Главная | Обратная связь

Параметры состояния. Термодинамические системы

Совокупность макроскопических тел, которые при взаимодействии обмениваются энергией между собой и окружающей средой, называют термодинамической системой.

Взаимодействие в физике – воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения.

Физические величины (например, давление, температура и т. д.), характеризующие состояние термодинамической системы в данный момент времени, называют параметрами состояния, или термодинамическими параметрами.

Число независимых параметров состояния равно числу степеней свободы термодинамической системы. Различают параметры состояния физической системы экстенсивные, т. е. пропорциональные массе системы (объем, внутренняя энергия, свободная энергия, энтропия, термодинамические потенциалы и другим видам энергий), и интенсивные, независящие от массы (давление, температура и прочие).

Рассмотрим некоторые из них.

Давление – физическая величина, характеризующая интенсивность сил, с которыми одно тело действует нормально (перпендикулярно) на поверхность другого – внутренний параметр системы.

При равномерном распределении силы по поверхности давление находится по формуле

 

. (1.4)

 

В СИ единицей измерения давления считается паскаль (Па), 1 Н/м² = 1 Па.

На практике традиционно используют некоторые внесистемные единицы. Например, 1 бар = 10⁵ Па, 1 ат = 9,81 ×10⁴ Па (техническая атмосфера),
1 мм рт. ст.= 1,33×10² Па, 1атм =1,033 ат =1,013×10⁵ Па (нормальная атмосфера).

Для измерения давления используют манометры, барометры, вакуумметры, а также различные датчики давления.

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия для всех частей макроскопической системы и являющаяся мерой отклонения от этого равновесия.

Температура – функция состояния системы, не зависит от предыстории термодинамической системы (нулевое начало термодинамики).

Температуру невозможно измерить непосредственно.

Для измерения температуры используют температурные шкалы. Например, газовая и термодинамическая температурная шкалы.

Термодинамическая температурная шкала основана на выводах второго начала термодинамики.

Абсолютная температура по термодинамической температурной шкале обозначается символом Т, в СИ измеряется в кельвинах (К).

Для термодинамической температурной шкалы, как и для любой другой, необходимо задать значения двух фиксированных температур.

Например, Т = 0 К (абсолютный нуль температуры) и Т = 273,15 К (точка плавления льда при нормальном давлении). На рис. 1.1 приведены некоторые температурные шкалы. Введение Т = 0 К является экстраполяцией и не требует реализации абсолютного нуля.

Термодинамическая (абсолютная) температурная шкала (шкала Кельвина) имеет единицы температуры, совпадающие с единицами температуры для стоградусной шкалы Цельсия, основанной на свойствах идеального газа и значениях t = 0 ^oC (точка плавления льда) и t = 100 ^oC (точка кипения воды).

Соотношение между температурами по шкале Цельсия и шкале Кельвина записывают в виде: Т = t ^oC + 273,15 ^oC.

На практике для измерения температуры используют термометры, градуированные по высокостабильным реперным точкам, таким, как тройная точка кислорода, водорода, аргона; точки кипения этих и других газов (например, неона); точки затвердевания чистых металлов и т. д., температуры которых по термодинамической температурной шкале найдены предельно точными измерениями.

Рис. 1.1

При температуре абсолютного нуля Т = 0 К, согласно выводам классической физики, в телах полностью прекращается тепловое хаотическое движение.

Согласно квантовой теории, в области сверхнизких температур действуют законы квантовой механики. При Т = 0 К
в телах существуют нулевые колебания микрочастиц, энергию которых нельзя отнять никакими способами.

Состояние макроскопической системы определяется большим числом параметров, и установление равновесия по каждому из параметров протекает по-разному.

Состояние термодинамической системы, в которое она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени, в условиях изоляции от окружающей среды, называют равновесным.

Состояние термодинамической системы, в котором хотя бы один из параметров, характеризующих ее состояние, изменяется, называют неравновесным.

В состоянии термодинамического равновесия параметры системы не меняются с течением времени во всех ее точках и прекращаются все необратимые процессы, связанные с диссипацией энергии.

Определяющей величиной вещества (газообразного, жидкого, твердого) является соотношение между средней кинетической энергией и средней потенциальной энергией молекул этого вещества, т. е.

 

. (1.5)

 

Для газовой фазы e (Т, Р) << 1,

жидкой фазы e (Т, Р) »1,

твердой фазы e (Т, Р) >>1.

Если термодинамическую систему, находящуюся в неравновесном состоянии, изолировать от окружающей среды и предоставить самой себе, то она перейдет самопроизвольно в равновесное состояние.

Переход термодинамической системы из одного состояния в другое называют термодинамическим процессом.

Процесс перехода системы от неравновесного состояния к равновесному называют релаксацией.

Количественной мерой релаксации служит время релаксации.

Например, приближение к состоянию равновесия кристаллических структур в земной коре длится геологические эпохи (миллионы и миллиарды лет).

Все релаксационные процессы являются неравновесными.

Примерами термодинамических процессов являются:

1. Изохорический процесс (V = const) – процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое при постоянном объеме – закон Шарля.

2. Изобарический процесс (Р = const) – процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое при постоянном давлении – закон Гей-Люссака.

3. Изотермический процесс (T = const) – процесс перехода термодина-
мической системы из одного состояния в другое при постоянной температуре – закон Бойля – Мариотта.

4. Адиабатический процесс (Q = const) – процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое без теплообмена с окружающей средой – закон Пуассона.