Что такое термодинамическая система

Термодинамическая система

Термодинамическая система — это некая физическая система, состоящая из большого количества частиц, способная обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Также обычно полагается, что такая система подчиняется статистическим закономерностям. Для термодинамических систем справедливы законы термодинамики.

Описание

Для описания термодинамической системы вводят так называемые термодинамические величины — набор физических величин, значения которых определяют термодинамическое состояние системы. Примерами термодинамических величин являются:

Если термодинамическое состояние системы не меняется со временем, то говорят, что система находится в состоянии равновесия. Строго говоря, термодинамические величины, приведённые выше, могут быть определены только в состоянии термодинамического равновесия.

Классификация

Термодинамические системы подразделяются на однородные по составу (например, газ в сосуде) и неоднородные (вода и пар или смесь газов в сосуде).

Выделяют также изолированные системы, то есть системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом, и закрытые системы, которые обмениваются со средой только энергией, но не обмениваются веществом. Если же в системе происходят обменные процессы с окружающей средой, то её называют открытой.

  • Дополнить статью (статья слишком короткая либо содержит лишь словарное определение).
  • Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.
  • Динамические системы
  • Термодинамика

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Термодинамическая система» в других словарях:

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА — совокупность макроскопич. тел, к рые могут взаимодействовать между собой и с др. телами (внеш. средой) обмениваться с ними энергией и в вом. Т. с. состоит из столь большого числа структурных ч ц (атомов, молекул), что её состояние можно… … Физическая энциклопедия

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА — макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек (они могут быть также и мысленными, условными) и характеризующееся макроскопическими параметрами: объемом, температурой, давлением и др. Для этого… … Большой Энциклопедический словарь

термодинамическая система — термодинамическая система; система Совокупность тел, могущих энергетически взаимодействовать между собой и с другими телами и обмениваться с ними веществом … Политехнический терминологический толковый словарь

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА — совокупность физ. тел, которые могут обмениваться между собой и с др. телами (внешней средой) энергией и веществом. Т. с. является любая система, состоящая из очень большого числа молекул, атомов, электронов и др. частиц, имеющих множество… … Большая политехническая энциклопедия

термодинамическая система — Тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 103. Термодинамика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1984 г … Справочник технического переводчика

термодинамическая система — – произвольно выбранная часть пространства, содержащая одно или несколько веществ и отделенная от внешней среды реальной или условной оболочкой. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] … Химические термины

термодинамическая система — [thermodynamic system] макроскопическое тело, отделенное от окружающей среды реальными или воображаемыми границами, которое можно охарактеризовать термодинамическими параметрами: объемом, температурой, давлением и др. Различают изолированные,… … Энциклопедический словарь по металлургии

термодинамическая система — макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек (они могут быть также и мысленными, условными), которое можно характеризовать макроскопическими параметрами: объёмом, температурой, давлением и др. Для… … Энциклопедический словарь

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

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

Термодинамическая система: свойства, типы, примеры

А термодинамическая система или рабочее вещество — это часть Вселенной, выбранная для изучения термодинамикой. Это очень широкое определение, потому что термодинамическая система может быть огромной, как галактика, или небольшим количеством газа, содержащимся в цилиндре.

Все, что окружает термодинамическую систему, включая массу и пространство, является ее средой или средой. Речь идет не об остальной Вселенной, а только об окружающей среде, способной воздействовать на систему.

В термодинамической системе возможен обмен массой или энергией между системой и окружающей средой, в зависимости от типа системы — среды, в которой находятся наблюдатели, изучающие ее.

При анализе термодинамической системы важно установитьграницы (границы или стены), которые могут быть фиксированными или мобильными. Стеклянная или металлическая банка имеет неподвижные стенки, но поршень или поршень имеют подвижные стенки.

Таким образом, граница может быть реальной или воображаемой поверхностью, но в идеале она имеет нулевую толщину, некоторую жесткость и другие характеристики, которые описываются математически.

Воображаемые границы необходимы при изучении систем, которые сами являются частью гораздо более крупных систем, таких как звезда в туманности.

Теплообмен между системой и ее окружением, если таковой имеется, является первоочередной задачей термодинамики. Поэтому стены, допускающие обмен, получили особое название: адиабатические, а те, которые не позволяют его и изолируют систему, — диатермические.

