Лекція 26. ПРЕДМЕТ ТЕРМОДИНАМІКИ. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ
І ВИЗНАЧЕННЯ. Теплове РІВНОВАГА. НУЛЬОВИЙ
ПОЧАТОК ТЕРМОДИНАМІКИ. КЛАСИФІКАЦІЯ ЗМІН
Стану термодинамічної системи
1. Предмет термодинаміки. Основні поняття і визначення
Відмінною особливістю термодинаміки від статисти-чеський фізики, з елементами якої ми познайомилися в рамках молекулярно-кінетичної теорії газів, є те, що термодинаміка, вивчаючи властивості макроскопічних систем, різні процеси, що відбуваються в них, не розглядають-ривает внутрішню будову систем і характер руху її окремих частин на мікроскопічному рівні. Так, в част-ності при вивченні властивостей речовини в різних агрегатних станах, в термодинаміки не потрібно розглядати атоми і молекули і закономірності, яким підкоряються їх рух і взаємодія.
Термодинаміка базується на ряді вихідних понять і визначень, а також кількох досвідчених законах або на-чалах.
Зупинимося на основних поняттях і термінах. Як вже зазначалося раніше (лекція 15), термодинамічні системи - макроскопічні системи, просторові раз-заходи яких і час існування достатні для проведення нормальних процесів вимірювання. Термодинамич-ські системи можуть складатися з великої кількості матеріальних-них частинок або полів, наприклад електромагнітного поля. У будь-якому випадку такі системи мають надзвичайно біль-шим числом ступенів свободи. Системи з малим числом сте-пені свободи термодинаміки не розглядаються.
Речовини і поля, не включені до складу досліджуваної термодинамічної системи, утворюють навколишнє (зовн-ню) середу. Більш абстрактно зовнішнє середовище можна рас-розглядати як термостат, який накладає на досліджувану систему деякі умови. Термодинамічна система від-деляется від навколишнього середовища реальної або уявної поверхнею контакту. Залежно від властивостей поверхонь-сті контакту можливі різні види термодинамічних систем.
Ізольована система - система, яка з-вершенно не взаємодіє з навколишнім середовищем, т. Е. Не обмінюється з нею ні речовиною ні енергією.
Замкнута система - система, яка не здатна до обміну енергією з навколишнім середовищем шляхом здійснення роботи. Наприклад, рідина або газ, укладені в посудину постійного обсягу.
Закрита система - система не обмінюється речовиною з зовнішнім середовищем.
Адіабатична система - система, що не обмінюючись-ющаяся енергією з зовнішнім середовищем шляхом теплообміну. Адіа-батіческой системою може, наприклад, бути газ, рідина, тверде тіло, оточені теплоізолюючих оболонкою.
Стан термодинамічної системи задається з по-міццю макроскопічних параметрів, таких, наприклад, як тиск р, температура Т, обсяг V, внутрішня енергія U і інші. Ці параметри називаються термодинамічними.
Розрізняють інтенсивні і екстенсивні, внутрішні і зовнішні термодинамічні параметри. Інтенсивні пара-метри- параметри, які не залежать від розмірів і маси сі-стеми або її частин. До їх числа відносяться: температура, давши-ня, хімічний потенціал. Екстенсивні параметри - параметри, значення яких змінюються пропорційно розмірам або масі системи при її розбивці на частини. На-приклад, маса частин, внутрішня енергія та інші.
Зовнішні параметри визначають стан навколишнього середовища, внутрішні - стан термодинамічної системи. Відмінності між внутрішніми і зовнішніми параметрами від-відносна. Все залежить від того, де проводиться межа між системою і навколишнім середовищем, що знаходиться з нею в контакті. Наприклад, напруженості електричного або магнітного полів, що діють на систему, є зовн-ними параметрами. Однак їх можна розглядати і як внутрішні параметри, якщо джерела поля входять в систему, а не в навколишнє середовище. Термодинамічні системи мо-гут взаємодіяти один з одним, а також з навколишнім середовищем. У цьому випадку говорять про контакт систем.
Термодинамічних контактом називається такий зв'язок між системами або системою і середовищем, при якій мож-ли хоча б одне з наступних типів взаємодії між ними:
1) механічне взаємодія - одна система вдосконалення-шает роботу над іншою системою за допомогою механічних або електромагнітних сил;
2) теплове взаємодія - взаємодія, що призводить до зміни енергії і відбувається в формі пере-дачі тепла за допомогою теплопровідності або теплової радіації;
3) передача речовини - взаємодія, яке прива-дит до обміну речовиною між системами.
2. Теплове рівновагу. Нульовий початок термодинаміки
Ізольована система, наприклад газ, укладений в со-суді зі стінками, що не проводять тепло, незалежно від свого початкового стану в кінцевому підсумку приходить в стан, який в подальшому вже не змінюється. Це ко-кінцевих стан називається станом термодинамічної або теплового рівноваги.
