Pagina 1

Un sistem termodinamic, ca orice alt sistem fizic, are o anumită cantitate de energie, care se numește de obicei energia internă a sistemului.

Un sistem termodinamic se numește izolat dacă nu poate face schimb de energie sau materie cu mediul. Un exemplu de astfel de sistem este un gaz închis într-un vas cu volum constant. Un sistem termodinamic se numește adiabatic dacă nu poate face schimb de energie cu alte sisteme prin schimb de căldură.

Un sistem termodinamic este un set de corpuri care, într-o măsură sau alta, pot face schimb de energie și materie între ele și mediul înconjurător.

Sistemele termodinamice sunt împărțite în sisteme închise care nu fac schimb de materie cu alte sisteme și sisteme deschise care schimbă materie și energie cu alte sisteme. În cazurile în care sistemul nu face schimb de energie și materie cu alte sisteme, se numește izolat, iar când nu există transfer de căldură, sistemul se numește adiabatic.

Sistemele termodinamice pot consta din amestecuri de substanțe pure. Un amestec (soluție) se numește omogen atunci când compoziția chimică și proprietățile fizice ale oricăror particule mici sunt aceleași sau se modifică continuu dintr-un punct al sistemului în altul. Densitatea, presiunea și temperatura unui amestec omogen sunt identice în orice punct. Un exemplu de sistem omogen este un anumit volum de apă, a cărui compoziție chimică este aceeași, dar proprietățile fizice se modifică de la un punct la altul.

Un sistem termodinamic cu un anumit raport cantitativ al componentelor se numește un singur sistem fizico-chimic.

Sistemele termodinamice (corpurile macroscopice), împreună cu energia mecanică E, au și energie internă U, care depinde de temperatură, volum, presiune și alți parametri termodinamici.

Un sistem termodinamic se numește neizolat sau neînchis, dacă poate primi sau degaja căldură mediului înconjurător și poate lucra, iar mediul extern poate lucra asupra sistemului. Un sistem este izolat, sau închis, dacă nu are schimb de căldură cu mediul, iar o modificare a presiunii în interiorul sistemului nu afectează mediul, iar acesta din urmă nu poate lucra asupra sistemului.

Sistemele termodinamice constau dintr-un număr mare statistic de particule.

Un sistem termodinamic în anumite condiții externe (sau un sistem izolat) intră într-o stare caracterizată prin constanța parametrilor săi în timp și absența fluxurilor de materie și căldură în sistem. Această stare a sistemului se numește echilibru sau stare de echilibru. Sistemul nu poate ieși spontan din această stare. Starea unui sistem în care nu există echilibru se numește neechilibru. Procesul de trecere treptată a unui sistem de la o stare de neechilibru, cauzată de influențe externe, la o stare de echilibru se numește relaxare, iar intervalul de timp pentru revenirea sistemului la o stare de echilibru se numește timp de relaxare.

Sistemul termodinamic în acest caz realizează munca de dilatare prin reducerea energiei interne a sistemului.

Un sistem termodinamic este un obiect de studiu în termodinamică și este o colecție de corpuri care interacționează energetic între ele și mediul și fac schimb de materie cu acesta.

Un sistem termodinamic, lăsat singur în condiții externe constante, ajunge într-o stare de echilibru, caracterizată prin constanța tuturor parametrilor și absența mișcărilor macroscopice. Această stare a sistemului se numește starea de echilibru termodinamic.

Un sistem termodinamic este caracterizat de un număr finit de variabile independente - mărimi macroscopice numite parametri termodinamici. Unul dintre parametrii macroscopici independenți ai unui sistem termodinamic, care îl deosebește de un sistem mecanic, este temperatura ca măsură a intensității mișcării termice. Temperatura corpului se poate modifica din cauza schimbului de căldură cu mediul și a acțiunii surselor de căldură și ca urmare a procesului de deformare în sine. Relația dintre deformare și temperatură se stabilește folosind termodinamică.

Termodinamica este o știință care studiază fenomenele termice care apar în corpuri fără a le lega de structura moleculară a materiei.