Типы термодинамических систем

Существуют различные типы термодинамических систем, которые классифицируются в зависимости от их способности обмениваться веществом и энергией с окружающей средой, таким образом, мы имеем:

Открытые системы

Допускается обмен вещества и энергии с внешним миром, по этой причине их также называют контрольный объем.

Таким образом моделируются многие инженерные системы, например, домашние водонагреватели и автомобильные радиаторы.

Закрытые системы

Они также известны как контрольная масса и характеризуются отсутствием обмена веществом с окружающей средой. Следовательно, его масса фиксирована, однако энергия может выходить за его пределы, будь то тепло или работа. Таким образом, объем системы может изменяться.

Изолированные системы

Это закрытые системы, в которых предотвращается обмен тепла, работы или любой формы энергии с окружающей средой.

Однородные системы и гетерогенные системы

Описанные системы были классифицированы по их способности обмениваться данными с окружающей средой, но это не единственный критерий. Термодинамические системы также могут быть однородными и неоднородными.

Чистые вещества являются хорошими примерами однородных систем, таких как поваренная соль, хранящаяся в солонке. Напротив, комбинация жидкой воды и водяного пара представляет собой неоднородную систему, так как это два разных состояния, свойства которых различаются.

Примеры термодинамических систем

Как мы видели, термодинамические системы варьируются от самых простых до самых сложных. Однако при их изучении удобно их тщательно определить и попытаться найти все способы упростить анализ.

Давайте посмотрим на несколько примеров реальных систем, которые сопровождают нас в повседневной жизни:

Контейнер погружен в воду

Это очень простая и наглядная термодинамическая система, а также хороший способ приготовления пищи. Содержимое контейнера, будь то яйца, смесь для пирога или другого приготовления, является термодинамической системой, в то время как водяная баня представляет собой среду или среду.

По мере нагрева воды тепло поступает в систему через границу емкости.

Скорость приготовления пищи зависит от нескольких факторов, одним из которых является материал сковороды: керамический или металлический. Мы знаем, что металл является хорошим проводником тепла, поэтому мы ожидаем, что его содержимое быстро нагреется, если используется стальная или алюминиевая кастрюля.

Вместо нагрева системы вы можете охладиться, например, нагреть бутылочку с детским молоком, которая была перегрета. В этом случае система передает тепло водяной бане.

Готовим на сковороде без крышки

Кухня — отличное место для изучения термодинамических процессов. Соус, курица или другая еда, тушенная на открытой сковороде, является примером открытой системы, поскольку разрешены все виды обмена с окружающей средой: добавление приправ, других ингредиентов и изменение добавляемого тепла.

Читайте также  Холодильники индезит кто производитель

Двигатель внутреннего сгорания

В двигателях внутреннего сгорания автомобилей, мотоциклов, самолетов и лодок имеется смесь газа (воздуха) и топлива, которая подготавливается в карбюраторе и подается в цилиндр, где под действием сгорания становится смесью газов. разные.

Поскольку состав смеси меняется в течение рабочего цикла, это сложная и гетерогенная термодинамическая система.

Кофе или чай в термосе

В термосе кофе или чай дольше остаются горячими. Это контейнер с изолирующими стенками, специально предназначенный для того, чтобы наша система — горячий напиток — не отдавала тепло окружающей среде и не охлаждала.

Фактически термос — это два контейнера, между которыми создается частичный вакуум, чтобы избежать присутствия такой среды, как воздух, которая помогает проводить тепло изнутри наружу контейнера.

Конечно, термос работает и в обратном направлении, он дольше сохраняет напитки холодными.

Яйца

Яйца, которые мы потребляем в пищу, являются прекрасным примером закрытых термодинамических систем, но они позволяют обмениваться энергией с окружающей средой. Яичная скорлупа позволяет теплу курицы вылупиться из зародыша, а также пропускать газы.

Клетки

Клетка является основной единицей живых существ и представляет собой удивительно эффективную термодинамическую систему. В более широком смысле, любое живое существо также можно рассматривать как сложную термодинамическую систему.

Клеточная мембрана, выстилающая внутренние структуры, такие как ядро ​​и митохондрии, является границей между системой и окружающей средой. Это обеспечивает обмен энергией, поступление питательных веществ извне и выход отходов.

Консервы

Консервы — типичные примеры закрытых термодинамических систем.

