Curs 26. SUBIECT DE TERMODINAMICA. CONCEPTE DE BAZĂ
ȘI DEFINIȚII. ECHILIBRIUL TERMIC. NULL
ÎNCEPUTUL TERMODINAMICELOR. CLASIFICAREA SCHIMBĂRILOR
CONDIȚIILE SISTEMULUI TERMODINAMIC
1. Subiectul termodinamicii. Concepte și definiții de bază
O trăsătură distinctivă a termodinamicii din fizica statistică-cal cu elemente pe care le-am întâlnit în cadrul teoriei moleculare-cinetică a gazelor, este faptul că termodinamica, studiind proprietățile sistemelor macroscopice, diferite procese care au loc în ele, nu discuta despre structura internă Riva a sistemului și natura traficului părțile sale individuale, la nivel microscopic. De exemplu, în suprafață porțiuni din studiul proprietăților materialelor în diferite stări de agregare nu trebuie să ia în considerare atomii și moleculele și legile care guvernează mișcarea și interacțiunea lor în termodinamică.
Termodinamica se bazează pe o serie de concepte și definiții inițiale, precum și pe mai multe legi experimentale sau pe loc.
Să ne ocupăm de conceptele și definițiile de bază. Așa cum am menționat anterior (Lectura 15), sistemele termodinamice sunt sisteme macroscopice a căror dimensiune spațială și durata de viață sunt suficiente pentru efectuarea proceselor normale de măsurare. Sistemele termodinamice pot consta dintr-un număr mare de particule sau câmpuri de material, de exemplu, un câmp electromagnetic. În orice caz, astfel de sisteme au un număr extrem de mare de grade de libertate. Sistemele cu un număr mic de grade de libertate a termodinamicii nu sunt luate în considerare.
Substanțele și câmpurile care nu sunt incluse în sistemul termodinamic studiat formează un mediu înconjurător (extern). Mai abstract, mediul extern poate fi privit ca un termostat, care impune anumite condiții sistemului studiat. Sistemul termodinamic se separă de mediul înconjurător de suprafața de contact reală sau imaginară. În funcție de proprietățile suprafeței de contact, sunt posibile diferite tipuri de sisteme termodinamice.
Un sistem izolat este un sistem care nu interacționează deloc cu mediul, adică nu schimbă materie sau energie cu el.
Un sistem închis este un sistem care nu este capabil să facă schimb de energie cu mediul prin munca. De exemplu, un lichid sau gaz, închise într-un vas cu volum constant.
Sistem închis - sistemul nu schimbă substanța cu mediul extern.
Sistemul adiabatic - un sistem care nu schimbă energia cu mediul extern prin schimbul de căldură. Sistemul adiabatic poate fi, de exemplu, gaz, lichid, solid, înconjurat de o cochilie termoizolantă.
Starea sistemului termodinamic este specificată cu ajutorul parametrilor macroscopici, cum ar fi, de exemplu, presiunea p, temperatura T, volumul V, energia internă U și altele. Acești parametri se numesc termodinamici.
Există parametri termodinamici intensi și extinși, interni și externi. Parametrii intensivi sunt parametri care nu depind de mărimea și masa sistemului sau a părților sale. Acestea includ: temperatura, presiunea, potențialul chimic. Parametrii extensivi sunt parametrii ale căror valori variază proporțional cu mărimea sau masa sistemului când acesta este împărțit în părți. De exemplu, masa pieselor, energia internă și altele.
Parametrii externi determină starea mediului, intern - starea sistemului termodinamic. Diferențele dintre parametrii interni și externi sunt relativi. Totul depinde de locul în care se află granița dintre sistem și mediu, care este în contact cu acesta. De exemplu, intensitățile câmpului electric sau magnetic care acționează asupra sistemului sunt parametri externi. Cu toate acestea, ele pot fi considerate parametri interni, dacă sursele câmpului intră în sistem, și nu în mediul înconjurător. Sistemele termodinamice pot interacționa între ele, precum și cu mediul. În acest caz, vorbiți despre sistemele de contact.
Un contact termodinamic este o relație între sisteme sau un sistem și un mediu în care este posibilă cel puțin una dintre următoarele tipuri de interacțiuni între ele:
1) interacțiunea mecanică - un sistem se angajează să lucreze la un alt sistem prin forțe mecanice sau electromagnetice;
2) interacțiunea termică - o interacțiune care duce la o schimbare a energiei și are loc sub forma transferului de căldură prin conducerea căldurii sau prin radiația termică;
3) transferul materiei - interacțiunea care duce la schimbul de materie între sisteme.
2. Echilibrul termic. Legea zero a termodinamicii
Un sistem izolat, de exemplu un gaz închis într-un co-vas cu pereți care nu conduc căldură, indiferent de starea sa inițială, ajunge în cele din urmă într-o stare care nu se schimbă în viitor. Această stare finită se numește starea de echilibru termodinamic sau termic.