În termodinamică se consideră că toate procesele termice din corpuri sunt caracterizate doar de parametri macroscopici- presiune, volum și temperatură. Și întrucât nu pot fi aplicate moleculelor sau atomilor individuali, atunci, spre deosebire de teoria molecular-cinetică, în termodinamică nu se ia în considerare structura moleculară a unei substanțe în procesele termice.

Toate conceptele de termodinamică sunt formulate ca o generalizare a faptelor observate în cursul experimentelor. Din această cauză, se numește teoria fenomenologică (descriptivă) a căldurii.

Sisteme termodinamice

Termodinamica descrie procesele termice care au loc în sistemele macroscopice. Astfel de sisteme constau dintr-un număr mare de particule - molecule și atomi și sunt numite termodinamice.

sistem termodinamic poate fi considerat orice obiect care poate fi văzut cu ochiul liber sau cu ajutorul microscoapelor, telescoapelor și altor instrumente optice. Principalul lucru este că dimensiunile sistemului în spațiu și timpul existenței sale fac posibilă măsurarea parametrilor acestuia - temperatura, presiunea, masa, compoziția chimică a elementelor etc., folosind instrumente care nu răspund la influența molecule individuale (manometre, termometre etc.).

Pentru chimiști, un sistem termodinamic este un amestec de substanțe chimice care interacționează între ele în timpul unei reacții chimice. Astrofizicienii vor numi un astfel de sistem corp ceresc. Un amestec de combustibil și aer într-un motor de automobile, globul, corpul nostru, un pix, un caiet, o mașină unealtă etc. sunt, de asemenea, sisteme termodinamice.

Fiecare sistem termodinamic este separat de mediu prin limite. Ele pot fi reali - pereții de sticlă ai unei eprubete cu o substanță chimică, un corp de cilindru într-un motor etc. Și pot fi condiționate, atunci când, de exemplu, studiază formarea unui nor în atmosferă.

Dacă un astfel de sistem nu schimbă nici energie, nici materie cu mediul, atunci se numește izolat sau închis .

Dacă sistemul schimbă energie cu mediul extern, dar nu face schimb de materie, atunci se numește închis .

sistem deschis face schimb de energie și materie cu mediul.

Echilibru termodinamic

Acest concept este introdus și în termodinamică ca o generalizare a rezultatelor experimentale.

Echilibru termodinamic numită o astfel de stare a sistemului în care toate mărimile sale macroscopice - temperatură, presiune, volum și entropie - nu se modifică în timp dacă sistemul este izolat. Orice sistem termodinamic închis poate trece spontan într-o astfel de stare dacă toți parametrii externi rămân constanți.

Cel mai simplu exemplu de sistem în echilibru termodinamic este un termos cu ceai fierbinte. Temperatura din el este aceeași în orice punct al lichidului. Deși un termos poate fi numit sistem izolat doar aproximativ.

Orice sistem termodinamic închis tinde spontan să intre în echilibru termodinamic dacă parametrii externi nu se modifică.

Proces termodinamic

Dacă cel puțin unul dintre parametrii macroscopici se modifică, atunci ei spun că sistemul este proces termodinamic . Un astfel de proces poate apărea dacă parametrii externi se modifică sau sistemul începe să primească sau să transmită energie. Ca urmare, intră într-o altă stare.

Luați în considerare exemplul ceaiului într-un termos. Dacă scufundăm o bucată de gheață în ceai și închidem termosul, atunci imediat va exista o diferență de temperatură în diferite părți ale lichidului. Lichidul din termos va tinde să egaleze temperaturile. Din zonele cu o temperatură mai mare, căldura va fi transferată acolo unde temperatura este mai scăzută. Adică va avea loc un proces termodinamic. În cele din urmă, temperatura ceaiului din termos va deveni din nou aceeași. Dar va fi deja diferită de temperatura inițială. Starea sistemului s-a schimbat deoarece temperatura acestuia s-a schimbat.

Procesul termodinamic are loc atunci când nisipul încălzit pe plajă într-o zi fierbinte se răcește noaptea. Spre dimineață, temperatura lui scade. Dar de îndată ce soarele răsare, procesul de încălzire va începe din nou.