Якщо система знаходиться в тепловій рівновазі, то в ній не відбувається систематичних змін термодинамич-ських параметрів і немає систематичних потоків. Несістема-тичні (флуктуаційні) зміни параметрів і потоки в стані рівноваги допустимі, але експериментально встановлено, що вони зазвичай дуже малі і ними можна пре-знехтувати. Тому можна прийняти, що значення термодіна-вів параметрів в цьому випадку постійно і система на-ходиться в термодинамічній рівновазі.
Якщо дві ізольовані системи А і В наведені в кон-такт один з одним, то повна система A + B у кінцевому підсумку переходить в стан теплової рівноваги. У цьому випадку говорять, що системи А і В знаходяться в стані теплової рівноваги між собою. Кожна з систем А і В окремо також знаходиться в стані теплового рав-новесія. Ця рівновага не порушується, якщо усунути контакт між системами, а потім через деякий час вос-ставити його.
Отже, якщо встановлення контакту між дво-ма системами А і В, які до цього були ізольованими, не призводить ні до яких змін, то можна вважати, що ці системи знаходяться в тепловій рівновазі один з одним (А
В). Емпірично було встановлено закон, званий нульовим початком термодинаміки: якщо системи А і В знаходяться в тепловій рівновазі і системи В і С знаходяться в тепловій рівновазі, то системи А і С також знаходяться в тепловій рівновазі між собою: А
Наслідком нульового закону термодинаміки можна вва-тать введення термодинамічної температури.
Температура Т визначається як величина, що дозволяє описувати теплова рівновага між тілами, що знаходяться в тепловому контакті. Якщо Т1 і Т2 - температури двох тіл, то співвідношення Т1 = T2 є умовою теплового одно-весия. Якщо ж Т1> T2, то при тепловому контакті між ті-лами температура Т1 буде зменшуватися, а Т2 - увеличи-тися аж до моменту вирівнювання температур тіл, т. Е. Встановлення теплового рівноваги. Очевидно, що відповідно до нульового початку термодинаміки, якщо Т1 = Т2 і Т2 = Тз, то Т1 = T3, де Т1. T2 і Т3 - температури трьох тел. З викладено-ного слід, що температура є параметром стану термодинамічної системи і може бути знайдена з рівняння стану системи. Наприклад, для благаючи идеаль-ного газу Vм. що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги при тиску р, маємо.
3. Класифікація змін стану термодинамічної системи
Стан термодинамічної системи може змінюватися спонтанно або в результаті контакту з іншими сі-стем, навколишнім середовищем. Будь-яка зміна стану системи називається процесом. Термодинаміка розглядає-кість тільки такі процеси, в яких початковий і кінцевий стани однозначно визначаються декількома парамет-рами, як, наприклад, температурою і тиском або дру-шими. Якщо система проходить через безперервний ряд беско-нечно близьких рівноважних станів, то говорять про равновес-ном термодинамическом процесі. Проміжні стану, через які проходить система, можуть і не бути равновес-ними. В цьому випадку процес є нерівновагим.
В реальних умовах процеси протікають з кінцевою швидкістю і тому є нерівновагими. Однак чим повільніше відбувається процес, тим він ближче до рівноважного. Внаслідок цього рівноважні процеси називають квазіста-тическими. В ідеальному випадку квазистатическим буде нескінченно повільно протікає процес, при якому термо-динамічна система та навколишнє середовище в будь-який момент часу нескінченно близькі до рівноважного стану.
Якщо в ході процесу залишається незмінним будь-якої з параметрів термодинамічної системи, то говорять про ізопроцессамі. Такими процесами є:
ізотермічний, що протікає при незмінній темпера-турі системи (Т = const);
ізобарний, що протікає при постійному тиску в сі-стем (р = const);
Ізохоричний, що не змінює обсягу системи (V = const).
У практичному плані істотними є кругові процеси або цикли, які лежать в основі роботи цілого ряду пристроїв, теплових машин.
Циклом називається процес, при якому термодинамич-ська система, пройшовши через ряд станів, повертається в початковий стан, т. Е. По завершенні процесу початковий і кінцевий стани системи збігаються.
Дуже важливими в термодинаміки є поняття обра-тімого і незворотного процесів.
Оборотним називається процес, який може бути здійснений в зворотному напрямку, при цьому термодіна-мическая система повинна проходити через ті ж стану, що й у випадку прямого напрямки процесу, тільки в про-ратної послідовності. При здійсненні оборотного процесу в прямому і зворотному напрямку система возвраща-ється в початковий стан, а в навколишньому середовищу не має спостерігатися ніяких змін.
Будь-який процес, включаючи циклічний, що не задовольняю-щий зазначеним вище умовам, є незворотнім.
Реальні процеси, пов'язані з диссипацией енергії внаслідок тертя, теплопровідності та інших причин, які не є оборотними. Однак багато хто з них при визна-лених умовах близькі до оборотних.