (найчастіше розглядається розширення газу)

dА = - р dV (1.7)

Проте треба пам'ятати, що це вираз справедливо лише з оборотного протікання процесу.

3. Електрична - Переміщення електричних зарядів

dА ел = -jdq,(2.2)

де j -Електричний потенціал.

4. Поверхнева - Зміна площі поверхні,

dА поверхн. = -sdS,(2.3)

де s -поверхневий натяг.

5. Загальний вираз для роботи

dА = - Ydx,(2.4)

Y- Узагальнена сила, dx -узагальнена координата, таким чином робота може розглядатися як твір інтенсивного чинника зміну екстенсивного.

6. Усі види роботи, крім роботи розширення, називаються корисний роботою (dА'). dА = рdV + dА' (2.5)

7. За аналогією можна запровадити поняття хімічної роботи, коли спрямовано переміщається k-а хімічна речовина, n k– екстенсивна властивість, при цьому інтенсивний параметр m kназивається хімічним потенціалом k-ої речовини

dА хім = -Sm k dn k. (2.6)

ТЕРМОДИНАМІЧНА СИСТЕМА

ТЕРМОДИНАМІЧНА СИСТЕМА

Сукупність макроскопіч. тіл, які можуть взаємодіяти між собою і з ін. тілами (зовніш. середовищем) - обмінюватися з ними енергією і в-вом. Т. с. складається з настільки великої кількості структурних ч-ц (атомів, молекул), що її стан можна характеризувати макроскопіч. параметрами: щільністю, тиском, концентрацією в-в, що утворюють Т. с., і т.д.

РІВНОВАГА ТЕРМОДИНАМІЧНА), якщо параметри системи з часом не змінюються і в системі немає к.-л. стаціонарних потоків (теплоти, в-ва та ін). Для рівноважних Т. с. вводиться поняття температури як параметра, що має однакове значення для всіх макроскопіч. частин системи. Число незалежних параметрів стану дорівнює числу ступенів свободи Т. с., Інші параметри можуть бути виражені через незалежні за допомогою рівняння стану. Св-ва рівноважних Т. с. вивчає рівноважні процеси (термостатика); св-ва нерівноважних систем - .

У термодинаміці розглядають: закриті Т. с., які не обмінюються в-вом з ін. системами, що обмінюються в-вом і енергією з ін. системами; адіабатні Т. с., в яких брало відсутня з ін. системами; ізольовані Т. с., які не обмінюються з ін. системами ні енергією, ні в-вом. Якщо система не ізольована, її стан може змінюватися; зміна стану Т. с. зв. термодинамічний процес. Т. с. може бути фізично однорідною (гомогенной системою) і неоднорідною (гетерогенною системою), що складається з дек. однорідних елементів із різними фіз. св-вами. В результаті фазових та хім. перетворень гомогенна Т. с. може стати гетерогенною та навпаки.

Фізичний енциклопедичний словник. - М: Радянська енциклопедія. . 1983 .

ТЕРМОДИНАМІЧНА СИСТЕМА

Сукупність макроскопіч. тіл, які можуть взаємодіяти між собою і з ін. тілами (зовніш. середовищем) - обмінюватися з ними енергією і речовиною. Т. с. складається з настільки великої кількості структурних частинок (атомів, молекул), що її со-сто можна характеризувати макроскопич. параметрами: щільністю, тиском, концентрацією речовин, що утворюють Т. с., і т.д.

Т. с. перебуває у рівновазі (див. рівновага термодинамічна),якщо параметри системи з часом не змінюються і в системі немає к.-л. стаціонарних потоків (теплоти, речовини та ін). Для рівноважних Т. с. вводиться поняття температурияк параметра стану,має однакове значення всім макроскопич. частин системи. Число незалежних параметрів стану дорівнює числу ступенів свободиТ. с., інші параметри можуть бути виражені через незалежні за допомогою рівняння стану.Властивості рівноважних Т. с. вивчає термодинамікарівноважних процесів (термостатика), властивості нерівноважних систем - термодинаміка нерівноважних процесів

У термодинаміці розглядають: закриті Т. с., не обмінюються речовиною з ін. системами; відкриті системи,які обмінюються речовиною та енергією з ін. системами; а д і а б а т н е Т. с., в яких брало відсутній теплообмін з ін. системами; і з о л і р о в а н і ні Т. гомогенною системою)і неоднорідною ( гетерогенною системою),що складається з кількох однорідних частин із різними фіз. властивостями. В результаті фазових та хім. перетворень (див. Фазовий перехід) гомогенна Т. с. може стати гетерогенною та навпаки.

