Термодинамические системы

Термодинамическая система – это часть материального мира, отделенная от окружающей среды реальными или воображаемыми границами и являющаяся объектом исследования термодинамики. Окружающая среда значительно больше по объему, и поэтому изменения в ней незначительны по сравнению с изменением состояния системы. В отличие от механических систем, которые состоят из одного или нескольких тел, термодинамическая система содержит очень большое число частиц, что порождает совершенно новые свойства и требует иных подходов к описанию состояния и поведения таких систем. Термодинамическая система представляет собой макроскопический объект.

Классификация термодинамических систем

1. По составу

Термодинамическая система состоит из компонентов. Компонент - это вещество, которое может быть выделено из системы и существовать вне ее, т.е. компоненты – это независимые вещества.

- Однокомпонентные.

- Двухкомпонентные, или бинарные.

- Трехкомпонентные – тройные.

- Многокомпонентные.

2. По фазовому составу – гомогенные и гетерогенные

Гомогенные системы имеют одинаковые макроскопические свойства в любой точке системы, прежде всего температуру, давление, концентрацию, а также многие другие, например, показатель преломления, диэлектрическую проницаемость, кристаллическую структуру и др. Гомогенные системы состоят из одной фазы.

Фаза – это однородная часть системы, отделенная от других фаз поверхностью раздела и характеризующаяся своим уравнением состояния. Фаза и агрегатное состояние – перекрывающиеся, но не идентичные понятия. Агрегатных состояний только 4, фаз может быть гораздо больше.

Гетерогенные системы состоят минимум из двух фаз.

3. По типам связей с окружающей средой (по возможностям обмена с окружающей средой).

Изолированная система не обменивается с окружающей ни энергией, ни веществом. Это идеализированная система, которую, в принципе нельзя экспериментально изучать.

Закрытая система может обмениваться с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом.

Открытая система обменивается и энергией, и веществом

Состояние ТДС

Состояние ТДС – это совокупность всех ее измеримых макроскопических свойств, имеющих, следовательно, количественное выражение. Макроскопический характер свойств означает, что их можно приписать только к системе в целом, а не отдельным частицам, которые составляют ТДС (Т, р, V, c, U, n_k). Количественные характеристики состояния связаны между собой. Поэтому существует минимальный набор характеристик системы, называемых параметрами, задание которых позволяет полностью описать свойства системы. Количество этих параметров зависит от типа системы. В простейшем случае для закрытой гомогенной газовой системы в состоянии равновесия достаточно задать только 2 параметра. Для открытой системы кроме этих 2 характеристик системы требуется задать число молей каждого компонента.

Термодинамические переменные подразделяются:

- внешние, которые определяются свойствами и координатами системы в окружающей среде и зависят от контактов системы с окружением, например, масса и количество компонентов, напряженность электрического поля, число таких переменных ограничено;

- внутренние, которые характеризуют свойства системы, например, плотность, внутренняя энергия, число таких параметров неограниченно;

- экстенсивные, которые прямо пропорциональны массе системы или числу частиц, например, объем, энергия, энтропия, теплоемкость;

-интенсивные, которые не зависят от массы системы, например, температура, давление.

Параметры ТДС связаны между собой соотношением, которое носит название уравнение состояниесистемы. Общий вид его f (p,V, T) = 0. Одна из важнейших задач ФХ – найти уравнение состояния любой системы. Пока точное уравнение состояния известно лишь для идеальных газов (уравнение Клапейрона - Менделеева).

pV = nRT, (1.1)

где R – универсальная газовая постоянная = 8.314 Дж/(моль.К) .

[p] = Па, 1атм = 1,013*10⁵ Па = 760 мм рт.ст.,

[V] = м³, [T] = К, [n] = моль, N = 6.02*1023 моль-1. Реальные газы лишь приближенно описываются данным уравнением, и чем выше давление и ниже температура, тем больше отклонение от данного уравнения состояния.

Различают равновесноеи неравновесноесостояния ТДС.

