Основные понятия термодинамики

Термодинамическая система – это макроскопическая система, состоящая из большого числа частиц, взаимодействие которых между собой и внешними телами определяет состояние системы, характеризующееся внешними а_i и внутренними термодинамическими параметрами b_i.

Внешние термодинамические параметры a_i характеризуют степень внешнего воздействия на систему: напряженность внешнего электрического поля, индукция магнитного поля, силы поверхностного натяжения, объем и т. д.

Внутренние термодинамические параметры b_i могут характеризовать систему в целом, например давление, температура. В этом случае их называют интенсивными внутренними параметрами. Также они могут принимать определенные значения в различных точках системы, например намагниченность, поляризованность, влажность. Тогда их называют экстенсивными в нутренними параметрами.

Равновесная термодинамическая система – это такая система, внутренние и внешние параметры которой не изменяются с течением времени, и при этом отсутствуют внешние тепловые потоки.

Термодинамическая система называется открытой,если она может обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. По сути дела таковыми являются все реальные системы. Термодинамическая система называется изолированной, если она не может обмениваться с окружающими телами веществом и энергией. Адиабатная система не может обмениваться с внешними телами энергией.

Изменение термодинамических параметров во времени характеризует термодинамический процесс, который может быть равновесным или неравновесным. Поскольку любая система, предоставленная сама себе, с течением времени переходит в равновесное состояние, то вопрос о равновесии и неравновесии термодинамических процессов в системе сводится к вопросу о временных интервалах, в течение которых осуществляется переход к равновесию. Если в результате процесса параметры термодинамической системы изменяются бесконечно медленно, то это равновесный процесс. Неравновесными являются процессы переноса тепла, вещества и импульса, то есть процессы, которые называют теплопроводностью, диффузией и внутренним трением. Они характеризуются наличием в системе градиента в распределении температуры, концентрации и скорости частиц.

Внутреннее состояние равновесной системы, содержащей значительное число частиц, характеризуется температурой, а энергия системы, которая получается из ее полной энергии после вычета кинетической и потенциальной, связанной с полями внешних сил, называется внутренней. Для идеального газа она зависит только от температуры, а для реальных – от внешних параметров и температуры.

Малое изменение внутренней энергии обозначается как d U, то есть является полным дифференциалом, не зависит от вида процесса, а ее изменение определяется только температурой начального и конечного состояний и параметрами самой системы. Значительное изменение внутренней энергии обозначают ∆ U.

Любая термодинамическая система, кроме адиабатной, может обмениваться с внешними телами теплотой. Количество теплоты обозначают Q. Если теплота передается системе, то она считается положительной. Малое количество теплоты, которое передается системе при переходе из одного состояния в другое, достаточно близкое, обозначают d Q. Тем самым подчеркивают, что данная величина не является полным дифференциалом, а зависит от вида термодинамического процесса.

Термодинамическая система может совершать работу, которую обозначают W. Если работа совершается системой, то ее считают положительной, а если над системой – отрицательной. Малую величину работы, совершаемой при переходе из одного состояния в другое, обозначают d W, то есть подчеркивают, что она также не является полным дифференциалом, а зависит от вида процесса. Ее называют также элементарной работой.

Таким образом, для реальных газов и сред можно записать:

, (1.1)

где суммирование ведется по всем внешним параметрам.

Для идеального газа изменение внутренней энергии рассчитывают по формуле

, (1.2)

где m, M – масса и молярная масса газа соответственно; с_MV – молярная теплоемкость при постоянном объеме, которую рассчитывают в зависимости от числа атомов в молекуле и их взаимного расположения (числа степеней свободы) по формуле

, (1.3)

где i – число степеней свободы молекулы газа; R – универсальная молярная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль·К).

В общем случае элементарную работу можно выразить через изменение внешних параметров системы и обобщенные силы A_i, под которыми необходимо понимать не только силы, вызванные воздействием одних тел на другие, но и градиентами различных физических параметров: температуры, концентрации, импульса, напряженности и т. д. Тогда элементарная работа обобщенных сил определяется выражением

. (1.4)

В случае расширения системы элементарная работа равна

,

а полная работа

,

где p = const только для изобарного процесса, а в общем случае .

Для изотермического процесса работа рассчитывается по выражению

. (1.5)

При изобарном процессе работу рассчитывают по формуле

. (1.6)

Для характеристики теплосодержания системы вводят энтальпию:

,

которая является однозначной функцией состояния системы, то есть ее изменение не зависит от характера процесса, определяется только начальными и конечными значениями:

.

Дата добавления: 2015-05-26