Các thông số cơ bản về trạng thái của hệ nhiệt động

hệ thống nhiệt động lực họcđược gọi là một tập hợp các cơ thể khác nhau có khả năng tương tác năng lượng với nhau và với môi trường. Trong trường hợp này, lượng của một chất có thể không đổi hoặc thay đổi, và các vật thể có thể ở các trạng thái kết tụ khác nhau (khí, lỏng hoặc rắn).

Môi trường được hiểu là tổng thể của tất cả các vật thể khác không nằm trong hệ thống nhiệt động lực học.

Hệ thống nhiệt động lực học được gọi là bị cô lập nếu nó không tương tác với môi trường, đóng cửa- nếu tương tác này chỉ xảy ra dưới dạng trao đổi năng lượng, và mở- nếu nó trao đổi cả năng lượng và vật chất với môi trường. Sự biến đổi trạng thái của hệ nhiệt động do trao đổi năng lượng với môi trường gọi là quá trình nhiệt động.

Các thông số chính đặc trưng cho quá trình chuyển hóa lẫn nhau của công và nhiệt là nhiệt độ t, sức ép r và khối lượng V.

Nhiệt độ là thước đo cường độ chuyển động của các phân tử của một chất. Động năng chuyển động của các phân tử càng lớn thì nhiệt độ càng cao. Nhiệt độ ứng với trạng thái nghỉ hoàn toàn của các phân tử khí được coi là độ không tuyệt đối. Điểm này là điểm bắt đầu của

chỉ số nhiệt độ trên thang Kelvin tuyệt đối (chỉ định - t, ĐẾN). Trong kỹ thuật, thang đo nhiệt độ độ C thường được sử dụng (ký hiệu - t, ° С), trong đó điểm nóng chảy của băng được lấy bằng 0 ° С và điểm sôi không đổi của nước ở áp suất khí quyển bình thường được lấy bằng 100 độ.

Việc tính toán lại nhiệt độ từ độ C đến độ tuyệt đối được thực hiện theo công thức

t=t+273.15K, (2.2)

trong khi kích thước của một độ C bằng kelvin: 1 ° C \u003d 1 K, tức là

Nhiệt độ xác định hướng truyền nhiệt, đóng vai trò là thước đo sự nóng lên của cơ thể. Hai hệ đang cân bằng nhiệt với nhau thì có cùng nhiệt độ.

Áp suất khí ga. Theo lý thuyết động học, một chất khí trong một bình kín tạo ra áp suất lên thành của nó, đây là kết quả của tác dụng lực của các phân tử khí trong chuyển động ngẫu nhiên. Áp suất được định nghĩa là lực tác động lên một bề mặt đơn vị và được đo bằng pascal (Pa = N/m2).

Tổng áp suất khí quyển (khí quyển) và áp suất dư do khí tác dụng lên thành bình là áp suất tuyệt đối:

ở đâu V- thể tích chiếm chỗ của khí, m 3 ; m- khối lượng khí về thể tích V, Kilôgam. Lượng chất chứa trong một đơn vị thể tích gọi là

mật độ khí ρ ,kg/m 3 . Nó là nghịch đảo của khối lượng riêng.

Trạng thái của một hệ thống nhiệt động, được đặc trưng bởi một giá trị không đổi của các tham số theo thời gian và trong toàn bộ khối lượng của hệ thống, được gọi là cân bằng. Trong một hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, không có dòng nhiệt và vật chất cả trong hệ thống và giữa hệ thống với môi trường. Trạng thái cân bằng của một chất khí có thể được biểu diễn bằng phương trình f (r, V, T) = 0.

khí lý tưởngđược gọi là chất khí gồm các phân tử có kích thước có thể bỏ qua và không tương tác với nhau (không có thế năng tương tác). Sự ra đời của khái niệm khí lý tưởng trong nhiệt động lực học giúp có thể thu được các mối quan hệ phân tích đơn giản hơn giữa các tham số trạng thái. Kinh nghiệm cho thấy rằng, với một giá trị gần đúng đã biết, những sự phụ thuộc này có thể được áp dụng để nghiên cứu các tính chất của khí thực.

hệ thống nhiệt động lực học- một tập hợp các cơ thể vĩ mô có thể tương tác với nhau và với các cơ thể khác (môi trường bên ngoài) - trao đổi năng lượng và vật chất với chúng. Sự trao đổi năng lượng và vật chất có thể xảy ra cả trong chính hệ thống giữa các bộ phận của nó và giữa hệ thống với môi trường bên ngoài. Tùy thuộc vào các cách có thể để cách ly hệ thống với môi trường bên ngoài, một số loại hệ thống nhiệt động được phân biệt.

hệ thống mở gọi là hệ nhiệt động có khả năng trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường. Các ví dụ điển hình của các hệ thống như vậy là tất cả các sinh vật sống, cũng như chất lỏng, khối lượng của chúng liên tục giảm do bay hơi hoặc sôi.

hệ thống nhiệt động lực học gọi điện đóng cửa nếu nó không thể trao đổi năng lượng hoặc vật chất với môi trường. đóng cửa hệ mà chúng ta sẽ gọi là hệ nhiệt động bị cô lập về mặt cơ học, tức là không có khả năng trao đổi năng lượng với môi trường bằng sinh công. Một ví dụ về một hệ thống như vậy là một chất khí được chứa trong một bình có thể tích không đổi. Hệ thống nhiệt động lực học được gọi là đoạn nhiệt nếu nó không thể trao đổi năng lượng với các hệ thống khác bằng cách trao đổi nhiệt.