Нагреватель воды

Вода внутри нагревателя представляет собой открытую термодинамическую систему, поскольку необходимо, чтобы тепло достигло воды, обычно за счет электрического сопротивления, которое нагревается, если нагреватель электрический, или за счет солнечной энергии или пламени, исходящего от зажигалки. к газу.

Термодинамическая система

Термодинами́ческая систе́ма — физическое тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом [1] ; выделяемая (реально или мысленно) для изучения макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц и не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц [2] , «часть Вселенной, которую мы выделяем для исследования» [3] . Единицей измерения числа частиц в термодинамической системе обычно служит число Авогадро [4] (примерно 6·10 23 частиц на моль вещества), дающее представление, о величинах какого порядка идёт речь. Ограничения на природу материальных частиц, образующих термодинамическую систему, не накладываются: это могут быть атомы, молекулы, электроны, ионы, фотоны и т. д. [5] [6] . Любой земной объект, видимый невооружённым глазом или с помощью оптических приборов (микроскопы, зрительные трубы и т. п.), можно отнести к термодинамическим системам: «Термодинамика занимается изучением макроскопических систем, пространственные размеры которых и время существования достаточны для проведения нормальных процессов измерения» [5] . Условно к макроскопическим системам относят объекты с размерами от 10 −7 м (100 нм) до 10 12 м [7] .

Условность нижней границы связана, помимо прочего, с тем, что для термодинамики важен не размер объекта, а число образующих его частиц. Куб идеального газа с ребром 100 нм при нормальных условиях содержит около 27 000 частиц (см. Постоянная Лошмидта).

Рабочее тело [K 1] , представление о котором используют в технической термодинамике, есть пример термодинамической системы.

Абсолютно твёрдое тело с термодинамической точки зрения представляет собой одну-единственную частицу и по этой причине вне зависимости от своих размеров к термодинамическим системам не относится [9] .

Галактические и метагалактические системы термодинамическими не являются [10] .

Любую часть термодинамической системы называют подсистемой.

Для описания термодинамической системы используются макроскопические параметры, характеризующие не свойства составляющих её частиц, а свойства самой системы: температуру, давление, объём, магнитную индукцию, электрическую поляризацию, массу и химический состав компонентов и др. [11] [12] .

Каждая термодинамическая система имеет границы, реальные или условные, отделяющие её от окружающей среды [13] , под которой подразумевают все тела, не включённые в термодинамическую систему [14] . Иногда вместо окружающей среды говорят о термостате [5] , т. е. среде с настолько большой теплоёмкостью, что её температура при теплообмене с изучаемой системой не меняется [15] [16] [17] . По умолчанию предполагается, что окружающая среда достаточно велика и поэтому её параметры не зависят от протекающих в рассматриваемой системе процессов. Кроме того, обычно подразумевается, что окружающая среда находится в состоянии термодинамического равновесия и её характеристики не зависят от времени и пространственных координат.

Важно, что в состав термодинамической системы включают все частицы, имеющиеся в выделяемой для изучения области пространства. Дело в том, что в термодинамике иногда мысленно разбивают реальную физическую систему на самостоятельные подсистемы объектов с особыми свойствами, и один и тот же объём рассматривают как занимаемый одновременно двумя и более виртуальными квазинезависимыми (слабо взаимодействующими друг с другом) парциальными подсистемами частиц разной природы (например, газовую смесь характеризуют парциальными давлениями составляющих её газов [18] ; в газовой плазме одновременно присутствуют ионы и свободные электроны со своими существенно отличными парциальными температурами — ионной и электронной [19] [20] ; в кристалле выделяют подсистемы фононов и магнонов; подсистему ядерных спинов парамагнетика характеризуют собственной парциальной спиновой температурой [21] , способной принимать отрицательные значения по шкале Кельвина [22] [23] [24] ). Данный формальный приём позволяет вводить для рассматриваемой подсистемы частиц парциальные характеристики, не обязательно имеющие прямое отношение к физической системе как единому целому (см., например, Отрицательная абсолютная температура).

Системы в термодинамике

Термодинамическая система — совокупность и постоянство макроскопических физических тел, которые всегда взаимодействуют между собой и с другими элементами, обмениваясь с ними энергией.