Літ.:Епштейн П. С., Курс термодинаміки, пров. з англ., М-Л., 1948; Леонтович М. А., Введення в термодинаміку, 2 видавництва, М.-Л., 1951; Самойлович А, Р., Термодинаміка та , 2 видавництва, М., 1955.

Фізична енциклопедія. У 5-ти томах. - М: Радянська енциклопедія. Головний редактор А. М. Прохоров. 1988 .

Дивитись що таке "ТЕРМОДИНАМІЧНА СИСТЕМА" в інших словниках:

Макроскопічне тіло, виділене з навколишнього середовища за допомогою перегородок або оболонок (вони можуть бути також і уявними, умовними) і що характеризується макроскопічними параметрами: обсягом, температурою, тиском та ін. Великий Енциклопедичний словник

термодинамічна система- Термодинамічна система; система Сукупність тіл, які можуть енергетично взаємодіяти між собою та з іншими тілами та обмінюватися з ними речовиною … Політехнічний термінологічний тлумачний словник

ТЕРМОДИНАМІЧНА СИСТЕМА- Сукупність фіз. тіл, які можуть обмінюватися між собою та з ін. тілами (зовнішнім середовищем) енергією та речовиною. Т. с. є будь-яка система, що складається з дуже великої кількості молекул, атомів, електронів та ін частинок, що мають безліч ... Велика політехнічна енциклопедія

термодинамічна система- тіло (сукупність тіл), здатне (здатних) обмінюватися з іншими тілами (між собою) енергією та (або) речовиною. [Збірник термінів, що рекомендуються. Випуск 103. Термодинаміка. Академія наук СРСР. Комітет науково-технічної термінології. 1984 р. Довідник технічного перекладача

термодинамічна система- довільно обрана частина простору, що містить одну або кілька речовин і відокремлена від зовнішнього середовища реальною або умовною оболонкою. Загальна хімія: підручник / А. В. Жолнін … Хімічні терміни

термодинамічна система- макроскопічне тіло, відокремлене від навколишнього середовища реальними або уявними межами, яке можна охарактеризувати термодинамічні параметри: об'ємом, температурою, тиском та ін. Розрізняють ізольовані, … Енциклопедичний словник з металургії

Макроскопічне тіло, виділене з навколишнього середовища за допомогою перегородок або оболонок (вони можуть бути також і уявними, умовними), яке можна характеризувати макроскопічними параметрами: об'ємом, температурою, тиском та ін. Енциклопедичний словник

Термодинаміка … Вікіпедія

термодинамічна система- termodinaminė sistema statusas T sritis chemija apibrėžtis Kūnas (kūnų visuma), kurį nuo aplinkos skiria reali ar įsivaizduojama riba. atitikmenys: англ. thermodynamic system rus. термодинамічна система … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

термодинамічна система- termodinaminė sistema statusas T sritis fizika atitikmenys: англ. thermodynamic system vok. thermodynamisches System, n rus. термодинамічна система f pranc. système thermodynamique, m … Fizikos terminų žodynas

Термодинаміка - наука, яка вивчає теплові явища, що відбуваються в тілах, не пов'язуючи їх із молекулярною будовою речовини.

У термодинаміці вважається, що всі теплові процеси в тілах характеризуються тільки макроскопічними параметрами- тиском, об'ємом та температурою. Оскільки їх неможливо застосувати до окремо взятих молекул чи атомів, то, на відміну молекулярно-кинетичної теорії, в термодинаміці молекулярне будова речовини в теплових процесах не враховується.

Усі поняття термодинаміки сформульовані як узагальнення фактів, які у ході експериментів. Через це її називають феноменологічною (описовою) теорією тепла.

Термодинамічні системи

Термодинаміка визначає теплові процеси, які у макроскопічних системах. Такі системи складаються з величезної кількості частинок - молекул і атомів і називаються термодинамічні.