Thông số nhiệt động (thông số trạng thái) gọi là các đại lượng vật lý dùng để đặc trưng cho trạng thái của một hệ nhiệt động.

Ví dụ về các thông số nhiệt động là áp suất, thể tích, nhiệt độ, nồng độ. Có hai loại tham số nhiệt động: rộng rãi và mãnh liệt. Cái trước tỷ lệ thuận với lượng vật chất trong một hệ thống nhiệt động nhất định, cái sau không phụ thuộc vào lượng vật chất trong hệ thống. Tham số mở rộng đơn giản nhất là âm lượng V các hệ thống. giá trị v, bằng tỉ số giữa thể tích của hệ với khối lượng của nó, được gọi là khối lượng riêng của hệ. Các thông số chuyên sâu đơn giản nhất là áp suất r và nhiệt độ t.

Áp suất là một đại lượng vật lý

ở đâu dFn là mô đun của lực pháp tuyến tác dụng lên một diện tích nhỏ trên bề mặt cơ thể
bổ sung đS.

Nếu áp suất và thể tích riêng có ý nghĩa vật lý rõ ràng và đơn giản, thì khái niệm nhiệt độ phức tạp và ít rõ ràng hơn nhiều. Trước hết, chúng tôi lưu ý rằng khái niệm nhiệt độ, nói đúng ra, chỉ có ý nghĩa đối với các trạng thái cân bằng của hệ thống.

Trạng thái cân bằng của một hệ nhiệt động- trạng thái của hệ thống, trong đó tất cả các tham số có giá trị nhất định và trong đó hệ thống có thể duy trì bao lâu tùy ý. Nhiệt độ trong mọi phần của hệ nhiệt động ở trạng thái cân bằng là như nhau.

Trong quá trình trao đổi nhiệt giữa hai vật có nhiệt độ khác nhau, nhiệt được truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn. Quá trình này dừng lại khi nhiệt độ của cả hai cơ thể bằng nhau.

Nhiệt độ của một hệ thống ở trạng thái cân bằng đóng vai trò là thước đo cường độ chuyển động nhiệt của các nguyên tử, phân tử và các hạt khác tạo thành hệ thống. Trong một hệ gồm các hạt được mô tả bởi các định luật vật lý thống kê cổ điển và ở trạng thái cân bằng, động năng trung bình của chuyển động nhiệt của các hạt tỷ lệ thuận với nhiệt độ nhiệt động của hệ. Do đó, đôi khi người ta nói rằng nhiệt độ đặc trưng cho mức độ nóng lên của cơ thể.

Khi đo nhiệt độ chỉ có thể thực hiện gián tiếp, người ta sử dụng sự phụ thuộc vào nhiệt độ của một số tính chất vật lý của cơ thể có thể đo trực tiếp hoặc gián tiếp. Ví dụ, khi nhiệt độ cơ thể thay đổi, chiều dài và thể tích, mật độ, tính chất đàn hồi, điện trở, v.v. Một sự thay đổi trong bất kỳ tính chất nào trong số này là cơ sở để đo nhiệt độ. Đối với điều này, điều cần thiết là đối với một vật thể (đã chọn), được gọi là vật thể đo nhiệt độ, sự phụ thuộc chức năng của tính chất này vào nhiệt độ đã được biết đến. Đối với các phép đo nhiệt độ thực tế, các thang đo nhiệt độ được thiết lập với sự trợ giúp của các vật thể đo nhiệt độ được sử dụng. Trong Thang Nhiệt độ C. Quốc tế, nhiệt độ được biểu thị bằng độ C (°C) [A. C. (1701-1744) - Nhà bác học Thụy Điển] và được ký hiệu là t, và người ta cho rằng ở áp suất bình thường là 1,01325 × 10 5 Pa, điểm nóng chảy của nước đá và điểm sôi của nước lần lượt là 0 và 100 °C. Trong thang nhiệt độ nhiệt động lực học, nhiệt độ được biểu thị bằng Kelvin (K) [W. Thomson, Lord Kelvin (1821-1907) - nhà vật lý người Anh], ký hiệu là t và được gọi là nhiệt độ nhiệt động. Mối quan hệ giữa nhiệt độ nhiệt động t và nhiệt độ trên thang độ bách phân có dạng t = t + 273,15.

Nhiệt độ t= 0 K (trên thang độ bách phân t\u003d -273,15 ° С) được gọi là không tuyệt đối nhiệt độ, hoặc bằng không trên thang nhiệt độ nhiệt động lực học.

Các tham số trạng thái hệ thống được chia thành bên ngoài và bên trong. thông số bên ngoài các hệ thống được gọi là các đại lượng vật lý phụ thuộc vào vị trí trong không gian và các tính chất khác nhau (ví dụ: điện tích) của các vật thể nằm ngoài hệ thống đã cho. Ví dụ, đối với chất khí, thông số này là thể tích V tàu,
trong đó khí được đặt, bởi vì thể tích phụ thuộc vào vị trí của các vật thể bên ngoài - thành bình. Áp suất khí quyển là một thông số bên ngoài đối với chất lỏng trong bình hở. thông số nội bộ các hệ thống được gọi là các đại lượng vật lý phụ thuộc cả vào vị trí của các vật thể bên ngoài hệ thống và vào tọa độ và vận tốc của các hạt tạo thành hệ thống này. Ví dụ, các tham số bên trong của chất khí là áp suất và năng lượng của nó, chúng phụ thuộc vào tọa độ và vận tốc của các phân tử chuyển động cũng như mật độ của chất khí.

