Координаты состояния и потенциалы взаимодействия

При совершении механической работы сдвигаются границы системы, что приводит к изменению объема системы. При химических реакциях и фазовых превращениях меняются количества вещества отдельных компонент. Количество вещества определяет количество молекул в веществе и измеряется в молях. Один моль – это количество вещества, которое имеет столько структурных единиц, сколько молекул имеет 12 грамм изотопа углерода двенадцать.

Физические величины, изменяющие своё значение при наличии обмена энергией в определённой форме, и, сохраняющие своё значение при отсутствии этой формы обмена энергией, называются координатами состояния (обобщёнными координатами) системы. Изменение соответствующей координаты состояния является признаком наличия взаимодействия данного рода. Координаты состояния являются экстенсивными величинами.

Механической координатой состояния является объём. Химической координатой состояния является количество вещества. Тщательный анализ изменений в системе, сопровождающих обмен энергией в форме теплоты, позволил Клаузиусу указать способ вычисления величины, обладающей всеми свойствами тепловой координатой состояния. Эта величина была названа энтропией (S). На протяжении одной трети всего этого курса мы будем изучать свойства этой координаты состояния.

Кроме координат состояния, вводят ещё потенциалы взаимодействия. Потенциалом взаимодействия называют физическую величину, различие значений которой внутри системы и в окружающей среде приводит к возникновению обмена энергией в соответствующей форме. Потенциалы взаимодействия – это интенсивные величины.

Совершение механической работы возможно, когда имеется разность давлений. Это означает, что механическим потенциалом взаимодействия является давление. Теплообмен между телами возможен, когда эти тела имеют разные температуры. Это означает, что тепловым потенциалом взаимодействия является температура.

В 1876 году Дж. В. Гиббс[viii] ввел в термодинамику величину, характеризующую причину фазовых и химических превращений и назвал её химическим потенциалом µ.

Пусть имеется цилиндр с поршнем. Пусть в результате разности давлений между системой и окружающей средой произошло физически малое перемещение поршня, в результате чего объем системы изменился на очень маленькую величину d V. Вычислим количество работы, считая, что давление системы почти не изменилось δ A = F d x = PS d x = P d V. Мы видим, что количество механической работы равно произведению механического потенциала взаимодействия на физически малое приращение механической координаты состояния. Более того, энтропию и химический потенциал взаимодействия выбирают таким образом, чтобы выполнялись равенства δ Q = T d S и δ W = µ d ν. Мы будем пока эти равенства рассматривать как определения энтропии и химического потенциала.

Замечания: Количество механической работы, совершённой системой, считается положительной, если объём системы увеличивается. Знаком d мы будем в дальнейшем обозначать физически малые приращения величин, являющихся функцией состояния, а знаком δ физически малые количества величин являющихся функциями процесса.

Дата добавления: 2014-01-04