Термодинамічною системою можна вважати будь-який об'єкт, який можна побачити озброєним оком або за допомогою мікроскопів, телескопів та інших оптичних приладів. Головне, щоб розміри системи у просторі та час її існування дозволяли провести вимірювання її параметрів - температури, тиску, маси, хімічного складу елементів та ін., за допомогою приладів, які не реагують на вплив окремих молекул (манометрів, термометрів та ін.).

Для хіміків термодинамічної системою є суміш хімічних речовин, що взаємодіють між собою в процесі хімічної реакції. Астрофізики назвуть такою системою небесне тіло. Суміш пального з повітрям в автомобільному двигуні, земна куля, наше тіло, ручка, зошит, верстат і ін. - це також термодинамічні системи.

Кожна термодинамічна система відокремлена від довкілля кордонами. Вони можуть бути реальними – скляні стінки пробірки з хімічною речовиною, корпус циліндра у двигуні тощо. А можуть бути умовними, коли, наприклад, вивчають утворення хмари в атмосфері.

Якщо така система не обмінюється із зовнішнім середовищем ні енергією, ні речовиною, то її називають ізольовані або замкненою .

Якщо ж система обмінюється із зовнішнім середовищем енергією, але з обмінюється речовиною, вона називається закритою .

Відкрита система обмінюється із зовнішнім середовищем та енергією, і речовиною.

Термодинамічна рівновага

Це поняття також введено в термодинаміку як узагальнення результатів експериментів.

Термодинамічною рівновагою називають такий стан системи, у якому її макроскопічні величини - температура, тиск, обсяг і ентропія - не змінюються у часі, якщо система є ізольованою. У такий стан може спонтанно перейти будь-яка замкнута термодинамічна система, якщо залишаються постійними всі зовнішні параметри.

Найпростіший приклад системи у стані термодинамічної рівноваги – термос із гарячим чаєм. Температура в ньому однакова у будь-якій точці рідини. Хоча термос можна назвати ізольованою системою лише приблизно.

Будь-яка замкнута термодинамічна система мимоволі прагне перейти до термодинамічної рівноваги, якщо не змінюються зовнішні параметри.

Термодинамічний процес

Якщо змінюється хоча б один із макроскопічних параметрів, то кажуть, що в системі відбувається термодинамічний процес . Такий процес може виникнути, якщо змінюються зовнішні параметри, або система починає отримувати або передавати енергію. У результаті вона перетворюється на інший стан.

Згадаймо приклад із чаєм у термосі. Якщо ми опустимо в чай ​​шматочок льоду і закриємо термос, то відразу з'явиться різниця в температурах у різних частинах рідини. Рідина термоса прагнутиме вирівнювання температур. З областей із вищою температурою тепло передаватиметься туди, де температура нижча. Тобто відбуватиметься термодинамічний процес. Зрештою, температура чаю в термосі знову стане однаковою. Але вона вже відрізнятиметься від початкової температури. Стан системи змінилося, оскільки змінилася її температура.

Термодинамічний процес відбувається, коли вночі остигає пісок, нагрітий на пляжі у спекотний день. На ранок його температура знижується. Але щойно зійде сонце, процес нагрівання почнеться знову.

Внутрішня енергія

Одне з головних понять термодинаміки - внутрішня енергія .

Всі макроскопічні тіла мають внутрішню енергію, яка є сумою кінетичних і потенційних енергій усіх частинок (атомів і молекул), з яких складається тіло. Ці частинки взаємодіють лише між собою і не взаємодіють із частинками навколишнього середовища. Внутрішня енергія залежить від кінетичної та потенційної енергії частинок і залежить від положення самого тіла.

U = E k + E p

Внутрішня енергія змінюється із зміною температури. Молекулярно-кінетична теорія пояснює зміною швидкості руху частинок речовини. Якщо температура тіла зростає, то зростає і швидкість руху частинок, відстань між ними стає більшою. Отже, збільшується їхня кінетична та потенційна енергія. При зниженні температури відбувається зворотний процес.

Для термодинаміки важливіше величина внутрішньої енергії, та її зміна. А змінити внутрішню енергію можна за допомогою процесу теплопередачі або роблячи механічну роботу.

Зміна внутрішньої енергії механічною роботою

Бенджамін Румфорд

Внутрішню енергію тіла можна змінити, здійснивши над нею механічну роботу. Якщо робота відбувається над тілом, то механічна енергія перетворюється на внутрішню енергію. А якщо роботу здійснює тіло, то його внутрішня енергія перетворюється на механічну.