Energie interna

Unul dintre conceptele principale ale termodinamicii este energie interna .

Toate corpurile macroscopice au energie internă, care este suma energiilor cinetice și potențiale ale tuturor particulelor (atomi și molecule) care alcătuiesc corpul. Aceste particule interacționează numai între ele și nu interacționează cu particulele din mediu. Energia internă depinde de energia cinetică și potențială a particulelor și nu depinde de poziția corpului însuși.

U = E k + E p

Energia internă se modifică odată cu temperatura. Teoria cinetică moleculară explică acest lucru prin modificarea vitezei de mișcare a particulelor de materie. Dacă temperatura corpului crește, atunci viteza de mișcare a particulelor crește, distanța dintre ele devine mai mare. În consecință, energia lor cinetică și potențială crește. Când temperatura scade, are loc procesul invers.

Pentru termodinamică, nu valoarea energiei interne este mai importantă, ci schimbarea acesteia. Și puteți schimba energia internă folosind procesul de transfer de căldură sau făcând lucrări mecanice.

Modificarea energiei interne prin lucru mecanic

Benjamin Rumford

Energia internă a unui corp poate fi schimbată făcându-i lucrări mecanice. Dacă se lucrează asupra corpului, atunci energia mecanică este convertită în energie internă. Și dacă munca este efectuată de corp, atunci energia sa internă este transformată în energie mecanică.

Aproape până la sfârșitul secolului al XIX-lea, se credea că există o substanță imponderabilă - calorică, care transferă căldura de la corp la corp. Cu cât curge mai multe calorii în organism, cu atât va fi mai cald și invers.

Cu toate acestea, în 1798, omul de știință anglo-american contele Benjamin Rumford a început să se îndoiască de teoria caloricului. Motivul pentru aceasta a fost încălzirea țevilor pistolului în timpul forajului. El a sugerat că cauza încălzirii este munca mecanică care se face în timpul frecării burghiului pe butoi.

Și Rumfoord a făcut un experiment. Pentru a crește forța de frecare, au luat un burghiu tocit, iar butoiul în sine a fost plasat într-un butoi cu apă. Până la sfârșitul celei de-a treia ore de foraj, apa din butoi a început să fiarbă. Aceasta însemna că butoiul a primit căldură atunci când se lucra mecanic asupra lui.

Transfer de căldură

transfer de căldură numit procesul fizic de transfer de energie termică (căldură) de la un corp la altul, fie prin contact direct, fie printr-o partiție de separare. De regulă, căldura este transferată de la un corp mai cald la unul mai rece. Acest proces se încheie atunci când sistemul ajunge la o stare de echilibru termodinamic.

Energia pe care un corp o primește sau o eliberează în timpul transferului de căldură se numește cantitatea de căldură .

Conform metodei de transfer de căldură, transferul de căldură poate fi împărțit în 3 tipuri: conductivitate termică, convenție, radiație termică.

Conductivitate termică

Dacă există o diferență de temperatură între corpuri sau părți ale corpului, atunci va avea loc un proces de transfer de căldură între ele. conductivitate termică numit procesul de transfer al energiei interne de la un corp mai încălzit (sau o parte a acestuia) la un corp mai puțin încălzit (sau o parte a acestuia).

De exemplu, încălzind un capăt al unei bare de oțel pe foc, după un timp vom simți că și celălalt capăt al acestuia se încălzește.

Ținem cu ușurință o tijă de sticlă, al cărei capăt este fierbinte, de celălalt capăt, fără să ne ardem. Dar dacă încercăm să facem același experiment cu o tijă de fier, vom eșua.

Diferitele substanțe conduc căldura în mod diferit. Fiecare dintre ele are propriile sale coeficient de conductivitate termică, sau conductivitate, numeric egal cu cantitatea de căldură care trece printr-o probă de 1 m grosime, cu o suprafață de 1 m 2 în 1 secundă. 1 K este luat ca unitate de temperatură.

Metalele conduc cel mai bine căldura. Aceasta este proprietatea lor pe care o folosim în viața de zi cu zi, gătind în oale sau tigăi de metal. Dar mânerele lor nu ar trebui să se încălzească. Prin urmare, sunt fabricate din materiale cu conductivitate termică slabă.

