Термодинамическая система и окружающая среда

1.3.1 Уравнение состояния

При термодинамическом изучении какого-либо явления в качестве объекта исследования выделяется группа тел или единичное тело, или даже отдельные его части.

Термодинамической системой называется совокупность макроскопических материальных тел, являющихся объектом изучения и находящихся во взаимодействии как друг с другом, так и с окружающими их телами. Последние поэтому называют окружающей средой. Указанное взаимодействие заключается в общем случае в обмене теплотой и работой между термодинамической системой и окружающей средой. Этот обмен происходит через поверхности, ограничивающие систему и отделяющие ее от среды.

Если термодинамическая система не имеет никаких взаимодействий с окружающей средой, то ее называют изолированной или замкнутой системой.

Система, окруженная так называемой адиабатной оболочкой, исключающей теплообмен с окружающей средой, называется теплоизолированнойили адиабатной системой.

Система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства, называется однородной. Однородная термодинамическая система (как по составу, так и по физическому строению), внутри которой нет поверхности раздела, называется гомогенной (например, лед, вода, газы).

Система, состоящая из нескольких макроскопических частей с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела, называется гетерогенной (например, лед и вода, вода и пар и др.)

Гомогенные части системы, отделенные от остальных частей видимыми поверхностями раздела, называются фазами. В зависимости от числа фаз гетерогенные системы называются двухфазными и трехфазными (газообразное, жидкое, твердое состояния).

Компонентом термодинамической системы называют всякое химически однородное вещество.

Термодинамическая система, занимающая определенный объем, находится в равновесном состоянии (равновесии) в том случае, если параметры системы во всех частях этого объема, как бы малы они ни были, имеют одинаковые значения. Для такой равновесной системы может быть установлена определенная аналитическая зависимость между параметрами ее состояния. В самом общем случае эта зависимость имеет вид:

F(P, v, T) = 0,(1.7)

которое в термодинамике называют термическим уравнением состояния, а параметры P, v, T называются основными термическими параметрами термодинамической системы.

Термическому уравнению состояния можно придать следующий вид:

P = ¦1(v, T);

v = ¦2(P, T);(1.8)

T = ¦3(v, p),

свидетельствующий о том, что любой из параметров состояния системы является функцией остальных ее параметров. В термодинамике такие функции называютсяфункциями состояния.

С математической точки зрения уравнение состояния (1.7) в пространственной ортогональной системе координат v-P-T является уравнением некоторой поверхности, называемой термодинамической. Все состояния термодинамической системы, подчиняющиеся уравнению (1.7), характеризуются точками, лежащими на термодинамической поверхности. Координаты отдельных точек, например, А, РА, vА, ТА определяют параметры системы в данном состоянии. Каждому равновесному состоянию термодинамической системы соответствует определенная точка на термодинамической поверхности

1.4 Термодинамический процесс. vP-диаграмма и термодинамические процессы в ней

Термодинамическим процессомназывается совокупность последовательных состояний, через которые проходит термодинамическая система при взаимодействии ее с внешней средой. При этом все или часть параметров претерпевают изменения. Если изменения параметров проходят таким образом, что в любом промежуточном состоянии система находится в равновесии, то такие процессы называются равновесными.

Термодинамика в первую очередь рассматривает равновесные состояния и равновесные процессы изменения состояния термодинамической системы. Только равновесные состояния могут быть описаны количественно с помощью уравнения состояния.

Графически равновесный процесс изображается кривой, всеми своими точками лежащей на равновесной поверхности (кривая ВСна рис. 1.2).

Термодинамическая система и окружающая среда - student2.ru

Рисунок 1.2 – Термодинамическая поверхность

Графическое изучение термодинамических процессов было бы затруднено при использовании пространственной системы координат, поэтому для изображения процессов пользуются не самими кривыми, а их проекциями в прямоугольной системе координат.

Если термодинамическую поверхность рассечь плоскостями, параллельными осям координат, то на поверхности получатся следующие кривые: при v = const - процесс изменения давления в зависимости от температуры в координатах РТ /изохорный процесс/; при Р = const - процесс изменения удельного объема в зависимости от температуры в координатах vT /изобарный процесс/; при Т = const - процесс изменения давления в зависимости от удельного объема в координатах vР /изотермический процесс/.

Чаще всего для исследования термодинамических процессов в технической термодинамике применяют двухосную систему координат vP.

Равновесный процесс, протекающий при отсутствии трения, называется обратимым. Под трением в широком смысле слова здесь понимается любой процесс непосредственного превращения различных видов энергии в тепловую. Обратимый процесс может протекать самопроизвольно как в прямом, так и в обратном направлениях, проходя через те же самые равновесные состояния. В результате прямого и обратного процессов термодинамическая система и окружающая среда возвращаются в исходное состояние без остаточных изменений.

Необратимымназывается процесс, который либо вообще невозможен в обратном направлении по тому же самому пути, либо требует для своего осуществления дополнительных внешних затрат. Если нарушается хотя бы одно из условий обратимости, то процесс будет необратимым.

При изучении термодинамических процессов особое значение имеют так называемые замкнутые, или круговые процессы, при которых система, проходя через ряд последовательных состояний, возвращается к начальному состоянию. Круговой процесс называют также циклом.

Изменение параметра состояния в любом термодинамическом процессе не зависит от вида процесса, а целиком определяется начальным и конечным состоянием. Поэтому любой параметр состояния является функцией состояния.

Следует отметить, что параметры состояния могут зависеть или не зависеть от массы термодинамической системы. Параметры состояния, не зависящие от массы системы, называются интенсивными параметрами (давление, температура и др.). Параметры, величины которых пропорциональны массе системы, называются аддитивными, или экстенсивными параметрами (объем, энергия и др.).

Наши рекомендации