Состояния системы

Термодинамическая система. Основные параметры

ВВЕДЕНИЕ

Фундаментом, на котором строятся все теплофизические дисциплины, включая «Физические основы тепловых процессов» (ФОТП), является общая термодинамика (от греческого therme – теплота и dynamis – сила). Этимология слова указывает, что это наука «о силах, связанных с теплом», но вовсе не о движении тепла. Явления теплопередачи, теплопроводности классической термодинамики совсем не рассматриваются. Вопросы о быстроте или длительности процессов, то есть понятие о времени в нее не вводилось. Оно используется в настоящее время в одном из новых научных направлений – в термодинамике необратимых процессов.

Общая термодинамика изучает все физико-химические процессы на макроуровне, не опускаясь до изучения эффектов взаимодействия на атомном и молекулярном уровнях. То есть это феноменологическая наука, которая изучает явления в системах, состоящих из большого числа частиц (по-гречески феномен – это явление). При этом, там где это необходимо, термодинамика может привлекать молекулярно-кинетические представления для более детального объяснения сущности процессов.

Все термодинамические процессы протекают в термодинамических системах.

Термодинамической системой называется совокупность материальных объектов, взаимодействующих как между собой, так и с окружающей средой.

Окружающая (или внешняя) среда – это все материальные объекты, находящиеся за границами термодинамической системы (для краткости – просто системы).

Примеры:

1. Термодинамической системой является газовая смесь, находящаяся в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

Всё, что окружает молекулы газа в этой смеси, является окружающей средой: днище цилиндра, стенки цилиндра, поршень.

2. Термодинамической системой является работающий котельный агрегат (КА).

Всё, что находится вне его конструктивных элементов, является окружающей средой. Для того, чтобы себе это представить, мысленно окружаем КА поверхностью, внутри которой будут находится все его конструктивные элементы. Эту поверхность и можно рассматривать как границу данной термодинамической системы.

Однородная система состоит из одинаковых элементов (молекул, атомов).

В рассмотренных примерах первый вариант – это однородная система, второй – неоднородная.

Также системы бывают: однофазными или многофазными; однокомпонентными или многокомпонентными. (Система с двумя компонентами называется бинарной или двойной – смесь двух газов, жидкостей или твёрдых тел и др.), с тремя компонентами – тернарной или тройной и т.д.).

Например, смесь газов является однофазной, но многокомпонентной системой.

В зависимости от формы контакта с окружающей средой термодинамическая система может быть открытой, замкнутой, изолированной.

Открытая термодинамическая система может обмениваться с окружающей средой и веществом (частицами), и энергией.

Замкнутая – только энергией.

Изолированная – не может обмениваться с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

В рассмотренных выше примерах: газовая смесь в цилиндре двигателя – это замкнутая система, работающий котельный агрегат – открытая система.

Чтобы однозначно охарактеризовать состояние термодинамической системы используются параметры состояния.

Экспериментально установлено, что удобно пользоваться тремя основными параметрами состояния: абсолютная температура, абсолютное давление, удельный объем.

Абсолютная температура выражается в градусах Кельвина и определяется следующим выражением:

Т = t ^oC + 273,15, К. (1.1)

(Сам термин температура латинского происхождения. Он означает смесь, смешение – т.е. сочетание противоположных качеств – теплого и холодного. Термин градус также латинского происхождения и означает ступень, степень).

Абсолютное давление в однородной системе выражается в паскалях и определяется как сила, действующая на 1 м² по нормали к поверхности: р, Па.

Удельный объем – это отношение объема, который занимает однородная система, к ее массе:

м³ / кг, (1.2)

где υ – удельный объём, м³/кг; V – объем системы, м³; М – масса системы, кг.

Например, в (1.2), это может быть отношение объема цилиндра двигателя, в котором находится смесь газов, к массе этой смеси.

Из определения удельного объема следует, что эта величина обратная плотности.

(Более подробнее сведения о параметрах состояния см. Приложение 1).

Если каждый из параметров состояния (р, υ, Т) термодинамической системы в каждой точке объема, который она занимает, имеет одно свое неизменное значение, то система находится в состоянии равновесия.

В результате обобщения опытных данных формулируется первый, или основной постулат термодинамики:

Дата добавления: 2014-01-20