2021-07-07
62
Глава 1.Термодинамика. Основные понятия и законы термодинамики.
§1. Термодинамическая система. Состояние термодинамической системы. Температура.
Рассматривая в разделе механика тела или системы тел, мы интересовались только вопросами движения и взаимодействия таких тел, не задаваясь вопросом, как устроены эти тела, какими свойствами обладает вещество, из которого они состоят.
Все тела состоят из огромного количества атомов и молекул. Все эти атомы и молекулы находятся в непрерывном движении, которое называют тепловым, и постоянно взаимодействуют друг с другом. Такие системы из микрочастиц называются термодинамическими системами. Термодинамические системы могут быть газом, находящимся в каком-то объеме, твердым телом или совокупностью твердых тел, жидкостью или комбинацией этих тел.
Для описания процессов, которые происходят, в таких телах существует два способа – статистический и термодинамический. Поэтому один и тот же круг явлений - макроскопические процессы в телах изучают как бы две науки: термодинамика и молекулярная физика.
Термодинамика или общая теория теплоты является аксиоматической наукой. Она не вводит никаких специальных гипотез и конкретных представлений о строении вещества и физической природе теплоты. Ее выводы основаны на общих принципах или началах, являющихся обобщением опытных фактов.
Термодинамическая система может находиться в различных состояниях, которые отличаются рядом макроскопических величин, называемых параметрами состояния. К ним относятся: температура Т, давление Р, объем V, плотность ρ и т.д.
Параметры состояния не всегда имеют определенное значение. Такие состояния, в которых хотя бы один из параметров не имеет определенного значения, называется неравновесным.
Если все параметры состояния имеют определенное значение, не изменяющееся во времени, то такое состояние термодинамической системы называется равновесным.
Если термодинамическая система не обменивается с внешней средой ни энергией, ни веществом, то такая система называется изолированной (или замкнутой).
Если систему, находящуюся в неравновесном состоянии, изолировать от внешней среды, т.е. предоставить самой себе, то она придет в равновесное состояние. Такой переход называется релаксацией.
Время, за которое первоначальное отклонение какой-либо величины от равновесного значения в е раз, называется временем релаксации и обозначается τ. Для каждого параметра состояния имеется свое время релаксации. Наибольшее из этих времен представляет собой время релаксации системы.
Состояние, описанное с помощью макроскопических параметров, называется макроскопическим состоянием или макросостоянием.
В классической механике мгновенное состояние механической системы определяется координатами и скоростью частиц, из которых состоит система. В молекулярной физике буквальное применение такого способа описания состояния термодинамических систем сводилось бы к определению в каждый момент времени координат и скоростей всех молекул и атомов, а также электронов, атомных ядер и прочих частиц, из которых построены тела. Состояние, описанное столь детально, называется микросостоянием. Это понятие может быть связано с макроскопическими свойствами вещества.
Понятие температуры вводят для характеристики различной степени нагретости тел. Она является количественной мерой степени нагретости и относится к величинам, которые зависят только от внутреннего состояния тела. Чтобы определить температуру количественно, необходимо установить температурную шкалу. Основной частью большинства термометров является термометрическое тело, приводимое в тепловой контакт с телом, температуру которого необходимо измерить.
Физическая величина, служащая индикатором температуры, называется термометрической величиной. Так, в жидкостных термометрах термометрическим телом служит жидкость (например, ртуть) в резервуаре термометра, а термометрической величиной – ее объем. Далее выбираются две реперные точки, которым приписывают определенную разность температур, например точки плавления льда и кипения воды и обозначают ∆Т=1000С. Т.о. определяют 10С. Это шкала Цельсия.
В так называемой абсолютной термодинамической шкале температур или шкале Кельвина принимают по определению за реперную точку - тройную точку воды, температуру которой полагают равной 273,16 градуса. Это делается для того, чтобы 10 по шкале Цельсия был равен 10 по шкале Кельвина. Температура, определенная по шкале Кельвина называется абсолютной температурой. Обозначается Т и связана со шкалой Цельсия формулой:
T = t + 273.16,
Где t – температура, определенная по шкале Цельсия.
В зависимости от того, какое вещество в термометре является термометрическим телом, различают термометры: газовые, спиртовые, ртутные, термометры сопротивления и прочее.
Температура, равная 00К, называется абсолютным нулем температуры: ему соответствует t = -273,160С. Температура t = 00 С соответствует
Т = 273,16 К.
