Состояние термодинамической системы. Параметры и функции состояния

Состояние рассматриваемой ТС определяется совокупностью физических величин, характеризующих данную ТС. По изменениям этих величин можно проследить за изменениями в ТС при ее взаимодействии с окружающей средой.

Состояние ТС является равновесным, если в ТС наблюдается равномерное распределение физических величин. Так, для простой ТС во всех ее точках должны быть одинаковыми температура и давление. Если в ТС идут процессы выравнивания неравномерностей физических величин, то состояние системы является неравновесным. Состояние ТС изменяется в результате обмена энергией и массой между ТС и окружающей средой.

Параметрами и функциями состояния ТС называют физические величины, значения которых не зависят от пути, по которому ТС пришла в данное состояние, т.е. от предыстории ТС. К параметрам состояния относятся величины, которые имеют простую физическую природу и могут быть непосредственно измерены: температура Т, давление р, плотность r и удельный объем v. Эти параметры выражают интенсивные свойства. Функции состояния имеют сложную физическую природу и не могут быть непосредственно измерены. К ним относятся: внутренняя энергия U, энтальпия Н, энтропия S и другие величины.

На ТС при взаимодействии ее с окружающей средой действуют термодинамические силы, которые называются потенциалами термодинамических воздействий или обобщенными силами. К ним относятся механические силы: давление р [Па], касательное напряжение р_t [Па], сила F [Н] и обобщенные силы немеханического характера: температура Т [К], напряженность магнитного поля Н [А/м], напряженность электрического поля Е [В/м].

Каждой обобщенной силе соответствует обобщенная координата. Обобщенными координатами называются параметры состояния, изменяющиеся при наличии взаимодействия данного рода. Так для простой ТС обобщенной силе – давлению р соответствует обобщенная координата – объем v, поскольку перемещение поршня приводит к изменению объема ТС. Для обобщенной силы – температуры Т роль обобщенной координаты выполняет энтропия S [Дж/К].

Различие значений обобщенной силы на границе между ТС и окружающей средой приводит к взаимодействию данного рода, т.е. к передаче энергии в данной форме. Это необходимое условие возникновения в ТС различных процессов: теплообмена и различных видов работ.

Все физические величины, характеризирующие ТС, подразделяются на независимые, которые задаются, и зависимые, которые вычисляются через известные параметры, а также на калорические и термические, интенсивные и экстенсивные, полные и относительные.

Калорические величины – это величины, которые выражаются в единицах энергии. Например: внутренняя энергия U [Дж], энтропия S [Дж/К], теплота Q [Дж], работа L [Дж], теплоемкость С [Дж/К] и др. Термические величины – это величины, чей физический смысл не связан непосредственно с понятием энергии. Например: термодинамическая температура Т [К], давление р [Па] и др.

Параметры, не зависящие от количества вещества ТС, выражают интенсивные свойства ТС. К ним относится:

1. термодинамическая температура Т,[К] (абсолютная термодинамическая шкала температур Кельвина), которая связана с эмпирической шкалой температур Цельсия t,⁰С (стоградусная международная температурная шкала) формулой:

Абсолютная термодинамическая шкала температур определяется с помощью тройной точки воды в качестве реперной точки со значением 273,15К, а нижней границей шкалы служит абсолютный нуль температур.

Эмпирической температурой называется мера отклонения тела от состояния теплового равновесия с тающим льдом, находящимся под давлением в 1 физическую атмосферу. Измеряется эта температура термометрами: ртутным, спиртовым, газовым и др. На термометре наносят исходные опорные точки-реперы, отвечающие устойчивым тепловым состоянием: таяния льда (0⁰С) и кипения воды (100⁰С) при р =1 физ.атм.

Эмпирическая шкала температур Фаренгейта имеет реперную точку при температуре тающей смеси равных долей льда и нашатырного спирта, которая принимается за 0⁰F. Эта точка лежит на 32⁰ F ниже 0⁰С, а интервал от 0⁰С до 100⁰С соответствует 180⁰F. Таким образом, шкала Цельсия связана со шкалой Фаренгейта формулой:

.

Цена деления шкалы Реомюра больше, чем шкалы Цельсия, т.к. интервал от 0⁰С до 100⁰С разбит на 80 частей.

2. Термодинамическое абсолютное давление:

, , [Па]

где р_М - манометрическое (избыточное) давление, измеряемое манометром; р_Б – барометрическое (атмосферное) давление, измеряемое барометром; р_В – давление, измеряемое вакуумметром (избыток барометрического давления над абсолютным давлением).

Давление газа р численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности и направленной по нормали к стенкам оболочки, в которой заключен газ. В системе СИ давление измеряется в Ньютонах на м² или Паскалях, т.е. 1Н/м²=1Па. Связь с другими системами единиц:

1техн.атм = 0,968физ.атм = 9,81×10⁴Па = 1кгс/см² = 10⁴кгс/м² = 735ммНg =
= 10000,3ммН₂О = 0,981бар.

3. Удельный объем рабочего тела v=V/m, м³/кг, где V, м³– объем ТС; m, кг – масса ТС.

4. Плотность – масса единицы объема рабочего тела, или массовая концентрация:

, кг/м³.

К параметрам, выражающим интенсивные свойства ТС относятся также напряженности электрического и магнитного полей и др.

Экстенсивными или аддитивными (суммируемыми) называются величины, значения которых пропорциональны количеству вещества ТС. Будем их обозначать прописными (заглавными) буквами. К ним относятся: внутренняя энергия U, энтальпия H, объем V, энтропия S и др. Эти величины называются также полными для m кг ТС.

Если ТС состоит из отдельных частей, то значение экстенсивной величины для ТС равно сумме значений этой величины для всех частей ТС.

Для гомогенной, однородной ТС удобно использовать относительные величины:

1. Удельные величины, отнесенные к 1 кг вещества. Например: v=V/m – удельный объем, м³/кг; h=H/m – удельная энтальпия, Дж/кг; u=U/m - удельная внутренняя энергия, Дж/кг; s=S/m – удельная энтропия, Дж/кгК и др.

2. объемные величины, отнесенные к 1м³ вещества: - массовая концентрация, кг/м³ и др.

3. Молярные величины, отнесенные к 1 молю вещества. Будем обозначать эти величины прописными (заглавными) буквами со знаком «Ù» сверху буквы: - молярный объем, м³/моль, где n – количество вещества, моль; - молярная масса, кг/моль; - молярная энтальпия, Дж/моль; - молярная внутренняя энергия, Дж/моль; - молярная энтропия, Дж/(мольК) и др.

Молем газа называется количество газа, весящего столько граммов, сколько единиц в относительной молекулярной массе М:

кг/моль.

Напомним, что в одном моле любого вещества содержится N_А=6,022×10²³, моль^-1, частиц (молекул) газа, где N_A – число (постоянная) Авагадро. В соответствии с законом Авагадро в равных объемах разных газов при одинаковых давлении и температуре содержится равное число молекул. Массы молей разных газов различны, но их молярные объемы при одинаковых физических условиях одинаковы, т.е. не зависят от природы газа.

При t=0⁰C и 1физ.атм м³/моль,

при t=15⁰С и 1техн.атм м³/моль.

Для характеристики масс частиц вещества будем использовать величины:

1. Молекулярная масса – масса одной структурной частицы – m₁, кг.

2. Относительная молекулярная масса .
М – величина безразмерная и приводится в таблицах для каждого индивидуального вещества в справочниках.

3. Молярная масса – масса одного моля данного вещества , кг/моль, где N_A – число Авагадро.