Под системой в термодинамике ими принято понимать макроскопические физические формы, которые состоят из огромного количества частиц, не предполагающие применение макроскопических показателей для описания каждой отдельного элемента. Нет определенных ограничений в природе материальных тел, являющиеся составными компонентами таких концепций. Они могут быть представлены в виде атомов, молекул, электронов, ионов и фотонов

Термодинамические системы бывают трех основных видов:

  • изолированные – обмен с веществом или энергией с окружающей средой не выполняется;
  • закрытые — тело не взаимосвязано с окружающей средой;
  • открытые — есть и энерго- и массообмен с внешним пространством.

Энергию любой термодинамической системы можно разделить на зависящую от положения и движения системы энергию, а также энергию, которая определяется движением и взаимодействием микрочастиц, образующих концепцию. Вторую часть называют в физике внутренней энергией системы.

Особенности термодинамических систем

Рисунок 1. Типы термодинамических систем. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В качестве отличительных характеристик систем в термодинамике можно привести любой предмет, наблюдаемый без использования микроскопов и телескопов.

Чтобы предоставить полноценное описание такой концепции, необходимо подобрать макроскопические детали, посредством которых возможно точно определить давление, объем, температуру, величину магнитной индукции, электрическую поляризацию, химический состав, массу движущихся компонентов.

Готовые работы на аналогичную тему

Для любых термодинамических систем есть условные, либо реальные пределы, отделяющие их от окружающей среды. Вместо них часто рассматривают понятие термостата, которое характеризуется таким высоким показателем теплоемкости, что в случае теплообмена с анализируемой концепцией температурный параметр сохраняет неизменное значение.

В зависимости от общего характера взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой, принято выделять:

  • изолированные виды, которые не обмениваются ни веществом, ни энергией с внешней средой;
  • адиабатически изолированные- системы, не совершающие обмена с внешней средой веществом, но вступающие в обмен энергией;
  • закрытые системы- те, у которых нет обмена с веществом, допускается только незначительное изменение величины внутренней энергии;
  • открытые системы — те что характеризуются полноценной передачей энергии, вещества;
  • частично открытые – обладают полупроницаемыми перегородками, поэтому не в полной мере участвуют в материальном обмене.
Читайте также  Холодильник веко как настроить температуру

В зависимости от формулировки, значения термодинамической концепции, могут подразделяться на простые и сложные варианты.

Внутренняя энергия систем в термодинамике

Рисунок 2. Внутренняя энергия термодинамической системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

К основным термодинамическим показателям, которые непосредственно зависят от массы системы, относят внутреннюю энергию.

Она включает в себя кинетическую энергию, обусловленную движением элементарных частиц вещества, а также потенциальную энергию, появляющуюся во время взаимодействия молекул между собой. Этот параметр всегда является однозначным. То есть значение и реализация внутренней энергии постоянны всякий раз, как концепция оказывается в нужном состоянии, независимо от того, каким методом это положение было достигнуто.

В системах, химический состав которых в процессе энергетических преобразований остается неизменным, при определении внутренней энергии важно учитывать только энергию теплового движения материальных частиц.

Хорошим примером такой системы в термодинамике является идеальный газ. Свободная энергия есть определенная работа, которую могло бы совершить физическое тело в изотермическом обратимом процессе, или свободная энергия представляет собой максимально возможной функционал, который может совершить концепция, обладая существенным запасом внутренней энергии. Внутренняя энергия системы приравнивается сумме связанное и свободной напряженности.

Связанная энергия – это та часть внутренней энергии, которая не способна самостоятельно превратиться в работу, – это обесцененный элемент внутренней энергии.

При одной и той же температуре указанный параметр увеличивается с ростом энтропия. Таким образом, энтропия термодинамической системы есть мера обеспеченности ее начальной энергии. В термодинамике есть еще определение – энергетическая потеря в стабильной изолированной системе

Обратимый процесс является термодинамическим процессом, который может быстро проходить как в обратном, так и в прямом направлении, проходя через одинаковые промежуточные положения, причем концепция в итоге возвращается в исходное состояние без затрат внутренней энергии, и в окружающем пространстве не остается макроскопических изменений.

Обратимые процессы дают максимальную работу. Самый лучший результат работы от системы на практике получить невозможно. Это придает обратимым явлениям теоретическую значимость, которая протекает бесконечно медленно, и можно только на небольшие расстояния приблизиться к нему.

