Термодинамический процесс – изменение макроскопического состояния системы

Всякий процесс, т. е. переход системы из одного макроскопического состояния в другое, связан с нарушением равновесия системы. Следовательно, при протекании в системе какого-либо процесса она проходит через последовательность неравновесных состояний. Обращаясь к уже рассмотренному процессу сжатия газа в сосуде, закрытом поршнем, можно заключить, что нарушение равновесия при вдвигании поршня тем значительнее, чем быстрее производится сжатие газа. Если вдвигать поршень очень медленно, то равновесие нарушается незначительно и давление в разных точках мало отличается от некоторого среднего значения р. В пределе, если сжатие газа происходит бесконечно медленно, газ в каждый момент времени будет характеризоваться определенным значением давления. Следовательно, в этом случае состояние газа в каждый момент времени является равновесным и бесконечно медленный процесс будет состоять из последовательности равновесных состояний.

Процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний, называется равновесным (или квазистатическим). Из сказанного следует, что равновесным может быть только бесконечно медленный процесс, поэтому равновесный процесс является абстракцией, моделью, которая используется для построения математической теории реальных процессов.

Равновесный процесс может быть изображен на графике соответствующей кривой (рис. 1). Неравновесные процессы мы будем условно изображать пунктирными кривыми.

Понятия равновесного состояния и равновесного процесса играют большую роль в термодинамике. Все количественные выводы термодинамики строго применимы только к равновесным процессам.

Основными параметрами, при помощи которых описывается состояние системы, являются давление (p), объем (V), температура (T). Эти параметры являются макроскопическими параметрами, в отличие от параметров, характеризующих атомы и молекулы, которые являются микроскопическими параметрами.

Давление - скалярная физическая величина, равная отношению нормальной составляющей силы давления F_n к площади поверхности S:

. (4)

За единицу давления принимается такое давление, при котором на 1м² действует сила 1Н. Называется эта единица давления паскаль (Па):

.

В технике широко используется внесистемная единица измерения давления – техническая атмосфера (ат):

1 ат = 98066,5 Па ≈ 9,81*10⁴ Па.

Для практических целей используют так же миллиметры ртутного столба (мм рт. ст.):

1 мм рт. ст. = 133,322 Па

И физическую атмосферу, которая отличается от технической атмосферы:

1 атм = 760 мм рт. ст. = 1,01325*10⁵Па.

Объем – область пространства, занимаемая системой. Размерность объема – м³.

Понятие температуры имеет смысл для равновесных состояний системы. Равновесным состоянием (состоянием термодинамического равновесия) называется состояние системы, не изменяющееся с течением времени.

Температура равновесного состояния — это мера интенсивности теплового движения ее частиц (атомов, ионов). В термодинамике температура – это физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Температурные шкалы устанавливаются опытным путем. В международной стоградусной шкале температура измеряется в градусах Цельсия (°С) и обозначается t. Считается, что при нормальном давлении в 1,01325*10⁵Па температура плавления льда равна 0°С, кипения воды — 100°С.

В термодинамической шкале температур температура измеряется в кельвинах (К) и обозначается Т.

Абсолютная температура Т и температура t по стоградусной шкале связаны соотношением:

T = t + 273,15.

Температура Т = 0 (t = -273,15°С) называется абсолютным нулем температуры. За абсолютный нуль температуры принимается температура, при которой прекращается тепловое движение молекул.

Параметры состояния равновесной системы зависят друг от друга. Соотношение, устанавливающее зависимость давления р в системе от объема V и температуры Т, называется уравнением состояния.