Состояние термодинамической (ТД) системы

1. ТД система может находиться в различных состояниях, характеризующихся её объёмом V, распределением температур Т и давлений р. Эти параметры р, V и Т называются параметрами состояния ТД системы.

2. ТД система среди всех возможных состояний имеет одно особое − состояние ТД равновесия: это состояние, которое устанавливается в системе, если внешние условия остаются неизменными достаточно долгое время. В состоянии ТД равновесия р и Т постоянны по всему объёму системы, а сам объём не меняется.

3.Если температура в различных частях системы различна, то со временем она будет меняться, выравниваясь. В этом случае состояние системы является неравновесным. Аналогично можно создать неравновесное состояние по давлению, если, например, газ быстро сжать в каком-либо месте: некоторое время давление будет выравниваться.

Определение. Характерное время установления равновесия в системе по всем параметрам называется временем релаксации. Так как дольше всех устанавливается температура, то она и определяет время релаксации.

4.В состоянии ТД равновесия частиц параметры состояния р, V и Т не являются независимыми, а связаны некоторым соотношением

f (p, V,Т) = 0,                                                 (2.1)

которое называется уравнением состояния ТД системы. Его конкретный вид зависит от свойств вещества системы.

Каждый из трёх параметров в уравнении (2.1) можно выразить явной и однозначной функцией двух других, поэтому независимых параметров – два, т. е. состояние системы полностью определяется любыми двумя параметрами из трёх. А это означает, что на любой из трёх координатных четвертьплоскостей – (p, V), (p, Т) или (V, Т) – равновесное состояние ТД системы можно изобразить точкой (рис. 2.1, а, б, в).

Для неравновесных состояний параметры p или Т не определены, поэтому неравновесное состояние никак нельзя изобразить на этих плоскостях.

5. Переход системы их одного равновесного состояния 1 в другое 2 сопровождается нарушением равновесия. Однако, если переход 1→2 осуществлять достаточно медленно, намного дольше времени релаксации, в пределе – бесконечно медленно, квазистатически, например, медленно повышать температуру газа в баллоне, то можно считать, что переход 1→2 состоит из последовательности равновесных состояний, которая на соответствующей диаграмме изобразится непрерывной последовательностью точек, т. е. линией (рис. 2.2).

Определение. Процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний, называется квазистатическим, или равновесным.

Если процесс может быть проведён точно в обратном направлении, т.е. через те же промежуточные равновесные состояния, то он называется обратимым.

Всякий равновесный процесс является обратимым. Неравновесный процесс не является обратимым, т. е. вернуться в исходную точку хоть и можно, но уже не тем путём; и более того – неравновесный процесс вообще нельзя изобразить линией в координатах (p, V), (p, Т) или (V, Т), т. е. не определено само понятие пути процесса.

6. Определение. Процесс, при котором ТД система после ряда изменений квазистатически возвращается в исходное состояние каким-либо иным путём, называется циклическим.

Графически циклический равновесный процесс изображается замкнутой линией (рис. 2.3).