Объектом изучения термодинамики является термодинамическая система.
Термодинамическая система (или просто система) – это тело или совокупность тел, выделяемых в пространстве с помощью реально существующей или воображаемой границы. Иными словами, система – это та часть материального мира, которая является предметом нашего наблюдения или исследования. Системой может быть, например, колба с реакционной смесью, человек, теплообменник на предприятии.
Остальная часть материального мира, т.е. за пределами условно выделенной из него системы, – окружающая среда.
Термодинамическая система обязательно должна содержать большое число частиц (молекул, атомов). Системы с малым числом частиц термодинамика не рассматривает.
Взаимодействие системы с окружающей средой состоит из обмена энергией и веществом. Различают открытые, закрытые и изолированные системы.
Состояние любой термодинамической системы может быть охарактеризовано количественно с помощью термодинамических параметров состояния. Различают два типа параметров состояния.
|
|
Экстенсивные параметры пропорциональны количеству вещества системы. Например, объем, масса, площадь поверхности, заряд.
Интенсивные параметры не зависят от количества вещества (температура, давление, поверхностное натяжение). Интенсивными параметрами являются также удельные (т.е. отнесенные к чему-либо) значения экстенсивных параметров, например, концентрации веществ, мольные объемы.
Уравнения, связывающие параметры состояния термодинамической системы, – уравнения состояния данной системы.
Например, уравнением состояния идеального газа является уравнение Менделеева-Клапейрона
. (1.1)
В качестве параметров состояния идеального газа могут быть выбраны любые два параметра из трех – p, V, T. Этого достаточно, поскольку третий параметр может быть рассчитан по уравнению (1.1).
Процесс – это любое изменение в системе, приводящее к изменению, по крайней, хотя бы одного параметра состояния.
Отметим некоторые частные виды процессов:
1) изотермический (T = const);
2) изобарный (р = const);
3) изохорный (V = const);
4) адиабатический (нет теплообмена с окружающей средой);
5) изобарно-изотермический (р, T = const);
6) изохорно-изотермический (V, T = const).
Если в результате процесса система возвращается в исходное состояние, такой процесс называется круговым (или циклом). Циклические процессы часто совершаются в природе и технике, например, при работе двигателя внутреннего сгорания.
Материя не может существовать без движения, а мерой движения является энергия.
Энергия (философская категория) – это мера способности системы совершать работу. Энергия может существовать в разнообразных формах, например, химическая, электрическая, механическая, ядерная, солнечная энергия.
|
|
Механическая энергия, в свою очередь, подразделяется на кинетическую энергию и потенциальную энергию.
Кинетическая энергия – это энергия, связанная с движением тела.
Потенциальная энергия – это энергия, запасенная телом.
Химическая система может состоять из атомов, молекул и ионов либо из любой их комбинации. Все эти частицы обладают кинетической и потенциальной энергией. Сумма кинетической и потенциальной энергий всех частиц в системе называется внутренней энергией системы. Внутренняя энергия обозначается буквой U.
Кинетическая энергия движения самой системы и потенциальная энергия положения ее в пространстве во внутреннюю энергию не входят.
Абсолютное значение внутренней энергии определить невозможно, но легко найти изменение ее Δ U при переходе системы из исходного состояния 1 в конечное 2:
Δ U = U 2 – U 1.
Величина Δ U считается положительной, если в рассматриваемом процессе внутренняя энергия системы возрастает.
Работа А и теплота Q – две возможные формы передачи энергии от одной системы к другой. При этом теплота связана с беспорядочным (хаотическим) перемещением микрочастиц: энергия передается путем хаотических столкновений молекул соприкасающихся тел, т.е. путем теплопроводности. Работа – форма передачи энергии путем упорядоченного движения частиц. Например, расширение газа, находящегося под давлением.
Теплота и работа, в отличие от внутренней энергии, не являются свойствами системы: они возникают только тогда, когда возникает процесс, и характеризуют только процесс. Теплота и работа в общем случае являются функцией процесса.
Внутренняя энергия – функция состояния. Термодинамические функции состояния – это величины, которые зависят от параметров состояния.
Термодинамические функции состояния имеют ряд важных свойств.
1) Изменение функции состояния определяется только исходным и конечным состоянием системы и не зависит от пути перехода этой системы из исходного в конечное состояние. С математической точки зрения это означает, что любое бесконечно малое изменение функции состояния системы является полным дифференциалом:
.
В круговом процессе конечное состояние совпадает с начальным, поэтому любая функция состояния принимает первоначальное значение, а ее изменение равно нулю:
.
2) Свойство аддитивности: величина термодинамической функции для всей системы складывается из величин этой функции для определенных частей системы.
Единица измерения Q, U, A в системе СИ – Дж (Н×м).