Термодинамическая система

 

Объект изучения в термодинамике называется термодинамической системой, а все, что лежит вне его границ, – окружающей средой. Термодинамической системой называется совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией как друг с другом, так и с окружающей (внешней) средой.

Простейшим примером термодинамической системы (тела) может служить газ, находящийся в цилиндре с поршнем. К окружающей среде следует отнести цилиндр и поршень, воздух, который окружает их, стены помещения, где находится цилиндр с поршнем, и т. д.

Если термодинамическая система не имеет никаких взаимодействий с окружающей средой, то ее называют изолированной, или замкнутой, системой.

Система, окруженная так называемой адиабатной оболочкой, исключающей теплообмен с окружающей средой, называется теплоизолированной, или адиабатной. Системой. Примером теплоизолированной системы является рабочее тело, находящееся в сосуде, стенки которого покрыты идеальной тепловой изоляцией, исключающей теплообмен между рабочим телом и окружающей средой.

 

Термодинамический процесс

 

Основные термодинамические параметры состояния р, υ и Т однородного тела зависят один от другого и взаимно связаны определенным математическим уравнением вида

 

F(ρ,υ,Т)=0,                                                (1.8)

которое в термодинамике называют уравнением состояния. Если известно уравнение состояния, то для определения состояния рабочего тела достаточно знать две независимые переменные из числа трех:

 

р=f₁ (υ,T); υ=f₂ (p,T); T=f₃ (υ,p).                        (1.9)

 

Если внешние условия, в которых находится термодинамическая система, изменяются, то будет изменяться и состояние системы. Совокупность изменений состояния термодинамической системы при переходе из одного равновесного состояния в другое называют термодинамическим процессом.

Под равновесным состоянием тела понимают такое, при котором во всех точках его объема давление, температура, удельный объем и все другие физические свойства одинаковы.

Процесс изменения состояния системы может быть равновесным и неравновесным. Если процесс, протекая, проходит через равновесные состояния, то его называют равновесным или обратимым.

Термодинамика в первую очередь рассматривает равновесные состояния и равновесные процессы изменения состояния термодинамической системы. Только равновесные состояния могут быть описаны количественно с помощью уравнения состояния.

Равновесный процесс можно осуществить при бесконечно медленном изменении внешних условий или когда изменения параметров, характеризующих состояние системы, бесконечно малы по сравнению со значениями самих параметров. Следовательно, реальные процессы, будучи неравновесными, могут лишь в той или иной степени приближаться к равновесным, никогда в точности с ними не совпадая. Их называют необратимыми процессами.

С математической точки зрения уравнение состояния (1.8) в трехосной системе координат р, υ  и Т  выражает некоторую поверхность, которая называется термодинамической поверхностью.

В технической термодинамике для исследования равновесных термодинамических процессов чаще всего применяют двухосную систему координат pυ, в которой осью абсцисс является удельный объем, а осью ординат – давление.

Изменение параметра состояния в любом термодинамическом процессе не зависит от вида процесса, а целиком определяется начальным и конечным состояниями. Поэтому можно сказать, что любой параметр состояния является также функцией состояния.

 

 

Теплота и работа

 

Диалектический материализм учит, что неотъемлемым свойством материи является движение; оно неуничтожаемо, как сама материя. Движение материи проявляется в разных формах, которые могут переходить одна в другую. Мерой движения материи является энергия.

Как показывают опыты, при протекании термодинамического процесса тела, участвующие в этом процессе, обмениваются между собой энергией. В результате энергия одних тел увеличивается, а других – уменьшается.

Передача энергии в процессе от одного тела к другому может происходить двумя способами.

Первый способ передачи энергии реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел. При этом энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому, т. е. от тела, имеющего большую среднюю кинетическую энергию молекул, к телу, с меньшей средней кинетической энергией молекул. Количество энергии, переданной первым способом от одного тела к другому, называют количеством теплоты, а сам способ – передачей энергии в форме теплоты. Количество энергии, полученное телом в форме теплоты, будем в дальнейшем называть подведенной (сообщенной) теплотой, а количество энергии, отданное телом в форме теплоты, – отведенной (отнятой) теплотой.

Теплота, так же как и любая энергия, измеряется в джоулях или килоджоулях. Принято обозначать произвольное количество теплоты через Q, а удельное (отнесенное к 1 кг) – через q. Подведенная теплота считается положительной, отведенная – отрицательной.

Второй способ передачи энергии связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления. Иначе говоря, передача энергии в этом случае происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве.

Этот способ называется передачей энергии в форме работы, а количество переданной энергии в процессе – работой.

Количество энергии, полученное телом в форме работы, будем называть далее совершенной над телом работой, а отданную энергию в форме работы – затраченной телом работой. Работа также измеряется в джоулях или килоджоулях. Затраченная телом работа считается положительной, а совершенная над телом работа – отрицательной.

Произвольное количество энергии, переданное в форме работы, обозначают через L, а удельное – через l.

В общем случае передача энергии в форме теплоты и в форме работы может происходить одновременно. При этом важно отметить, что в различных термодинамических процессах в зависимости от условий их протекания количество теплоты и работы будет различно.

Следовательно, теплота и работа характеризуют качественно и количественно две различные формы передачи движения от одних тел материального мира к другим.

Работа представляет собой макрофизическую форму передачи энергии, а теплота есть совокупность микрофизических процессов, поскольку передача энергии этим способом происходит на молекулярном уровне без видимого движения тел. Количества теплоты и работы являются мерами энергии, переданной телам в форме работы и в форме теплоты.

Количество теплоты, полученное телом, и работа, произведенная телом, зависят от условий перехода тела из начального в конечное состояние, т. е. зависят от характера процесса.