Майже до кінця XIX століття вважалося, що існує невагома речовина – теплород, яка передає тепло від тіла до тіла. Чим більше теплорода втікає в тіло, тим тепліше воно буде, і навпаки.

Однак у 1798 р. англо-американський вчений граф Бенджамін Румфорд став сумніватися у теорії теплороду. Причиною цього були нагрівання стволів гармат при свердлінні. Він припустив, що причиною нагрівання є механічна робота, яка здійснюється під час тертя свердла на стовбур.

І Румфорд провів експеримент. Щоб збільшити силу тертя, взяли тупе свердло, а сам ствол помістили в бочку з водою. До кінця третьої години свердління вода в бочці закипіла. Це означало, що ствол отримав тепло під час здійснення механічної роботи з нього.

Теплопередача

Теплопередачею називають фізичний процес передачі теплової енергії (теплоти) від одного тіла до іншого або при безпосередньому контакті, або через перегородку, що розділяє. Як правило, теплота передається від теплішого тіла до холоднішого. Цей процес закінчується, коли система входить у стан термодинамічного рівноваги.

Енергія, яку одержує або віддає тіло при теплопередачі, називається кількістю теплоти .

За способом передачі теплоти теплообмін можна розділити на три види: теплопровідність, конвенція, теплове випромінювання.

Теплопровідність

Якщо між тілами чи частинами тіл існує температурна різниця, між ними відбуватиметься процес теплопередачі. Теплопровідністю називають процес перенесення внутрішньої енергії від більш нагрітого тіла (або його частини) до менш нагрітого тіла (або його частини).

Наприклад, нагрів на вогні один кінець сталевого прута, через деякий час ми відчуємо, що й інший його кінець також стає теплим.

Скляну паличку, один кінець якої розпечений, ми легко тримаємо за інший кінець, не обпалюючись. Але якщо ми спробуємо зробити такий самий експеримент із залізним прутом, у нас нічого не вийде.

Різні речовини по-різному проводять тепло. Кожна з них має свій коефіцієнт теплопровідності, або питомої провідності, чисельно дорівнює кількості теплоти, яка проходить через зразок товщиною 1 м, площею 1 м 2 за 1 секунду. За одиницю температури приймають 1 К.

Найкраще проводять тепло метали. Це їхня властивість ми використовуємо в побуті, готуючи їжу в металевих каструлях або на сковорідках. А ось їхні ручки не повинні нагріватися. Тому їх роблять із матеріалів із поганою теплопровідністю.

Теплопровідність рідин менша. А гази мають слабку теплопровідність.

Хутро тварин також погано проводить тепло. Завдяки цьому вони не перегріваються у спеку і не замерзають у холодну.

Конвенція

При конвенції теплота передається струменями та потоками газу чи рідини. У твердих тілах конвенції немає.

Як виникає конвенція у рідині? Коли ми ставимо на вогонь чайник із водою, нижній шар рідини нагрівається, його густина зменшується, він рухається вгору. Його місце займає холодніший шар води. Через якийсь час він теж нагріється і теж поміняється місцями з холоднішим шаром. І т.д.

Подібний процес відбувається й у газах. Невипадково батареї опалення розміщують у нижній частині кімнати. Адже нагріте повітря завжди піднімається у верхню частину кімнати. А нижня, холодна, навпаки, опускається. Потім він нагрівається і знову піднімається, а верхній шар за цей час остигає і опускається.

Конвенція буває природна та примусова.

Природна конвенція постійно відбувається у атмосфері. Внаслідок цього відбуваються постійні переміщення теплих повітряних мас вгору, а холодних – вниз. В результаті виникає вітер, хмари та інші природні явища.

Коли природної конвенції недостатньо, застосовую примусову конвенцію. Наприклад, потоки теплого повітря переміщують у кімнаті за допомогою лопат вентилятора.

Теплове випромінювання

Сонце нагріває Землю. У цьому немає відбувається ні теплопередачі, ні конвенції. То чому ж тіла одержують тепло?

Справа в тому, що Сонце є джерелом теплового випромінювання.