Dưới quá trình nhiệt động hiểu bất kỳ thay đổi nào về trạng thái của hệ thống nhiệt động đang được xem xét, được đặc trưng bởi sự thay đổi các tham số nhiệt động của nó. Quá trình nhiệt động học được gọi là cân bằng, nếu trong quá trình này, hệ đi qua một chuỗi liên tục các trạng thái cân bằng nhiệt động gần nhau vô hạn. Các quá trình biến đổi trạng thái thực của hệ luôn xảy ra với tốc độ hữu hạn và do đó không thể ở trạng thái cân bằng. Tuy nhiên, rõ ràng là quá trình biến đổi trạng thái thực của hệ càng gần trạng thái cân bằng thì diễn ra càng chậm, do đó các quá trình đó được gọi là bán tĩnh.

Các quá trình sau đây có thể dùng làm ví dụ về các quá trình nhiệt động đơn giản nhất:

a) một quá trình đẳng nhiệt trong đó nhiệt độ của hệ thống không thay đổi ( t= const);

b) một quá trình đẳng tích xảy ra ở một thể tích không đổi của hệ thống ( V= const);

c) một quá trình đẳng áp xảy ra ở áp suất không đổi trong hệ thống ( P= const);

d) một quá trình đoạn nhiệt xảy ra mà không có sự trao đổi nhiệt giữa hệ thống và môi trường.

hệ thống nhiệt động lực học- đây là một bộ phận của thế giới vật chất, ngăn cách với môi trường bằng ranh giới thực hoặc tưởng tượng và là đối tượng nghiên cứu của nhiệt động lực học. Môi trường lớn hơn nhiều về khối lượng, và do đó những thay đổi trong đó là không đáng kể so với sự thay đổi trạng thái của hệ thống. Không giống như các hệ thống cơ học bao gồm một hoặc nhiều vật thể, hệ thống nhiệt động lực học chứa một số lượng rất lớn các hạt, tạo ra các tính chất hoàn toàn mới và đòi hỏi các cách tiếp cận khác nhau để mô tả trạng thái và hành vi của các hệ thống đó. Hệ thống nhiệt động lực học là đối tượng vĩ mô.

Phân loại các hệ nhiệt động

1. Thành phần

Một hệ thống nhiệt động bao gồm các thành phần. Thành phần - đây là chất có thể tách biệt khỏi hệ thống và tồn tại bên ngoài nó, tức là thành phần là các chất độc lập.

một thành phần.

Hai thành phần, hoặc nhị phân.

Ba thành phần - ba.

đa thành phần.

2. Theo thành phần pha- đồng nhất và không đồng nhất

đồng nhất các hệ thống có các tính chất vĩ mô giống nhau tại bất kỳ điểm nào trong hệ thống, chủ yếu là nhiệt độ, áp suất, nồng độ và nhiều yếu tố khác, chẳng hạn như chiết suất, điện môi, cấu trúc tinh thể, v.v. Các hệ thống đồng nhất bao gồm một pha.

Giai đoạn- đây là một phần đồng nhất của hệ thống, được ngăn cách với các pha khác bởi giao diện và được đặc trưng bởi phương trình trạng thái riêng của nó. Giai đoạn và trạng thái tập hợp là các khái niệm chồng chéo nhưng không đồng nhất. Chỉ có 4 trạng thái tổng hợp, có thể có nhiều giai đoạn hơn.

không đồng nhất hệ thống bao gồm ít nhất hai giai đoạn.

3. Theo các loại kết nối với môi trường(theo khả năng trao đổi với môi trường).

Bị cô lập Hệ không trao đổi năng lượng, vật chất với môi trường. Đây là một hệ thống lý tưởng hóa, về nguyên tắc, không thể nghiên cứu bằng thực nghiệm.

đóng cửa hệ có thể trao đổi năng lượng với môi trường, nhưng không trao đổi vật chất.

mở hệ trao đổi cả năng lượng và vật chất

trạng thái TDS

trạng thái TDS là tổng của tất cả các thuộc tính vĩ mô có thể đo lường được của nó, do đó, có một biểu thức định lượng. Bản chất vĩ mô của các thuộc tính có nghĩa là chúng chỉ có thể được quy cho toàn bộ hệ thống chứ không phải cho các hạt riêng lẻ tạo nên TDS (T, p, V, c, U, n k). Các đặc trưng về lượng của nhà nước có mối liên hệ với nhau. Do đó, có một tập hợp tối thiểu các đặc điểm của hệ thống, được gọi là thông số , cài đặt cho phép một người mô tả đầy đủ các thuộc tính của hệ thống. Số lượng các tham số này phụ thuộc vào loại hệ thống. Trong trường hợp đơn giản nhất, đối với một hệ thống khí đồng nhất khép kín ở trạng thái cân bằng, chỉ cần xác định 2 tham số là đủ. Đối với hệ hở, ngoài 2 đặc điểm này của hệ còn phải xác định số mol mỗi cấu tử.