Conductivitatea termică a lichidelor este mai mică. Și gazele au o conductivitate termică slabă.

Blana de animale este, de asemenea, un slab conductor de căldură. Datorită acestui fapt, nu se supraîncălzi pe vreme caldă și nu îngheață pe vreme rece.

Convenţie

Prin convenție, căldura este transferată prin jeturi și fluxuri de gaz sau lichid. Nu există nicio convenție în materie de solide.

Cum apare o convenție într-un lichid? Când punem un ibric cu apă pe foc, stratul inferior al lichidului se încălzește, densitatea acestuia scade, se mișcă în sus. Locul lui este luat de un strat mai rece de apă. După ceva timp, se va încălzi și se va schimba locul cu un strat mai rece. etc.

Un proces similar are loc în gaze. Nu este o coincidență că bateriile de încălzire sunt plasate în partea de jos a încăperii. La urma urmei, aerul încălzit se ridică întotdeauna în partea de sus a încăperii. Iar cel de jos, rece, dimpotrivă, cade. Apoi se încălzește și se ridică din nou, în timp ce stratul superior se răcește și se scufundă în acest timp.

Convenția este firească și forțată.

Convenția naturală are loc constant în atmosferă. Ca urmare, există mișcări constante ale maselor de aer cald în sus, iar cele reci - în jos. Rezultatul este vântul, norii și alte fenomene naturale.

Când convenția naturală nu este suficientă, folosesc convenția forțată. De exemplu, aerul cald curge într-o cameră cu ajutorul palelor ventilatorului.

Radiație termala

Soarele încălzește pământul. Nu este implicat transfer de căldură sau convenție. Deci de ce se încălzesc corpurile?

Cert este că Soarele este o sursă de radiație termică.

Radiație termala este radiația electromagnetică care apare datorită energiei interne a corpului. Toate corpurile din jurul nostru radiază energie termică. Aceasta poate fi lumina vizibilă de la o lampă de masă sau surse invizibile de raze ultraviolete, infraroșii sau gamma.

Dar corpurile nu doar radiază căldură. O consumă și ei. Unii într-o măsură mai mare, alții într-o măsură mai mică. În plus, corpurile întunecate se încălzesc și se răcesc mai repede decât cele luminoase. Pe vreme caldă, încercăm să purtăm haine deschise la culoare, deoarece acestea absorb mai puțină căldură decât hainele de culoare închisă. O mașină de culoare închisă se încălzește la soare mult mai repede decât o mașină de culoare deschisă care stă lângă ea.

Această proprietate a substanțelor de a absorbi și radia căldură în diferite moduri este utilizată în crearea sistemelor de vedere pe timp de noapte, sistemelor de orientare a rachetelor etc.

Același sistem poate fi în stări diferite. Fiecare stare a sistemului este caracterizată de un anumit set de valori ale parametrilor termodinamici. Parametrii termodinamici includ temperatura, presiunea, densitatea, concentrația etc. O modificare a cel puțin unui parametru termodinamic duce la o schimbare a stării sistemului în ansamblu. Cu constanța parametrilor termodinamici în toate punctele sistemului (volum), starea termodinamică a sistemului se numește echilibru.

Distinge omogenși eterogen sisteme. Sistemele omogene constau dintr-o fază, sistemele eterogene constau din două sau mai multe faze. faza - aceasta este o parte a sistemului, omogenă în toate punctele de compoziție și proprietăți și separată de alte părți ale sistemului prin interfață. Un exemplu de sistem omogen este o soluție apoasă. Dar dacă soluția este saturată și există cristale de sare în fundul vasului, atunci sistemul luat în considerare este eterogen (există o limită de fază). Apa simplă este un alt exemplu de sistem omogen, dar apa cu gheață care plutește în el este un sistem eterogen.