Необратимым в науке называется процесс, который нельзя осуществить в противоположную сторону через все те же промежуточные состояния.

Все реальные явления в любом случае необратимы. Примеры таких эффектов: термодиффузия, диффузия, вязкое течение и теплопроводность. Переход кинетической и внутренней энергии макроскопического движения через постоянное трение в теплоту, то есть в саму систему, является необратимым процессом.

Переменные состояния систем

Рисунок 3. Переменные состояния. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Состояние любой термодинамической системы можно определить по текущему сочетанию ее характеристик или свойств. Все новые переменные, которые в полной мере определяются только в определенный момент времени и не зависят от того, как именно концепция пришла в это положение, называются термодинамическими параметрами состояния или основными функциями пространства.

Система в термодинамике считается стационарной, если переменные значения с течением времени остаются стабильными и не изменяются. Один из вариантов стационарного состояния — это термодинамическое равновесие. Любое, даже самое незначительное изменение в концепции, — уже физический процесс, поэтому в нем может быть от одного до нескольких переменных показателей состояния. Последовательность, в которой состояния системы систематически переходят друг в друга, носит название «путь процесса».

К сожалению, путаница с терминами и детальным описанием все еще существует, ибо одна и та же переменная в термодинамике может быть, как независимой, так и итогом сложения сразу нескольких функций системы. Поэтому такие термины, как «параметр состояния», «функция состояния», «переменная состояния» могут иногда рассматриваться в виде синонимов.

Основные понятия термодинамики

В термодинамике всего три основных закона, на которых строится данная наука. Термодинамика это фундаментальный предмет, который изучает процессы преобразования энергии. В законах термодинамики нет исключений, как, например, в химии. Для того, что бы работать с термодинамикой, необходимо изучить базовые понятия, которые используются для исследования всего, что нас окружает. Термодинамика используется для изучения некоторого объекта, первое что необходимо сделать — это определиться, что мы будем изучать.

Термодинамическая система

Итак, первое понятие, термодинамическая система — это объект изучения, часть пространства, ограниченная физически или воображаемой границей, которая будет подвергнута изучению. Если мы берёмся изучать обмен энергией в человеке, то весь человек — это термодинамическая система. Если мы изучаем обмен теплом с солнцем, то солнце — это термодинамическая система. Если мы изучаем обмен тепла между печкой и домом, то и печка и дом — это термодинамическая система.

Границы системы

Важно обозначить, где заканчивается система, граница термодинамической системы — это физический или воображаемый объект, например, если мы изучаем кофе в термокружке как термодинамическую систему, то кофе — это система, а внутренние стенки кружки и нижняя часть крышки — это границы системы. Также мы можем изучать участок трубы, по которой течёт жидкость: внутренняя поверхность трубы и определённые нами (воображаемые) границы участка будут являться границей термодинамической системы.

Окружающая среда

Всё, что находится за пределами границы системы — это окружающая среда. Подразумевается, что окружающая среда не изменяется в течение времени, т.е. все её параметры постоянны независимо от того, что происходит в системе (например, система может отдавать или принимать тепло от окружающей среды, что никак не влияет на среду).

Типы термодинамической системы

Открытая система

Открытой называется такая система, которая обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Это может быть, например, камера сгорания в двигателе или паровая турбина.

Закрытая система

В закрытой системе невозможно ни изменение массы вещества, ни обмен веществом с окружающей средой. Например, вакуумная упаковка — пока упаковка цела, масса продукта внутри постоянна (если, конечно, там не протекают сложные химические процессы, которые не имеют интерес в данной ситуации).

Адиабатическая система

Может быть открытой или закрытой, но в любом случае отсутствует обмен энергией в виде тепла.

Свойства термодинамической системы

Термодинамическая система описывается набором величин, которые не зависят от предыдущих состояний системы. Каждое состояние может быть описано термодинамическими величинами. Любая характеристика системы является интенсивной или аддитивной. Интенсивная характеристика (с латинского intensive — принадлежащий объекту) не зависит от размера системы, т.е. её величина одинакова для всей системы (или части системы) независимо от размеров, например температура или концентрация. Аддитивная характеристика (с латинского — возможность присоединяться) зависит от размера выбранного объекта и для всей системы будет являться суммой значений для всех её элементов, например, масса.