Các biến nhiệt động được chia thành:

- bên ngoài, được xác định bởi các thuộc tính và tọa độ của hệ thống trong môi trường và phụ thuộc vào các liên hệ của hệ thống với môi trường, ví dụ, khối lượng và số lượng các thành phần, cường độ của điện trường, số lượng các biến đó bị hạn chế ;

- nội bộ, đặc trưng cho các thuộc tính của hệ thống, ví dụ mật độ, năng lượng bên trong, số lượng các tham số đó là không giới hạn;

- rộng rãi, tỷ lệ thuận với khối lượng của hệ thống hoặc số lượng hạt, ví dụ, khối lượng, năng lượng, entropy, nhiệt dung;

-mãnh liệt, không phụ thuộc vào khối lượng của hệ, ví dụ nhiệt độ, áp suất.

Các tham số của TDS được kết nối với nhau bởi mối quan hệ, được gọi là phương trình trạng thái các hệ thống. Nhìn chung về nó f(p,V , T)= 0. Một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của FH là tìm phương trình trạng thái cho bất kỳ hệ thống nào. Cho đến nay, phương trình trạng thái chính xác chỉ được biết đến đối với khí lý tưởng (phương trình Clapeyron-Mendeleev).

pV = nRT, ( 1.1)

ở đâu r– hằng số khí phổ quát = 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. Khí thực chỉ được mô tả gần đúng bằng phương trình này, và áp suất càng cao và nhiệt độ càng thấp thì độ lệch khỏi phương trình trạng thái này càng lớn.

Phân biệt cân bằng và không cân bằng trạng thái của TDS.

Nhiệt động lực học cổ điển thường bị giới hạn trong việc xem xét các trạng thái cân bằng của các hệ nhị phân gần. cân bằng - đây là trạng thái mà TDS xuất hiện một cách tự nhiên và trong đó nó có thể tồn tại vô thời hạn khi không có tác động bên ngoài. Để xác định trạng thái cân bằng, luôn cần một số lượng tham số nhỏ hơn so với các hệ không cân bằng.

Trạng thái cân bằng được chia thành:

- bền vững trạng thái (ổn định) trong đó bất kỳ hành động nhỏ vô hạn nào cũng chỉ gây ra một thay đổi vô cùng nhỏ về trạng thái và khi tác động này bị loại bỏ, hệ thống sẽ trở lại trạng thái ban đầu;

- siêu bền một trạng thái trong đó một số ảnh hưởng cuối cùng gây ra những thay đổi trạng thái cuối cùng không biến mất khi những ảnh hưởng này bị loại bỏ.

Sự thay đổi trạng thái của TDS liên quan đến sự thay đổi của ít nhất một trong các biến nhiệt động của nó được gọi là quá trình nhiệt động. Một đặc điểm của mô tả các quá trình nhiệt động lực học là chúng được đặc trưng không phải bởi tốc độ thay đổi tính chất, mà bởi cường độ của những thay đổi. Một quá trình trong nhiệt động lực học là một chuỗi các trạng thái của hệ dẫn từ tập hợp ban đầu các thông số nhiệt động lực học đến tập hợp cuối cùng. Có các quá trình nhiệt động sau:

- tự phát, để thực hiện không cần thiết phải tiêu tốn năng lượng;

- không tự phát, chỉ xảy ra khi tiêu hao năng lượng;

- không thể đảo ngược(hoặc không cân bằng) - khi kết quả của quá trình là không thể đưa hệ thống trở lại trạng thái ban đầu.

-có thể đảo ngược là các quá trình được lý tưởng hóa quay đi quay lại qua các trạng thái trung gian giống nhau và sau khi chu trình kết thúc, cả hệ thống và môi trường đều không thay đổi.

chức năng nhà nước là những đặc tính của hệ thống chỉ phụ thuộc vào các tham số của trạng thái mà không phụ thuộc vào phương pháp đạt được nó.

Các hàm trạng thái được đặc trưng bởi các tính chất sau:

Một sự thay đổi vô hạn trong một chức năng f là một sự khác biệt tổng df;

Sự thay đổi của chức năng trong quá trình chuyển đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 chỉ được xác định bởi các trạng thái này ∫ df \u003d f 2 - f 1

Do kết quả của bất kỳ quá trình tuần hoàn nào, hàm trạng thái không thay đổi, tức là bằng không.

Sự ấm áp và công việc– cách thức trao đổi năng lượng giữa CDS và môi trường. Nhiệt và công là đặc tính của một quá trình, chúng không phải là hàm trạng thái.

Công việc- một dạng trao đổi năng lượng ở cấp độ vĩ mô, khi có sự chuyển động có hướng của vật thể. Công được coi là tích cực nếu nó được thực hiện bởi hệ thống chống lại các lực lượng bên ngoài.

Nhiệt- một dạng trao đổi năng lượng ở cấp độ vi mô, tức là dưới dạng biến đổi chuyển động hỗn loạn của các phân tử. Theo thông lệ, nhiệt lượng mà hệ thống nhận được và công thực hiện trên nó là dương, tức là "nguyên tắc vị kỷ" hoạt động .

Các đơn vị năng lượng và công được sử dụng phổ biến nhất, đặc biệt trong nhiệt động lực học, là SI joule (J) và đơn vị ngoài hệ thống, calo (1 cal = 4,18 J).

Tùy thuộc vào tính chất của đối tượng, có các loại công việc khác nhau:

1. Cơ khí - chuyển động cơ thể

dA mech = - F ex dl.(2.1)

Công là tích vô hướng của 2 vectơ lực và độ dời, tức là

|dА lông | = F đl cosα. Nếu phương của ngoại lực ngược với phương của nội lực thì: cosα < 0.

