ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Термодинамическое состояние и первый закон термодинамики из "Термодинамика " Ниже перечисляются и поясняются некоторые основные понятия и термины, используемые в термодинамике. Чтобы не загромождать изложение, не всем понятиям дается строгое определение. в тех случаях, когда это необходимо по ходу рассуждений, приводятся более строгие определения. [c.11] Термодинамические системы. Термодинамика занимается изучением макроскопических систем, пространственные размеры которых и время существования достаточны для проведения нормальных процессов измерения. Такого рода системы могут состоять из большого числа материальных частиц (нанример молекул, атомов, электронов и т. д.), или полей, например электромагнитного поля. в любом случае мы имеем дело с динамическими системами, обладающими чрезвычайно большим числом степеней свободы. Системы с малым числом степеней свободы термодинамикой не рассматриваются. [c.11] Термостат. Если изучается часть полной системы, то остальную часть будем называть окружающей средой, или окружением. Более абстрактно окружение можно рассматривать, как термостат, который налагает некоторые условия на изучаемую систему (нанример, условия постоянства температуры, давления, химического потенциала н т. д.). [c.11] Изолированная система. Независимая система, которая совершенно не взаимодействует с окружающей средой, называется изолированной системой. [c.11] Замкнутая система. Система, которая не обменивается веществом с окружающей средой, называется замкнутой системой. [c.12] Открытая система. Система, которая обменивается веществом с окружающей средой, называется открытой системой. [c.12] Тепловое равновесие двух систем. Если две изолированные системы Л и 5 приведены в контакт друг с другом, то полная система Л + 5 в конечном итоге переходит в состояние теплового равновесия. В этом случае говорят, что системы А ж В находятся в состоянии теплового равновесия друг с другом. Каждая из систем А ж В ъ отдельности также находится в состоянии теплового равновесия. Это равновесие не нарушится, если устранить контакт между системами, а затем через некоторое время восстановить его. Следовательно, если установление контакта между двумя системами А 11 В, которые до этого были изолированными, не приводит ни к каким изменениям, то можно считать, что эти системы находятся в тепловом равновесии друг с другом А В). [c.12] Этот эмпирический закон называется нулевым законом термодинамики. [c.12] Термически равновесное состояние, определенное таким образом, принято называть термодинамически равновесным.— Прим. ред. [c.12] Термодинамическое состояние, или просто состояние системы, В буквальном смысле этот термин означает то же самое, что и состояние теплового равновесия. Однако в общем случае можно считать, что полная система находится в термодинамическом состоянии, если различные ее части находятся в термически равновесных состояниях, тогда как для всей системы в целом это несправедливо. Например, если в системе из двух тел А ж В каждое тело имеет свою температуру Т и Гд, то о полной системе можно сказать, что она находится в термодинамическом состоянии, которое определяется температурами (Га, Тв)- Термически равновесные состояния, в которых находятся отдельные части системы, называются локально равновесными. [c.13] Идеализацией взаимодействий 2 и 3 можно считать такое взаимодействие, которое является достаточно слабым, чтобы не влиять на свойства системы, но вместе с тем достаточно сильным, чтобы приводить к эффектам, которые могут быть обнаружены в процессе наблюдения. [c.13] Если рассматривать термостат как источник, который действует на исследуемую систему одним из вышеупомянутых способов, то этот термостат можно называть соответственно источником работы, тепловым резервуаром (тепловой баней ) или источником (резервуаром) частиц. Обычно принимают, что источник, или резервуар, намного больше системы и поэтому он остается в заданном равновесном состоянии независимо от того, какое влияние он оказывает на систему, находящуюся с ним в контакте. [c.13] Функции состояния. Физические величины, имеющие определенное значение для каждого термически равновесного состояния системы, называются термодинамическими величинами или функциями состояния. К ним относятся, например, температура, явление, внутренняя энергия, энтальпия и энтропия. [c.14] Переменные состояния, или термодинамические переменные. В узком смысле слова эти величины представляют собой упомянутые выше термодинамические величины. В более широком смысле термодинамического состояния они означают физические величины, определяющие локально равновесное состояние. Если соответствующим образом выбрать совокупность независимых переменных так, чтобы она была необходимой и достаточной для определения состояния, то остальные величины, характеризующие состояние, являются функциями этих переменных. Число независимых переменных, описывающих термически равновесное состояние, определяется эмпирически. [c.14] Интенсивные и экстенсивные величины. Если систему, находящуюся в термически равновесном состоянии, разделить на части с помощью непроницаемых перегородок, то каждая часть останется в равновесном состоянии. Следовательно, равновесное состояние однородной системы является ее внутренним свойством и определяется термодинамическими переменными, не зависящими от размеров системы. Такие величины называются интенсивными. К их числу относятся, например, температура, давление, химический потенциал. С другой стороны, переменные, значения которых изменяются пропорционально размерам или массе системы при ее разбиении на части, не нарушающем равновесного состояния, называются экстенсивными величинами. Пример масса компонентов, энергия, энтропия и др. [c.14] Внутренние и внешние переменные. В некоторых случаях термодинамические переменные можно разбить на две категории внутренние и внешние. Внешние переменные определяют состояние окружающей среды. Например, внешними переменными можно считать положение поршня в цилиндре, содержащем газ, или напряженность электрического либо магнитного поля, действующего на систему. Однако их можно рассматривать и как внутренние переменные, если поршень или источники поля включены в систему, а не в окружающую среду. Следовательно, различие между внутренними и внешними переменными зависит от того, где мы проводим границу между системой и окружающей средой, находящейся с ней в контакте. Во избежание недоразумений необходимо всегда иметь в виду это обстоятельство, особенно в случае механических контактов. [c.14] Термодинамика рассматривает только такие изменения состояния системы (происходящие или сами по себе, или под действием контактов с другими системами), в которых начальное и конечное состояния являются термодинамическими (но не обязательно термически равновесными). Однако промежуточные состояния, через которые проходит система, могут и не быть термодинамическими. Вообще говоря, они могут быть очень сложными состояниями. Промея уточные состояния будут термодинамическими только в тех случаях, когда процесс совершается чрезвычайно медленно. При таких условиях процесс можно описать, рассматривая изменение достаточного числа термодинамических величин. [c.15] Циклом называется процесс, при котором начальное и конечное состояния системы совпадают. [c.15] Инфинитезималъный процесс. Если разница между начальным и конечным состояниями системы бесконечно мала, то такой процесс называется инфинитезимальным. [c.15] Квазистатический процесс. Так принято называть идеальные процессы, в течение которых система и окружающая среда остаются в термически равновесном состоянии. Такой процесс приближенно реализуется в тех случаях, когда изменения происходят достаточно медленно. Например, для того чтобы сжать газ, внешнее давление должно быть незначительно больше давления газа р, а чтобы расширить газ, внешнее давление должно быть незначительно меньше р (фиг. 1). В предельном случае очень медленных изменений оба процесса происходят но одной и той же траектории в противоположных направлениях. Следовательно, квазистатический процесс является обратимым (см. гл. 2, 1). Перечислим наиболее важные квазистатические процессы. [c.15] Вернуться к основной статье