Удельный объем и плотность ν, ρ

Давление P

Давление различают абсолютное и манометрическое. Манометрическое — это давление избыточное по отношению к атмосферному (для вакуума манометрическое давление отрицательно). Абсолютное давление — это давление относительно полного вакуума.

Термодинамический обмен каким он бывает?

Термодинамические системы обмениваются энергией изменяя свои свойства. Различают следующие формы энергии: механическая, электрическая, магнитная, термическая, химическая и ядерная.

Обмен энергией происходит двумя способами: работа (макроскопический обмен) и тепло (микроскопический обмен). С помощью работы изменяется аддитивные параметры системы. Посредством тепла изменяется внутренняя энергия системы.

Термодинамическое равновесие

Мы говорим, что система находится в темродинамическом равновесии, когда результирующая взаимодействия любого вида энергии или вещества между системой и окружающей средой равна нулю.

Уравнение состояния идеального газа

Под идеальным газом подразумеваются следующие допущения: молекулы представляются в виде точек, соударения между ними абсолютно упруги (т.е. при столкновении не выделяется тепло) и отсутствует силы притяжения и отталкивания между молекулами. Такая модель пригодна только для теоретических расчётов и для реального газа значительно усложняется.

Читайте также  Где находится капиллярная трубка в холодильнике

Процессы в термодинамике

Для упрощения расчётов, в термодинамике используются идеализированные системы и типы процессов.

Квазистатический процесс

Такой процесс, в котором каждое последующее состояние системы является равновесным, называется квазистатическим. Это означает, что все изменения в системе происходят достаточно медленно для того, что бы не возникало переходных процессов. Представьте, что Вы завариваете кофе во френч-прессе: если Вы будете нажимать медленно на поршень, то кофе осядет вниз, если Вы попробуете резко с большой силой нажать на поршень то, во-первых, суммарно Вам потребуется больше энергии, а во-вторых, весь кофе выльется, из-за резкого повышения давления и несжимаемости жидкости. Квазистатический процесс — это процесс медленный, в котором все части системы находятся в одинаковом состоянии.

Обратимый и необратимый процессы

Обратимым называется такой процесс, который может происходить в направлении обратном нормальному развитию, восстанавливая произошедшие обмены энергией. Такой процесс является квазистатическим и не может быть реальным. В обратимом процессе не существует неравновесных сил между системой и окружающей средой. Необратимым процессом — называется любой реальный процесс.

Политропный процесс

Ещё одна модель идеальной системы, отвечающая уравнению «Pv n = cte» (при n=cte). Используется для таких систем, поведение которых похоже на поведение идеального газа. Такой процесс достаточно хорошо описывает поведение газа и результат близок к реальности.

Нередко рассматриваются частные случаи политропного процесса: изобарный (постоянное давление), изотермический (постоянная температура), адиабатный (отсутствует теплообмен с окружающей средой) и изохорный (постоянный объём).

Термодинамические системы. Термодинамические параметры и процессы

Термодинамическая система – совокупность макроскопических тел, которые могут взаимо-действовать между собой и с другими телами (внешней средой) – обмениваться с ними энергией и веществом. Обмен энергией и веществом может происходить как внутри самой системы между ее частями, так и между системой и внешней средой. В зависимости от возможных способов изоляции системы от внешней среды различают несколько видов термодинамических систем.

Открытой системой называется термодинамическая система, которая может обмениваться веществом и энергией с внешней средой. Типичными примерами таких систем могут служить все живые организмы, а также жидкость, масса которой непрерывно уменьшается вследствие испарения или кипения.

Термодинамическая система называется закрытой, если она не может обмениваться с внешней средой ни энергией, ни веществом. Замкнутой системой будем называть термодина-мическую систему, изолированную в механическом отношении, т.е. не способную к обмену энергией с внешней средой путем совершения работы. Примером такой системы может служить газ, заключенный в сосуд постоянного объема. Термодинамическая система называется адиабатной, если она не может обмениваться с другими системами энергией путем теплообмена.

Термодинамическими параметрами (параметрами состояния) называются физические величины, служащие для характеристики состояния термодинамической системы.

Примерами термодинамических параметров являются давление, объем, температура, концентрация. Различают два типа термодинамических параметров: экстенсивные и интенсивные. Первые пропорциональны количеству вещества в данной термодинамической системе, вторые не зависят от количества вещества в системе. Простейшим экстенсивным параметром является объем V системы. Величину v, равную отношению объема системы к ее массе, называют удельным объе-мом системы. Простейшими интенсивными параметрами являются давление р и температура Т.