2. công việc mở rộng (thường được coi là mở rộng khí)

dА = - р dV (1.7)

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng biểu thức này chỉ có giá trị đối với quá trình thuận nghịch.

3. điện - chuyển động của điện tích

dА el = -jdq,(2.2)

ở đâu j- tài nguyên điện.

4. hời hợt - thay đổi diện tích bề mặt,

bề mặt dA = -sdS,(2.3)

ở đâu S- sức căng bề mặt.

5. Biểu hiện chung cho công việc

dА = - Ydx,(2.4)

Y- lực lượng tổng quát, dx- tọa độ tổng quát, do đó công việc có thể được coi là tích của nhân tố chuyên sâu và sự thay đổi trong nhân tố mở rộng.

6. Tất cả các loại công tác, trừ công tác mở rộng, đều được gọi là có ích công việc (dA'). dА = рdV + dА’ (2.5)

7. Bằng cách tương tự, chúng ta có thể giới thiệu khái niệm hóa học làm việc khi nó di chuyển có hướng k hóa chất, nk là một thuộc tính mở rộng, trong khi tham số chuyên sâu tôi kđược gọi là tiềm năng hóa học k chất thứ

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

Giới thiệu. môn kỹ thuật nhiệt. Các khái niệm và định nghĩa cơ bản. Hệ thống nhiệt động lực học. Tùy chọn trạng thái. Nhiệt độ. Sức ép. khối lượng riêng. Phương trình trạng thái. Phương trình Van der Waals .

Tỷ lệ giữa các đơn vị:

1 vạch = 10 5 Pa

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

1mmHg st (milimet thủy ngân) = 133 Pa

1 mm wc Mỹ thuật. (milimet cột nước) = 9.8067 Pa

Tỉ trọng - tỷ lệ khối lượng của một chất với thể tích mà nó chiếm.

khối lượng riêng - đối ứng của mật độ, tức là tỷ lệ thể tích chiếm bởi một chất so với khối lượng của nó.

Sự định nghĩa: Nếu ít nhất một trong các tham số của bất kỳ cơ thể nào đi vào hệ thống thay đổi trong hệ thống nhiệt động lực học, thì quá trình nhiệt động .

Các thông số nhiệt động cơ bản của trạng thái P, V, T thể đồng nhất phụ thuộc vào nhau và liên hệ với nhau theo phương trình trạng thái:

F(P, V, T)

Đối với khí lý tưởng, phương trình trạng thái được viết là:

P- sức ép

v- khối lượng cụ thể

t- nhiệt độ

r- hằng số khí (mỗi khí có giá trị riêng)

Nếu phương trình trạng thái đã biết, thì để xác định trạng thái của các hệ đơn giản nhất, chỉ cần biết hai biến độc lập từ 3

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

Các quá trình nhiệt động thường được mô tả trên đồ thị trạng thái, trong đó các tham số trạng thái được vẽ dọc theo các trục. Các điểm trên mặt phẳng của đồ thị như vậy tương ứng với một trạng thái nhất định của hệ thống, các đường trên đồ thị tương ứng với các quá trình nhiệt động chuyển hệ thống từ trạng thái này sang trạng thái khác.

Xét một hệ nhiệt động bao gồm một khối khí nào đó trong bình có pít-tông, bình và pít-tông trong trường hợp này là môi trường bên ngoài.

Cho ví dụ khí trong bình nóng lên thì có thể xảy ra hai trường hợp:

1) Nếu pít-tông cố định và thể tích không thay đổi thì áp suất trong bình sẽ tăng. Một quá trình như vậy được gọi là đẳng sắc(v = const) chuyển động với thể tích không đổi;

Cơm. 1.1. quá trình đẳng trương trong P-T tọa độ: v1 >v2 >v3

2) Nếu pít-tông tự do thì khí bị đốt nóng sẽ nở ra, ở áp suất không đổi, quá trình này gọi là đường đẳng áp (P= const), đi với áp suất không đổi.

Cơm. 1.2 Quá trình đẳng áp trong v - T tọa độ: P1>P2>P3

Nếu bằng cách di chuyển pít-tông, bạn thay đổi thể tích khí trong bình, thì nhiệt độ của khí cũng sẽ thay đổi, tuy nhiên, bằng cách làm mát bình trong quá trình nén khí và đốt nóng trong quá trình giãn nở, bạn có thể đạt được nhiệt độ đó không đổi khi thay đổi thể tích và áp suất, quá trình đó được gọi là đẳng nhiệt (t= hằng).

Cơm. 1.3 Quá trình đẳng nhiệt trong p-v tọa độ: T 1 >T 2 >T 3

Quá trình không có sự trao đổi nhiệt giữa hệ và môi trường gọi là đoạn nhiệt, trong khi lượng nhiệt trong hệ thống không đổi ( Hỏi= hằng). Trong thực tế, các quá trình đoạn nhiệt không tồn tại, vì không thể cách ly hoàn toàn hệ thống khỏi môi trường. Tuy nhiên, các quá trình thường xảy ra trong đó sự trao đổi nhiệt với môi trường rất nhỏ, ví dụ, quá trình nén khí nhanh chóng trong bình bằng pít-tông, khi nhiệt không có thời gian để loại bỏ do làm nóng pít-tông và bình.