Теплове випромінювання - Це електромагнітне випромінювання, що виникає за рахунок внутрішньої енергії тіла. Всі навколишні тіла випромінюють теплову енергію. Це може бути видиме світлове випромінювання настільної лампи або джерела невидимих ​​ультрафіолетових, інфрачервоних або гамма-променів.

Але тіла не лише випромінюють тепло. Вони його також поглинають. Одні більшою мірою, інші меншою. Причому темні тіла нагріваються, і охолоджуються швидше, ніж світлі. У спеку ми намагаємося одягнути світлий одяг, тому що він поглинає менше тепла, ніж одяг темних тонів. Автомобіль темного кольору нагрівається на сонці набагато швидше, ніж автомобіль, що стоїть з ним поруч, має світле забарвлення.

Ця властивість речовин по-різному поглинати та випромінювати тепло використовується при створенні систем нічного бачення, систем самонаведення ракет на ціль та ін.

Термодинамічна система– сукупність макроскопічних тіл, які можуть взаємодіяти між собою та з іншими тілами (зовнішнім середовищем) – обмінюватися з ними енергією та речовиною. Обмін енергією та речовиною може відбуватися як усередині самої системи між її частинами, так і між системою та зовнішнім середовищем. Залежно від можливих способів ізоляції системи від довкілля розрізняють кілька видів термодинамічних систем.

Відкритою системоюназивається термодинамічна система, яка може обмінюватися речовиною та енергією із зовнішнім середовищем. Типовими прикладами таких систем можуть бути всі живі організми, і навіть рідина, маса якої безупинно зменшується внаслідок випаровування чи кипіння.

Термодинамічна системаназивається закритоюякщо вона не може обмінюватися із зовнішнім середовищем ні енергією, ні речовиною. Замкнутоюсистемою називатимемо термодинамическую систему, ізольовану в механічному відношенні, тобто. не здатну до обміну енергією із зовнішнім середовищем шляхом виконання роботи. Прикладом такої системи може бути газ, укладений у посудину постійного обсягу. Термодинамічна система називається адіабатноїякщо вона не може обмінюватися з іншими системами енергією шляхом теплообміну.

Термодинамічні параметри (параметрами стану)називаються фізичні величини, що служать характеристики стану термодинамічної системи.

Прикладами термодинамічних властивостей є тиск, обсяг, температура, концентрація. Розрізняють два типи термодинамічних параметрів: екстенсивніі інтенсивні. Перші пропорційні кількості речовини у цій термодинамічної системі, другі не залежить від кількості речовини у системі. Найпростішим екстенсивним параметром є обсяг Vсистеми. Величину v, рівну відношенню обсягу системи до її маси, називають питомим об'ємом системи. Найпростішими інтенсивними параметрами є тиск рі температура Т.

Тиском називається фізична величина

де dFn– модуль нормальної сили, що діє на малу ділянку поверхні тіла пло-
щадю dS.

Якщо тиск і питомий об'єм мають ясний і простий фізичний зміст, набагато складнішим і менш наочним є поняття температури. Зауважимо насамперед, що поняття температури, строго кажучи, має сенс лише рівноважних станів системи.

Рівноважний стан термодинамічної системи– стан системи, у якому всі параметри мають певні значення й у якому система може залишатися скільки завгодно довго. Температура у всіх частинах термодинамічної системи, яка перебуває в рівноважному стані, однакова.

Під час теплообміну між двома тілами з різною температурою відбувається передача теплоти від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою. Цей процес припиняється, коли температури обох тіл вирівнюються.

Температура системи, що у рівноважному стані, служить мірою інтенсивності теплового руху атомів, молекул та інших частинок, що утворюють систему. У системі частинок, описуваних законами класичної статистичної фізики і що у рівноважному стані, середня кінетична енергія теплового руху частинок прямо пропорційна термодинамічної температурі системи. Тому іноді кажуть, що температура характеризує ступінь нагрітості тіла.