Pentru a descrie cantitativ comportamentul unui sistem termodinamic, introducem parametri de stare - cantități care determină în mod unic starea sistemului la un moment dat în timp. Parametrii de stare pot fi găsiți numai pe baza experienței. Abordarea termodinamică necesită ca acestea să fie măsurabile experimental cu instrumente macroscopice. Numărul de parametri este mare, dar nu toți sunt esențiali pentru termodinamică. În cel mai simplu caz, orice sistem termodinamic trebuie să aibă patru parametri macroscopici: masa M, volum V, presiune p si temperatura T. Primele trei dintre ele sunt determinate destul de simplu și sunt bine cunoscute din cursul de fizică.

În secolele XVII - XIX au fost formulate legile experimentale ale gazelor ideale. Să le amintim pe scurt. Izoprocese ale gazelor ideale - procese în care unul dintre parametri rămâne neschimbat. 1. Procesul izocor . Legea lui Charles. V = const. Procesul izocor numit procesul care are loc volum constant V. Comportamentul gazului în acest proces izocor se supune Legea lui Charles : Cu un volum constant și valori constante ale masei gazului și ale masei sale molare, raportul dintre presiunea gazului și temperatura sa absolută rămâne constant: P / T= const. Graficul procesului izocor pe PV-diagrama numită izocor . Este util să cunoaștem graficul procesului izocor pe RT- și VT-diagrame (Fig. 1.6). Ecuația izocoră: unde Р 0 - presiunea la 0 ° С, α - coeficientul de temperatură al presiunii gazului egal cu 1/273 deg -1. Graficul unei astfel de dependențe de Pt-diagrama are forma prezentată în Figura 1.7. Orez. 1.7 2. proces izobaric. legea lui Gay-Lussac. R= const. Un proces izobaric este un proces care are loc la o presiune constantă P . Comportamentul unui gaz într-un proces izobaric se supune legea lui Gay-Lussac : La presiune constantă și la valori constante ale masei gazului și ale masei sale molare, raportul dintre volumul gazului și temperatura sa absolută rămâne constant: V/T= const. Graficul procesului izobaric pe VT-diagrama numită izobară . Este util să cunoaștem graficele procesului izobaric pe PV- și RT-diagrame (Fig. 1.8). Orez. 1.8 Ecuația izobară: unde α \u003d 1/273 deg -1 - coeficientul de temperatură al expansiunii în volum. Graficul unei astfel de dependențe de Vt diagrama are forma prezentată în figura 1.9. Orez. 1.9 3. proces izotermic. Legea lui Boyle - Mariotte. T= const. izotermă procesul este un proces care are loc atunci când temperatura constanta T. Comportamentul unui gaz ideal într-un proces izoterm se supune Legea Boyle-Mariotte: La o temperatură constantă și valori constante ale masei gazului și ale masei sale molare, produsul dintre volumul gazului și presiunea acestuia rămâne constant: PV= const. Diagrama procesului izotermic PV-diagrama numită izotermă . Este util să cunoaștem graficele procesului izoterm pe VT- și RT-diagrame (Fig. 1.10). Orez. 1.10 Ecuația izotermei: (1.4.5) 4. proces adiabatic (izoentropic): Un proces adiabatic este un proces termodinamic care are loc fără schimb de căldură cu mediul. 5. proces politropic. Proces în care capacitatea termică a unui gaz rămâne constantă. Un proces politropic este un caz general al tuturor proceselor enumerate mai sus. 6. legea lui Avogadro. La aceleași presiuni și aceleași temperaturi, volume egale de gaze ideale diferite conțin același număr de molecule. Un mol de diferite substanțe conține N A\u003d 6,02 10 23 molecule (numărul Avogadro). 7. Legea lui Dalton. Presiunea unui amestec de gaze ideale este egală cu suma presiunilor parțiale P ale gazelor incluse în acesta: 8. Legea gazelor unite (Legea lui Clapeyron). În conformitate cu legile lui Boyle - Mariotte (1.4.5) și Gay-Lussac (1.4.3), putem concluziona că pentru o masă dată de gaz

amestecuri de gaze. Exemplele includ produse de ardere a combustibilului în motoarele cu ardere internă, cuptoare și cazane cu abur, aerul umed din instalațiile de uscare etc.