Cơm. 1.4 Đồ thị gần đúng của quá trình đoạn nhiệt trong p-v tọa độ.

Định nghĩa: Quy trình tuần hoàn (Chu kỳ) - là một tập hợp các quy trình đưa hệ thống trở lại trạng thái ban đầu. Số lượng các quy trình riêng biệt có thể là bất kỳ số nào trong một chu kỳ.

Khái niệm về quá trình tuần hoàn là chìa khóa đối với chúng ta trong nhiệt động lực học, vì hoạt động của nhà máy điện hạt nhân dựa trên chu trình hơi nước, nói cách khác, chúng ta có thể xem xét sự bay hơi của nước trong lõi, vòng quay của tuabin. rôto bằng hơi nước, sự ngưng tụ của hơi nước và dòng nước chảy vào lõi như một loại quá trình hoặc chu trình nhiệt động khép kín.

Định nghĩa: Cơ quan làm việc - một lượng chất nhất định, tham gia vào chu trình nhiệt động, thực hiện công có ích. Chất lỏng hoạt động trong nhà máy lò phản ứng RBMK là nước, sau khi bay hơi trong lõi ở dạng hơi nước, sẽ hoạt động trong tuabin, làm quay rôto.

Sự định nghĩa: Sự truyền năng lượng trong một quá trình nhiệt động từ vật thể này sang vật thể khác, liên quan đến sự thay đổi thể tích của chất lỏng làm việc, với sự chuyển động của nó trong không gian bên ngoài hoặc với sự thay đổi vị trí của nó được gọi là quá trình làm việc .

hệ thống nhiệt động lực học

Nhiệt động lực học kỹ thuật (t/d) xem xét các quy luật chuyển hóa lẫn nhau của nhiệt thành công. Nó thiết lập mối quan hệ giữa các quá trình nhiệt, cơ học và hóa học xảy ra trong các máy nhiệt và điện lạnh, nghiên cứu các quá trình xảy ra trong khí và hơi, cũng như tính chất của các vật thể này trong các điều kiện vật lý khác nhau.

Nhiệt động lực học dựa trên hai định luật cơ bản (khởi đầu) của nhiệt động lực học:

I định luật nhiệt động lực học- định luật biến đổi và bảo toàn năng lượng;

Định luật II nhiệt động lực học- thiết lập các điều kiện cho dòng chảy và hướng của các quá trình vĩ mô trong các hệ thống bao gồm một số lượng lớn các hạt.

Kỹ thuật t/d, áp dụng các định luật cơ bản cho các quá trình biến nhiệt thành công cơ học và ngược lại, giúp phát triển các lý thuyết về động cơ nhiệt, nghiên cứu các quá trình xảy ra trong chúng, v.v.

đối tượng của nghiên cứu là hệ thống nhiệt động lực học, mà có thể là một nhóm cơ thể, một cơ thể hoặc một phần của cơ thể. Những gì bên ngoài hệ thống được gọi là môi trường. Hệ thống T/D là một tập hợp các vật thể vĩ mô trao đổi năng lượng với nhau và với môi trường. Ví dụ: hệ thống t / d - khí nằm trong xi lanh có pít-tông và môi trường - xi lanh, pít-tông, không khí, tường của căn phòng.

hệ thống cô lập - t/d hệ không tương tác với môi trường.

Hệ thống đoạn nhiệt (cách nhiệt) - hệ thống có lớp vỏ đoạn nhiệt, loại trừ trao đổi nhiệt (trao đổi nhiệt) với môi trường.

hệ thống đồng nhất - một hệ thống có cùng thành phần và tính chất vật lý trong tất cả các bộ phận của nó.

hệ thống đồng nhất - một hệ thống đồng nhất về thành phần và cấu trúc vật lý, bên trong không có giao diện (băng, nước, khí).

hệ thống không đồng nhất - một hệ thống bao gồm một số phần (pha) đồng nhất với các tính chất vật lý khác nhau, được ngăn cách với nhau bằng các giao diện nhìn thấy được (nước đá và nước, nước và hơi nước).
Trong động cơ nhiệt (động cơ), công cơ học được thực hiện với sự trợ giúp của chất lỏng làm việc - khí, hơi nước.

Các tính chất của mỗi hệ thống được đặc trưng bởi một số đại lượng, thường được gọi là các tham số nhiệt động lực học. Chúng ta hãy xem xét một số trong số chúng, sử dụng các khái niệm động học phân tử được biết đến từ quá trình vật lý về một loại khí lý tưởng là một tập hợp các phân tử có kích thước nhỏ biến mất, chuyển động nhiệt ngẫu nhiên và chỉ tương tác với nhau khi va chạm.

Áp suất là do sự tương tác của các phân tử của chất lỏng làm việc với bề mặt và bằng số với lực tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt của cơ thể dọc theo bình thường đến sau. Theo thuyết động học phân tử, áp suất của chất khí được xác định bởi hệ thức

Ở đâu N là số phân tử trên một đơn vị thể tích;

t là khối lượng của phân tử; kể từ 2 là vận tốc trung bình bình phương gốc của chuyển động tịnh tiến của các phân tử.

Trong Hệ đơn vị quốc tế (SI), áp suất được biểu thị bằng pascal (1 Pa = 1 N/m2). Vì đơn vị này nhỏ nên sẽ thuận tiện hơn khi sử dụng 1 kPa = 1000 Pa và 1 MPa = 10 6 Pa.