При вимірі температури, яке можна проводити тільки непрямим шляхом, використовується залежність від температури цілого ряду фізичних властивостей тіла, що піддаються прямому або непрямому виміру. Наприклад, при зміні температури тіла змінюються його довжина та об'єм, щільність, пружні властивості, електричний опір тощо. Зміна будь-якої з цих властивостей є основою вимірювань температури. Для цього необхідно, щоб для одного (вибраного) тіла, що називається термометричним тілом, була відома функціональна залежність цієї властивості від температури. Для практичних вимірювань температури використовуються температурні шкали, встановлені за допомогою термометричних тіл. У Міжнародній стоградусній температурній шкалі температура виявляється у градусах Цельсія (°С) [А. Цельсій (1701–1744) – шведський учений] та 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 термодинамічній температурній шкалі температура виявляється у Кельвінах (К) [У. Томсон, лорд Кельвін (1821-1907) - англійський фізик], позначається Ті називається термодинамічної температури. Зв'язок між термодинамічною температурою Ті температурою за стоградусною шкалою має вигляд T = t + 273,15.

Температура T= 0 К (за стоградусною шкалою t= -273,15 ° С) називається абсолютним нулемтемператури або нулем за термодинамічною шкалою температур.

Параметри стану системи поділяються на зовнішні та внутрішні. Зовнішніми параметрамиСистеми називаються фізичні величини, що залежать від положення в просторі та різних властивостей (наприклад електричних зарядів) тіл, які є зовнішніми по відношенню до даної системи. Наприклад, для газу таким параметром є обсяг Vсудини,
в якому знаходиться газ, тому що обсяг залежить від розташування зовнішніх тіл – стінок судини. Атмосферний тиск є зовнішнім параметром для рідини у відкритій посудині. Внутрішні параметриСистеми називаються фізичні величини, що залежать як від положення зовнішніх по відношенню до системи тіл, так і від координат і швидкостей частинок, що утворюють цю систему. Наприклад, внутрішніми параметрами газу є його тиск і енергія, які залежать від координат і швидкостей рухомих молекул і від густини газу.

Під термодинамічний процесрозуміють всяку зміну стану розглянутої термодинамічної системи, що характеризується зміною її термодинамічних параметрів. Термодинамічний процес називається рівноважнимякщо в цьому процесі система проходить безперервний ряд нескінченно близьких термодинамічно рівноважних станів. Реальні процеси зміни стану системи завжди відбуваються з кінцевою швидкістю і тому можуть бути рівноважними. Очевидно, однак, що реальний процес зміни стану системи буде тим ближчим до рівноважного, чим повільніше він відбувається, тому такі процеси називають квазістатичними.

Прикладами найпростіших термодинамічних процесів можуть бути такі процеси:

а) ізотермічний процес, при якому температура системи не змінюється ( T= const);

б) ізохорний процес, що відбувається при постійному обсязі системи ( V= const);

в) ізобарний процес, що відбувається при постійному тиску в системі ( p= const);

г) адіабатний процес, що відбувається без теплообміну між системою та зовнішнім середовищем.

Вступ. 2

Термодинаміка. Загальна концепція. 3

Поняття термодинамічної системи.

Види термодинамічних систем.

Термодинамічні процеси.

Зворотні та незворотні процеси.

Внутрішня енергія системи. 10

Нульовий початок термодинаміки.

Перший початок термодинаміки.

Другий початок термодинаміки.

Третій початок термодинаміки.

Наслідки. 17

Недосяжність абсолютного нуля температур. 17

Поведінка термодинамічних коефіцієнтів. 17

Вступ

Ми постійно стикаємося не тільки з механічним рухом, але й з тепловими явищами, які пов'язані зі зміною температури тіла або переходом речовин у різний агрегатний стан – рідкий, газоподібний чи твердий.

Теплові процеси мають значення для життя на Землі, оскільки білок здатний до життєдіяльності лише у певному інтервалі температур. Життя Землі залежить від температури довкілля.

Люди досягли відносної незалежності від навколишнього середовища після того, як навчилися добувати вогонь. Це було одним із найбільших відкриттів на зорі людства.

Термодинаміка є наукою про теплові явища, в яких не враховується молекулярна будова тіл. Закони термодинаміки та їх застосування будуть розглянуті у цьому рефераті.

Термодинаміка. Загальне поняття

Початки термодинаміки - сукупність постулатів, що у основі термодинаміки. Ці положення були встановлені в результаті наукових досліджень та були доведені експериментально. Як постулати вони приймаються для того, щоб термодинаміку можна було побудувати аксіоматично.