Давлением называется физическая величина

,

где dFn– модуль нормальной силы, действующей на малый участок поверхности тела пло-
щадью dS.

Если давление и удельный объем имеют ясный и простой физический смысл, то гораздо более сложным и менее наглядным является понятие температуры. Заметим прежде всего, что понятие температуры, строго говоря, имеет смысл только для равновесных состояний системы.

Равновесное состояние термодинамической системы – состояние системы, при котором все параметры имеют определенные значения и в котором система может оставаться сколько угодно долго. Температура во всех частях термодинамической системы, находящейся в равно-весном состоянии, одинакова.

При теплообмене между двумя телами с различной температурой происходит передача теплоты от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Этот процесс прекра-щается, когда температуры обоих тел выравниваются.

Температура системы, находящейся в равновесном состоянии, служит мерой интенсивности теплового движения атомов, молекул и других частиц, образующих систему. В системе частиц, описываемых законами классической статистической физики и находящихся в равновесном состоянии, средняя кинетическая энергия теплового движения частиц прямо пропорциональна термодинамической температуре системы. Поэтому иногда говорят, что температура характе-ризует степень нагретости тела.

При измерении температуры, которое можно производить только косвенным путем, исполь-зуется зависимость от температуры целого ряда физических свойств тела, поддающихся прямому или косвенному измерению. Например, при изменении температуры тела изменяются его длина и объем, плотность, упругие свойства, электрическое сопротивление и т.д. Изменение любого из этих свойств является основой для измерений температуры. Для этого необходимо, чтобы для одного (выбранного) тела, называемого термометрическим телом, была известна функциональная зависимость данного свойства от температуры. Для практических измерений температуры применяются температурные шкалы, установленные с помощью термометрических тел. В Международной стоградусной температурной шкале температура выражается в градусах Цельсия (°С) [А. Цельсий (1701–1744) – шведский ученый] и обозначается t, причем принимается, что при нормальном давлении 1,01325 × 10 5 Па температуры плавления льда и кипения воды равны, соответственно, 0 и 100 °С. В термодинамической температурной шкале температура выражается в Кельвинах (К) [У. Томсон, лорд Кельвин (1821–1907) – английский физик], обозначается Т и называется термодинамической температурой. Связь между термодинамической температурой Т и температурой по стоградусной шкале имеет вид T = t + 273,15.

Температура T = 0 К (по стоградусной шкале t = –273,15 °С) называется абсолютным нулем температуры, или нулем по термодинамической шкале температур.

Параметры состояния системы разделяются на внешние и внутренние. Внешними парамет-рами системы называются физические величины, зависящие от положения в пространстве и различных свойств (например электрических зарядов) тел, которые являются внешними по отношению к данной системе. Например, для газа таким параметром является объем V сосуда,
в котором находится газ, ибо объем зависит от расположения внешних тел – стенок сосуда. Атмосферное давление является внешним параметром для жидкости в открытом сосуде. Внутренними параметрами системы называются физические величины, зависящие как от положения внешних по отношению к системе тел, так и от координат и скоростей частиц, образующих данную систему. Например, внутренними параметрами газа являются его давление и энергия, которые зависят от координат и скоростей движущихся молекул и от плотности газа.

Под термодинамическим процессом понимают всякое изменение состояния рассматривае-мой термодинамической системы, характеризующееся изменением ее термодинамических параметров. Термодинамический процесс называется равновесным, если в этом процессе система проходит непрерывный ряд бесконечно близких термодинамически равновесных состояний. Реальные процессы изменения состояния системы всегда происходят с конечной скоростью и поэтому не могут быть равновесными. Очевидно, однако, что реальный процесс изменения состояния системы будет тем ближе к равновесному, чем медленнее он совершается, поэтому такие процессы называют квазистатическими.

Примерами простейших термодинамических процессов могут служить следующие процессы:

а) изотермический процесс, при котором температура системы не изменяется (T = const);

б) изохорный процесс, происходящий при постоянном объеме системы (V = const);

в) изобарный процесс, происходящий при постоянном давлении в системе (p = const);

г) адиабатный процесс, происходящий без теплообмена между системой и внешней средой.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: