Термодинамічна система - виділяється (реально чи подумки) для вивчення макроскопічна фізична система. що складається з великого числа частинок і не вимагає для свого опису залучення мікроскопічних характеристик окремих частинок [1]. «Частина Всесвіту, яку ми виділяємо для дослідження» [2]. Одиницею вимірювання кількості частинок в термодинамічній системі зазвичай служить число Авогадро [3] (приблизно 6 х 10 23 частинок на моль речовини), що дає уявлення, про величинах якого порядку йде мова. Обмеження на природу матеріальних частинок, що утворюють термодинамічну систему, не накладаються: це можуть бути атоми. молекули. електрони. іони. фотони і т. д. [4] [5]. Будь-який об'єкт, видимий неозброєним оком або за допомогою оптичних приладів (мікроскопи. Телескопи і т. П.), Можна віднести до термодинамічних систем: «Термодинаміка займається вивченням макроскопічних систем, просторові розміри яких і час існування достатні для проведення нормальних процесів вимірювання» [4 ]. Умовно до макроскопічних систем відносять об'єкти з розмірами від 10 -7 м (100 нм) до 10 12 м [6]. Умовність нижньої межі пов'язана, крім іншого, з тим, що для термодинаміки важливий не розмір об'єкта, а число утворюють його частинок. Куб ідеального газу з ребром 100 нм при нормальних умовах містить близько 27 000 часток (див. Постійна Лошмідта).
Будь-яку частину термодинамічної системи називають підсистемою.
Кожна термодинамічна система має межі. реальні або умовні, що відокремлюють її від навколишнього середовища [9]. Іноді замість навколишнього середовища говорять про термостат [4]. т. е. середовищі з настільки велику теплоємність. що її температура при теплообміні з досліджуваної системою не змінюється [10] [11] [12]. За умовчанням передбачається, що навколишнє середовище досить велика і тому її характеристики не залежать від протікають в даній системі процесів. Крім того, зазвичай мається на увазі, що навколишнє середовище перебуває в стані термодинамічної рівноваги і її характеристики не залежать від часу і просторових координат.
Важливо, що до складу термодинамічної системи включають всі частинки, наявні в виділеної для вивчення області простору. Справа в тому, що в термодинаміки іноді один і той же обсяг розглядають як займаний одночасно двома і більше квазінезавісімимі (слабо взаємодіють один з одним) парціальними підсистемами частинок різної природи (наприклад, газову суміш характеризують парціальними тисками складових її газів [13]; в кристалі виділяють підсистеми фононів і магнонов; систему ядерних спінів парамагнетика характеризують власної парціальної спінової температурою [14]. здатною приймати негативні значення за шкалою Кельвіна [15] [16] [17]). Даний формальний прийом дозволяє вводити для даної підсистеми частинок парціальні характеристики. не обов'язково мають пряме відношення до фізичної системі як єдиного цілого (див. наприклад, Негативна абсолютна температура).
Класифікація термодинамічних систем [| ]
За характером взаємодії з навколишнім середовищем розрізняють системи [9]:
- ізольовані. не обмінюється з зовнішнім середовищем ні енергією, ні речовиною;
- адиабатически ізольовані. не обмінюється з зовнішнім середовищем речовиною, але допускають обмін енергією у вигляді роботи [18];
- закриті. обмінюються із зовнішнім середовищем енергією, але не обмінюються речовиною;
- відкриті. обмінюються із зовнішнім середовищем і енергією, і речовиною;
- частково відкриті. обмінюються із зовнішнім середовищем і енергією, і речовиною, але у яких не всі складові речовини беруть участь в матеріальному обміні (наприклад, через наявність напівпроникних перегородок) [19].;
За використовуваним для термодинамічного опису системи параметрам стану розрізняють: прості системи. прості відкриті системи і складні системи.
- Простий системою (простим тілом [20]. Термодеформаційних система [21]) називається така рівноважна система, фізичний стан якої цілком визначається значеннями двох незалежних змінних - функцій стану простого тіла (x. Y). наприклад, значеннями температури і питомої обсягу (t. v) або тиску і питомої обсягу (P. v). Вираз залежності трьох характеристик стану простого тіла (x. Y. Z). є попарно незалежними, називається рівнянням стану цього тіла:
Простими тілами є ізотропні тіла (isos- рівний, tropos - напрямок, в цілому - рівність характеристик стану і фізичних властивостей тіла у всіх його точках і у всіх напрямках), зокрема: гази, пари, рідини і багато тверді тіла, що знаходяться в термодинамічній рівновазі і не схильні до дії поверхневого натягу, гравітаційних і електромагнітних сил і хімічних перетворень. Дослідження простих тел в термодинаміки представляють найбільший теоретичний і практичний інтерес.
Якщо що входять до складу системи речовини в даному діапазоні умов (тиск. Температура) хімічно не взаємодіють між собою, то систему називають фізичної. Якщо ж речовини системи реагують один з одним, то говорять про хімічну системі [24] [25] [26].
Реальну ізоляцію термодинамічної системи від навколишнього середовища здійснюють за допомогою стінок (поверхонь розділу. Перегородок. Оболонок) [27]. рухомих і нерухомих, проникних і непроникних для речовини (існують і напівпроникні перегородки). Посудина Дьюара є гарним прикладом адіабатичній оболонки. Перегородка, що не перешкоджає обміну енергією, називається діатермічної.
Термодинамічну систему називають гомогенною. якщо її властивості безперервно змінюється від точки до точки [28]. Гомогенну систему з однаковими властивостями в будь-якій точці називають однорідною [28]. Прикладами гомогенних систем служать розчини (газові, рідкі та тверді). Газова фаза великої протяжності вздовж градієнта поля тяжіння (наприклад, земна атмосфера в безхмарний і безвітряний день) - приклад неоднорідною гомогенної фази (див. Барометрична формула).
Термодинамічну систему називають гетерогенної. якщо вона складається з декількох гомогенних частин з різними властивостями. На поверхнях, які поділяють гомогенні частини гетерогенної системи, властивості системи змінюються стрибком [29]. Часто (але не завжди) ця поверхня є видимою.
Гомогенну частина гетерогенної системи називають фазою [29]. Менш суворо, але більш наочно фазами називають «гомогенні частини системи, відокремлені від інших частин видимими поверхнями розділу» [8]. Прикладом може служити система «лід - вода - вологе повітря». Гомогенна система містить тільки одну фазу; гетерогенна система складається з двох або більше фаз [30]. Число фаз у гетерогенній системі підпорядковується правилу фаз Гіббса. Одне і те ж речовина в твердому агрегатному стані може мати кілька фаз (ромбічна і моноклінна сірка. Сіра і біла олово і ін.) [29].
На малюнку зображений один з варіантів класифікації термодинамічних систем.
Один з варіантів класифікації термодинамічних систем
Див. Також [| ]
Примітки [| ]
Література [| ]
Ряд коротких приміток не міститься в статті або не веде на розділ «Література».