Dacă sistemul este în echilibru termic, atunci nu există modificări sistematice ale parametrilor termodinamici și nici fluxuri sistematice. Modificările nesubstanțiale (fluctuația) în parametrii și fluxurile într-o stare de echilibru sunt permise, dar sa stabilit experimental că acestea sunt de obicei foarte mici și pot fi neglijate. Prin urmare, putem presupune că valoarea parametrilor termodinamici în acest caz este constantă și sistemul este în echilibru termodinamic.
Dacă două sisteme izolate A și B sunt aduse în contact unul cu altul, atunci sistemul complet A + B intră în cele din urmă într-o stare de echilibru termic. În acest caz, se spune că sistemele A și B se află într-o stare de echilibru termic unul cu celălalt. Fiecare dintre sistemele A și B individual este, de asemenea, într-o stare de echilibru termic. Acest echilibru nu este încălcat în cazul în care contactul dintre sisteme este eliminat și apoi după un timp este restabilită.
În consecință, dacă stabilirea contactului dintre două sisteme A și B, care anterior au fost izolate, nu conduce la nicio modificare, atunci putem presupune că aceste sisteme sunt în echilibru termic unul cu celălalt (A
B). drept scripting Empiric termodinamicii numit zero, în cazul în care sistemul A și B sunt în echilibru termic și sistemul B și C sunt în echilibru termic, sistemele A și C sunt, de asemenea, în echilibru termic unul cu celălalt: A
O consecință a legii zero a termodinamicii poate fi considerată introducerea unei temperaturi termodinamice.
Temperatura T este definită ca o valoare care permite descrierea echilibrului termic între corpurile în contact termic. Dacă T1 și T2 sunt temperaturile a două corpuri, atunci raportul T1 = T2 este o condiție a echilibrului termic. Dacă T1> T2, atunci contactul termic dintre te-Lamy temperatură T1 va scădea și T2 - Zoom-vatsya până la temperatura corpului timp de aliniere, și anume de a stabili echilibrul termic ... Evident, în conformitate cu legea zero a termodinamicii, dacă T1 = T2 și T2 = T3, atunci T1 = T3, unde T1. T2 și T3 sunt temperaturile a trei corpuri. Din cele de mai sus rezultă că temperatura este un parametru al stării sistemului termodinamic și poate fi găsit din ecuația stării sistemului. De exemplu, pentru un mol de gaz ideal Vm. care este într-o stare de echilibru termodinamic la o presiune p, avem.
3. Clasificarea modificărilor în starea unui sistem termodinamic
Starea sistemului termodinamic se poate schimba spontan sau ca urmare a contactului cu alte sisteme, cu mediul înconjurător. Orice modificare a stării sistemului se numește proces. Termodinamica ia în considerare numai acele procese în care stările inițiale și finale sunt determinate în mod unic de mai mulți parametri, cum ar fi temperatura și presiunea sau altele. Dacă sistemul trece printr-o serie continuă de stări de echilibru infinit de aproape, atunci vorbim despre un proces termodinamic de echilibru. Stările intermediare prin care se deplasează sistemul nu pot fi echilibrate. În acest caz, procesul este neechilibrat.
În condiții reale, procesele se desfășoară cu o rată finită și, prin urmare, sunt neechilibrate. Cu toate acestea, cu cât procesul este mai lent, cu atât este mai aproape de echilibru. Ca rezultat, procesele de echilibru se numesc procese cvasistatice. În cazul ideal, procesul quasistatic va fi un proces infinit de lent, în care sistemul termodinamic și mediul sunt infinit apropiate de starea de echilibru în orice moment al timpului.
Dacă vreunul dintre parametrii sistemului termodinamic rămâne neschimbat în timpul procesului, atunci vorbim despre o izoprocesă. Astfel de procese sunt:
izotermă care curge la temperatura constantă a sistemului (T = const);
izobaric, care curge la presiune constantă în sistem (p = const);
isochoric, care nu modifică volumul sistemului (V = const).
În termeni practici, procesele sau ciclurile circulare, care stau la baza lucrărilor unui număr de dispozitive, mașini termice, sunt esențiale.
Un ciclu este un proces în care un sistem termodinamic, care a trecut printr-o serie de stări, revine la starea inițială, adică după terminarea procesului, stările inițiale și finale ale sistemului coincid.
Conceptele proceselor reversibile și ireversibile sunt foarte importante în termodinamică.
Un proces care poate fi inversat se numește reversibil, iar sistemul termodinamic trebuie să treacă prin aceleași stări ca și în cazul direcției directe a procesului, numai într-o ordine inversă. Când se efectuează un proces reversibil în direcțiile înainte și înapoi, sistemul revine la starea inițială și nu trebuie să se observe modificări în mediul înconjurător.
Orice proces, inclusiv ciclic, care nu satisface condițiile de mai sus, este ireversibil.
Procesele reale asociate cu disiparea energiei cauzate de frecare, conducere de căldură și alte cauze nu sunt reversibile. Cu toate acestea, multe dintre ele, în anumite condiții, sunt aproape reversibile.