Áp suất được đo bằng đồng hồ đo áp suất, phong vũ biểu và đồng hồ đo chân không.

Đồng hồ đo áp suất chất lỏng và lò xo đo áp suất đo, đó là sự khác biệt giữa áp suất tổng hoặc áp suất tuyệt đối. rđo áp suất trung bình và khí quyển

P atm, tức là

Các thiết bị đo áp suất dưới khí quyển được gọi là máy đo chân không; bài đọc của họ đưa ra giá trị của chân không (hoặc chân không):

tức là, sự vượt quá áp suất khí quyển so với áp suất tuyệt đối.

Lưu ý rằng tham số trạng thái là áp suất tuyệt đối. Đây là những gì đi vào các phương trình nhiệt động lực học.

nhiệt độgọi là đại lượng vật lýđặc trưng cho mức độ nóng lên của cơ thể. Khái niệm nhiệt độ xuất phát từ phát biểu sau: nếu hai hệ tiếp xúc nhiệt với nhau thì nếu nhiệt độ của chúng không bằng nhau thì sẽ trao đổi nhiệt cho nhau, còn nếu nhiệt độ của chúng bằng nhau thì không có sự trao đổi nhiệt.

Theo quan điểm của các khái niệm động học phân tử, nhiệt độ là số đo cường độ chuyển động nhiệt của các phân tử. Giá trị số của nó có liên quan đến giá trị của động năng trung bình của các phân tử của chất:

ở đâu k hằng số Boltzmann có bằng 1.380662.10 không? 23J/K. Nhiệt độ T được xác định theo cách này được gọi là tuyệt đối.

Trong hệ SI, đơn vị của nhiệt độ là kelvin (K); trong thực tế, độ C (° C) được sử dụng rộng rãi. Tỷ lệ giữa giá trị tuyệt đối t và bách phân Tôi nhiệt độ có dạng

Trong điều kiện công nghiệp và phòng thí nghiệm, nhiệt độ được đo bằng nhiệt kế chất lỏng, hỏa kế, cặp nhiệt điện và các dụng cụ khác.

khối lượng riêng v— là thể tích trên một đơn vị khối lượng của một chất. Nếu một vật có khối lượng đồng nhất m chiếm khối lượng v, sau đó theo định nghĩa

v= V/M.

Trong hệ SI, đơn vị khối lượng riêng là 1 m 3 /kg. Có một mối quan hệ rõ ràng giữa thể tích riêng của một chất và mật độ của nó:

Để so sánh các đại lượng đặc trưng cho các hệ thống ở cùng trạng thái, khái niệm “điều kiện vật lý bình thường” được đưa ra:

P= 760 mmHg = 101,325 kPa; t= 273,15 k.

Trong các ngành công nghệ khác nhau và các quốc gia khác nhau, họ giới thiệu công nghệ của riêng mình, hơi khác so với "điều kiện bình thường" ở trên, ví dụ: "kỹ thuật" ( P= 735,6 mmHg = 98 kPa, t= 15?C) hoặc điều kiện bình thường để đánh giá hiệu suất của máy nén ( P= 101,325 kPa, t\u003d 20?C), v.v.

Nếu tất cả các thông số nhiệt động không đổi theo thời gian và như nhau tại mọi điểm của hệ thì trạng thái này của hệ được gọi là lò xo cân bằng.

Nếu có sự khác biệt về nhiệt độ, áp suất và các thông số khác giữa các điểm khác nhau trong hệ thống, thì đó là sự không cân bằng. Trong một hệ thống như vậy, dưới ảnh hưởng của độ dốc của các tham số, các dòng nhiệt, chất và các chất khác phát sinh, có xu hướng đưa nó trở lại trạng thái cân bằng. Kinh nghiệm cho thấy rằng một hệ cô lập luôn tiến tới trạng thái cân bằng theo thời gian và không bao giờ có thể tự phát ra khỏi trạng thái đó. Trong nhiệt động lực học cổ điển, chỉ các hệ thống cân bằng được xem xét.

Phương trình trạng thái.Đối với một hệ nhiệt động cân bằng, có một mối quan hệ chức năng giữa các tham số trạng thái, được gọi là phương trình trạng thái. Kinh nghiệm cho thấy rằng thể tích riêng, nhiệt độ và áp suất của các hệ đơn giản nhất, là chất khí, hơi hoặc chất lỏng, có liên quan với nhau. phương trình nhiệt trạng thái xem:

Phương trình trạng thái có thể được đưa ra dưới dạng khác:

Các phương trình này cho thấy rằng trong ba tham số chính xác định trạng thái của hệ thống, hai tham số bất kỳ là độc lập.

Để giải các bài toán bằng phương pháp nhiệt động học nhất thiết phải biết phương trình trạng thái. Tuy nhiên, nó không thể thu được trong khuôn khổ của nhiệt động lực học và phải được tìm ra bằng thực nghiệm hoặc bằng các phương pháp vật lý thống kê. Dạng cụ thể của phương trình trạng thái phụ thuộc vào các tính chất riêng lẻ của chất.