Классическая термодинамика обычно ограничивается рассмотрением равновесных состояний ТДС. Равновесие - это такое состояние, к которому самопроизвольно приходит ТДС, и в котором она может существовать бесконечно долго в отсутствие внешних воздействий. Для определения равновесного состояния всегда требуется меньшее количество параметров, чем для неравновесных систем.

Равновесное состояние подразделяют на:

- устойчивое (стабильное) состояние, при котором всякое бесконечно малое воздействие вызывает только бесконечно малое изменение состояния, а при устранении этого воздействия система возвращается в исходное состояние;

- метастабильное состояние, при котором некоторые конечные воздействия вызывают конечные изменения состояния, которые не исчезают при устранения этих воздействий.

Изменение состояния ТДС связанное с изменением хотя бы одной из ее термодинамических переменных, называют термодинамическим процессом. Особенностью описания термодинамических процессов является то, что они характеризуются не скоростями изменения свойств, а величинами изменений. Процесс в термодинамике – это последовательность состояний системы, ведущая от начального набора термодинамических параметров к - конечному. Различают следующие термодинамические процессы:

- самопроизвольные, для осуществления которых не надо затрачивать энергию;

- несамопроизвольные, происходящие только при затрате энергии;

- необратимые (или неравновесные) – когда в результате процесса невозможно возвратить систему к первоначальному состоянию.

-обратимые – это идеализированные процессы, которые проходят в прямом и обратном направлении через одни и те же промежуточные состояния, и после завершения цикла ни в системе, ни в окружающей среде не наблюдается никаких изменений.

Функции состояния – это характеристики системы, которые зависят только от параметров состояния, но не зависят от способа его достижения.

Функции состояния характеризуются следующими свойствами:

- бесконечно малое изменение функции f является полным дифференциалом df;

- изменение функции при переходе из состояния 1 в состояние 2 определяется только этими состояниями ∫ df = f₂ – f₁

- в результате любого циклического процесса функция состояния не изменяется, т.е. равна нулю.

Теплота и работа – способы обмена энергией между ТДС и окружающей средой. Теплота и работа характеристики процесса, они не являются функциями состояния.

Работа - форма обмена энергией на макроскопическом уровне, когда происходят направленное перемещение объекта. Работа считается положительной, если ее совершает система против внешних сил.

Теплота– форма обмена энергией на микроскопическом уровне, т.е. в форме изменения хаотического движения молекул. Принято считать положительной теплоту, полученную системой, и работу, совершенную над ней, т.е. действует “эгоистический принцип”.

Наиболее часто используемыми единицами измерения энергии и работы, в частности, в термодинамике являются джоуль (Дж) в системе СИ и внесистемная единица – калория (1 кал = 4,18 Дж).

В зависимости от характера объекта различают разные виды работы:

1. Механическая - перемещение тела

dА_мех = - F _ехdl.(2.1)

Работа – скалярное произведение 2-х векторов силы и перемещения, т.е.

|dА_мех| = F dl cosα. Если направление внешней силы противоположно перемещению, совершаемому внутренними силами, то cos α < 0.

2. Работа расширения (чаще всего рассматривается расширение газа)

dА = - р dV (1.7)

Однако нужно иметь в виду, что это выражение справедливо только для обратимого протекания процесса.

3. Электрическая – перемещение электрических зарядов

dА_эл = -jdq,(2.2)

где j - электрический потенциал.

4. Поверхностная– изменение площади поверхности,

dА_{поверхн.} = -sdS,(2.3)

где s -поверхностное натяжение.

5. Общее выражение для работы

dА = - Ydx,(2.4)

Y– обобщенная сила, dx - обобщенная координата, таким образом работа может рассматриваться как произведение интенсивного фактора на изменение экстенсивного.

6. Все виды работы, кроме работы расширения, называются полезной работой (dА’). dА = рdV + dА’ (2.5)

7. По аналогии можно ввести понятие химической работы, когда направленно перемещается k-ое химическое вещество, n_k – экстенсивное свойство, при этом интенсивный параметр m_k называется химическим потенциалом k-ого вещества

dА_хим = -Sm_kdn_k. (2.6)