Необхідність початків термодинаміки пов'язана з тим, що термодинаміка описує макроскопічні параметри систем без конкретних припущень щодо їх мікроскопічного пристрою. Питаннями внутрішнього устрою займається статистична фізика.

Початки термодинаміки незалежні, тобто жодна з них не може бути виведена з інших початків.

Перелік почав термодинаміки

· Перший початок термодинаміки є закон збереження енергії у застосуванні до термодинамічних систем.

· Другий початок термодинаміки накладає обмеження на напрямок термодинамічних процесів, забороняючи мимовільну передачу тепла від менш нагрітих тіл до більш нагрітих. Також формулюється як закон зростання ентропії.

· Третій початок термодинаміки говорить про те, як ентропія поводиться поблизу абсолютного нуля температур.

· Нульовим (або загальним) початком термодинаміки іноді називають принцип, згідно з яким замкнута система незалежно від початкового стану, зрештою, приходить до стану термодинамічної рівноваги і самостійно вийти з нього не може.

Поняття термодинамічної системи

Термодинамічної системою називається будь-яка фізична система, що складається з великої кількості частинок-атомів і молекул, які здійснюють нескінченний тепловий рух і взаємодіють один з одним, обмінюються енергіями. Такими термодинамічними системами, і до того ж найпростішими, є гази, молекули яких здійснюють безладний поступальний та обертальний рух і при зіткненнях обмінюються кінетичними енергіями. Термодинамічні системи є також тверді і рідкі речовини.

Молекули твердих тіл здійснюють безладні коливання навколо своїх положень рівноваги, обмін енергіями між молекулами відбувається завдяки їхній безперервній взаємодії, внаслідок чого зміщення однієї молекули від свого положення рівноваги негайно відбивається на розташуванні та швидкості руху сусідніх молекул. Оскільки середня енергія теплового руху молекул пов'язана з температурою, температура є найважливішою фізичною величиною, що характеризує різні стани термодинамічних систем. Крім температури стан таких систем визначається також обсягом, які вони займають, і зовнішнім тиском або зовнішніми силами, що діють на систему.

Важливою властивістю термодинамічних систем є існування вони рівноважних станів, у яких можуть перебувати скільки завгодно довго. Якщо термодинамическую систему, що у одному з рівноважних станів, надати деяке зовнішнє вплив і потім припинити його, то система мимоволі перетворюється на новий рівноважний стан. Однак слід підкреслити, що тенденція до переходу в рівноважний стан діє завжди і безперервно, навіть поза тим часом, коли система піддається зовнішньому впливу.

Ця тенденція чи, точніше, постійне існування процесів, які ведуть досягненню рівноважного стану, є найважливішою особливістю термодинамічних систем.

Стан ізольованої термодинамічної системи, які, незважаючи на відсутність зовнішніх впливів, не зберігаються протягом кінцевих проміжків часу, називається нерівноважними. Система, що перебуває в нерівноважному стані, з часом переходить в рівноважний стан. Час переходу з нерівноважного стану до рівноважного називається часом релаксації. Зворотний перехід із рівноважного стану до нерівноважного може бути здійснений за допомогою зовнішніх впливів на систему.

Нерівноважним є, зокрема, стан системи з різними температурами в різних місцях, вирівнювання t 0 в газах, твердих і рідких тілах є перехід цих тіл до рівноважного стану з однаковим t 0 в межах об'єму тіла. Інший приклад нерівноважного стану можна навести, розглядаючи двофазні системи, що складаються з рідини та її пари. Якщо над поверхнею рідини, що знаходиться в закритій посудині, є ненасичена пара, то стан системи нерівноважний: число молекул, що вилітають в одиницю часу з рідини, більше ніж число молекул, що повертаються за цей же час із пари в рідину. Внаслідок цього з часом число молекул у пароподібному стані збільшується доти, доки не встановиться рівноважний стан.

Перехід від рівноважного стану до рівноважного в більшості випадків відбувається безперервно, причому швидкість цього переходу можна за допомогою відповідного зовнішнього впливу плавно регулювати, зробивши процес релаксації або дуже швидким, або дуже повільним. Так, наприклад, шляхом механічного перемішування можна помітно підвищити швидкість вирівнювання температури в рідинах або газах, охолоджуючи рідину, можна зробити дуже повільним процес дифузії розчиненої в ній речовини.