Nhiệt động lực học là một môn khoa học nghiên cứu các mô hình chung của dòng các quá trình kèm theo sự giải phóng, hấp thụ và chuyển hóa năng lượng. Nhiệt động hóa học nghiên cứu sự biến đổi lẫn nhau của năng lượng hóa học và các dạng khác của nó - nhiệt, ánh sáng, điện, v.v., thiết lập các định luật định lượng của các chuyển đổi này, đồng thời giúp dự đoán tính ổn định của các chất trong các điều kiện nhất định và khả năng xâm nhập của chúng. thành một số phản ứng hóa học. Đối tượng xét nhiệt động học gọi là hệ nhiệt động hay đơn giản là hệ.

Hệ thống- bất kỳ đối tượng tự nhiên nào, bao gồm một số lượng lớn các phân tử (đơn vị cấu trúc) và được ngăn cách với các đối tượng tự nhiên khác bằng một bề mặt ranh giới thực hoặc ảo (giao diện).

Trạng thái của hệ thống là một tập hợp các thuộc tính của hệ thống cho phép xác định hệ thống theo quan điểm của nhiệt động lực học.

Các loại hệ nhiệt động:

TÔI. Theo bản chất của sự trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường:

1. Hệ cô lập - không trao đổi vật chất hay năng lượng với môi trường (Δm = 0; ΔE = 0) - phích nước.

2. Hệ kín - không trao đổi vật chất với môi trường, nhưng có thể trao đổi năng lượng (bình kín với thuốc thử).

3. Hệ mở - có thể trao đổi với môi trường cả vật chất và năng lượng (cơ thể người).

II. Theo trạng thái tổng hợp:

1. Đồng nhất - không có sự thay đổi đột ngột về tính chất vật lý và hóa học trong quá trình chuyển đổi từ khu vực này của hệ thống sang khu vực khác (chúng bao gồm một pha).

2. Không đồng nhất - hai hoặc nhiều hệ thống đồng nhất trong một (bao gồm hai hoặc nhiều pha).

Giai đoạn- Đây là một bộ phận của hệ thống, đồng nhất ở mọi điểm về thành phần, tính chất và được ngăn cách với các bộ phận khác của hệ thống bằng giao diện. Một ví dụ về một hệ thống đồng nhất là một dung dịch nước. Nhưng nếu dung dịch bão hòa và có các tinh thể muối ở đáy bình thì hệ đang xét không đồng nhất (có ranh giới pha). Nước bình thường là một ví dụ khác của một hệ thống đồng nhất, nhưng nước có băng trôi nổi trong nó là một hệ thống không đồng nhất.

giai đoạn chuyển tiếp- chuyển pha (nước đá tan, nước sôi).

quá trình nhiệt động- sự chuyển đổi của một hệ thống nhiệt động từ trạng thái này sang trạng thái khác, luôn liên quan đến sự vi phạm trạng thái cân bằng của hệ thống.

Phân loại các quá trình nhiệt động:

7. Đẳng nhiệt - hằng nhiệt - T = const

8. Đẳng áp - áp suất không đổi - p = const

9. Đẳng tích - thể tích không đổi - V = const

điều kiện tiêu chuẩn là trạng thái của hệ thống được chọn có điều kiện làm tiêu chuẩn để so sánh.

Vì pha khí- đây là trạng thái của một chất tinh khiết về mặt hóa học ở pha khí dưới áp suất tiêu chuẩn 100 kPa (trước năm 1982 - 1 khí quyển tiêu chuẩn, 101.325 Pa, 760 mmHg), ngụ ý sự hiện diện của các tính chất của khí lý tưởng.

Vì pha tinh khiết, hỗn hợp hoặc dung môi ở trạng thái kết tụ lỏng hoặc rắn - đây là trạng thái của một chất tinh khiết về mặt hóa học ở pha lỏng hoặc rắn dưới áp suất tiêu chuẩn.

Vì giải pháp- là trạng thái của chất tan có nồng độ mol tiêu chuẩn là 1 mol/kg, ở áp suất tiêu chuẩn hoặc nồng độ tiêu chuẩn, dựa trên điều kiện là dung dịch được pha loãng không hạn chế.

Vì chất tinh khiết về mặt hóa học là một chất ở trạng thái tổng hợp được xác định rõ dưới một áp suất tiêu chuẩn được xác định rõ, nhưng tùy ý.

Trong định nghĩa của trạng thái tiêu chuẩn không bao gồm nhiệt độ tiêu chuẩn, mặc dù họ thường nói về nhiệt độ tiêu chuẩn là 25 ° C (298,15 K).

2.2. Các khái niệm cơ bản của nhiệt động lực học: nội năng, công, nhiệt

nội năng U- tổng năng lượng dự trữ, bao gồm chuyển động của các phân tử, chuyển động của liên kết, chuyển động của electron, hạt nhân, v.v., tức là tất cả các loại năng lượng trừ động năng và thế năng các hệ thống nói chung.

Không thể xác định giá trị năng lượng bên trong của bất kỳ hệ thống nào, nhưng có thể xác định sự thay đổi năng lượng bên trong ΔU xảy ra trong một quá trình cụ thể trong quá trình chuyển đổi của hệ thống từ trạng thái này (với năng lượng U 1) sang trạng thái khác (có năng lượng U 2):

ΔU phụ thuộc vào loại và lượng chất đang được xem xét và các điều kiện tồn tại của nó.

Tổng năng lượng bên trong của các sản phẩm phản ứng khác với tổng năng lượng bên trong của nguyên liệu ban đầu, bởi vì trong quá trình phản ứng, lớp vỏ electron của các nguyên tử của các phân tử tương tác được sắp xếp lại.