Экстенсивные и интенсивные величины. Удельные параметры

Величины, характеризующие любую систему, могут быть разделены на две категории. Первая из них объединяет характеристики, численные значения которых пропорциональны массе системы. Такие величины называют экстенсивными. Вторая объединяет так называемые интенсивные величины, численные значения которых не пропорциональны массе системы, а имеют отношение ко всей системе в целом.

Экстенсивные величины обладают свойством аддитивности, т.е. значение экстенсивной величины для всей системы в целом равно арифметической сумме этих величин для отдельных частей системы. Интенсивные величины свойством аддитивности не обладают.

Примерами экстенсивных величин в термодинамике являются: 1) масса ; 2) объём ; 3) внутренняя энергия (о ней речь пойдёт ниже) и другие.

Экстенсивными, величинами являются также работа и количество теплоты.

Замечание. Перечисленные выше величины, строго говоря, являются аддитивными только в случае систем, отдельные части которых не взаимодействуют друг с другом ни в каком отношении. Такими системами являются, например, идеальные газы, о которых мы будем говорить позднее. Если же речь идёт, в частности, о жидкостях, то во внутреннюю энергию должна быть включена энергия поверхностного натяжения, величина которой пропорциональна не массе жидкости, а площади её внешней поверхности, а поверхность, как известно, не прямо пропорциональна объёму (массе) тела. В этом случае внутренняя энергия уже не будет аддитивной величиной. То же относится к работе, теплоте и др.

И ещё одно замечание. Строго говоря, и сама масса системы не является аддитивной величиной, если учитывать эффекты специальной и общей теории относительности. Как известно, при больших скоростях, сравнимых со скоростью света, масса зависит от скорости. Масса заметно меняется также в ядерных реакциях, где энергия взаимодействия чрезвычайно велика.

Часто вводят в рассмотрение удельные величины, т.е. экстенсивные параметры, отнесённые к единице массы системы. Таковы, например, удельный объём , удельная внутренняя энергия и т.д. Следует отметить, что удельные величины уже являются интенсивными и свойством аддитивности не обладают.

Работа и теплота

Как уже было сказано, объектом изучения термодинамики является термодинамическая система, оболочка которой отделяет её от окружающей (внешней) среды. Если система находится в равновесии, то изменить её состояние можно, только воздействуя на неё со стороны окружающей среды. Вид воздействия и его механизм может быть установлен только экспериментально. Перечислим некоторые из них: удар, сжатие (расширение), деформация, дробление, нагрев (охлаждение), подвод (отвод) вещества и пр. Несмотря на большое разнообразие воздействий, все они могут быть разделены на три группы:

· работа – воздействия, связанные с макроскопическими перемещениями оболочки системы или части её относительно центра инерции системы. Примеры этих воздействий: сжатие (расширение), удар, деформация, дробление (коагуляция), электризация, намагничивание, перемещение в поле тяжести;

· теплота – воздействие, не связанное с макроскопическими перемещениями, однако приводящее к изменению состояния системы. Это, в частности, нагрев или охлаждение;

· подвод (отвод) массы. Это воздействие может быть связано либо с видимым макроскопическим потоком вещества, обусловленным градиентом давления, либо с диффузией, т.е. потоками различных компонентов смеси под действием градиентов концентрации (точнее, градиентов химического потенциала различных компонентов в смеси).

Очевидно, что возможность осуществления того или иного воздействия связано со свойствами оболочки, отделяющей рассматриваемую термодинамическую систему от окружающей среды. Идеализируя некоторые из возможных свойств оболочек, термодинамические системы классифицируют следующим образом:

· изолированная система, т.е. система, оболочка которой не допускает никаких воздействий со стороны внешней среды;

· закрытая система, т.е. система, оболочка которой непроницаема для вещества; в противном случае система называется открытой;

· механически изолированная система с абсолютно жёсткой оболочкой, не допускающей деформаций и изменения объёма;

· адиабатически изолированная система с оболочкой, исключающей обмен теплотой с окружающей средой.

Будем иметь в виду, что идеальных оболочек, абсолютно изолирующих систему от одного или нескольких воздействий, в природе не существует.

В дальнейшем мы будем рассматривать закрытые термодинамические системы в отсутствие электрического, магнитного и гравитационного полей, при этом вещество, составляющее систему, будем считать газообразным или жидким, что позволяет не принимать во внимание деформацию. Тогда работа системы будет связана только с изменением её объёма.