Legea principală care determină comportamentul unui amestec de gaze este legea lui Dalton: presiunea totală a unui amestec de gaze ideale este egală cu suma presiunilor parțiale ale tuturor componentelor sale:

Presiune parțială pi- presiunea pe care ar avea-o un gaz daca singur ar ocupa intregul volum al amestecului la aceeasi temperatura.

Metode de fixare a amestecului. Compoziția amestecului de gaze poate fi specificată prin masă, volum sau fracțiuni molare.

Fractiune in masa este raportul dintre masa unei singure componente Mi, la masa amestecului M:

Este evident că și .

Fracțiile de masă sunt adesea date ca procent. De exemplu, pentru aer uscat; .

Volumetric fracția este raportul dintre volumul redus de gaz V și volumul total al amestecului V: .

Dat este volumul pe care l-ar ocupa o componentă a unui gaz dacă presiunea și temperatura acestuia ar fi egale cu presiunea și temperatura amestecului.

Pentru a calcula volumul redus, scriem două ecuații de stare i-a componenta:

; (2.1)

.

Prima ecuație se referă la starea componentului gazos din amestec atunci când are o presiune parțială piși ocupă întregul volum al amestecului, iar a doua ecuație - la starea redusă, când presiunea și temperatura componentei sunt egale, ca și în cazul amestecului, Rși T. Din ecuaţii rezultă că

Însumând relația (2.2) pentru toate componentele amestecului, obținem, ținând cont de legea lui Dalton, de unde . Fracțiile de volum sunt adesea date ca procent. Pentru aer, .

Uneori este mai convenabil să specificați compoziția amestecului în fracții molare. Fracția molară numit raportul dintre numărul de moli Ni a componentului luat în considerare la numărul total de moli ai amestecului N.

Lăsați amestecul de gaze să fie format din N1 alunițe din prima componentă, N2 moli ai celui de-al doilea component etc. Numărul de moli ai amestecului și fracția molară a componentului vor fi egale cu .

În conformitate cu legea lui Avogadro, volumele unui mol de orice gaz la același Rși T,în special, la temperatura și presiunea amestecului, în starea de gaz ideală sunt aceleași. Prin urmare, volumul redus al oricărei componente poate fi calculat ca produs al volumului unui mol cu ​​numărul de moli ai acestei componente, adică și volumul amestecului - prin formulă. Apoi , și, în consecință, alocarea gazelor de amestec pe fracțiile molare este egală cu alocarea pe fracțiile sale de volum.

Constanta de gaz a unui amestec de gaze. Însumând ecuațiile (2.1) pentru toate componentele amestecului, obținem . Având în vedere, putem scrie

, (2.3)

. (2.4)

Energia totală a unui sistem termodinamic este suma energiei cinetice de mișcare a tuturor corpurilor incluse în sistem, energia potențială a interacțiunii lor între ele și cu corpurile externe și energia conținută în interiorul corpurilor sistemului. Dacă scădem din energia totală energia cinetică care caracterizează mișcarea macroscopică a sistemului în ansamblu și energia potențială a interacțiunii corpurilor sale cu corpurile macroscopice externe, atunci partea rămasă va fi energia internă a sistemului termodinamic.
Energia internă a unui sistem termodinamic include energia mișcării microscopice și interacțiunea particulelor sistemului, precum și energiile lor intramoleculare și intranucleare.
Energia totală a sistemului (și, în consecință, energia internă), precum și energia potențială a corpului în mecanică pot fi determinate până la o constantă arbitrară. Prin urmare, dacă nu există mișcări macroscopice în sistem și interacțiunea acestuia cu corpurile externe, este posibil să luăm componentele „macroscopice” ale energiilor cinetice și potențiale egale cu zero și să considerăm energia internă a sistemului egală cu energia sa totală. . Această situație apare atunci când sistemul se află într-o stare de echilibru termodinamic.
Să introducem o caracteristică a stării de echilibru termodinamic - temperatura. Acesta este numele unei cantități care depinde de parametrii stării, de exemplu, de presiunea și volumul gazului și este o funcție a energiei interne a sistemului. Această funcție are de obicei o dependență monotonă de energia internă a sistemului, adică crește odată cu creșterea energiei interne.
Temperatura sistemelor termodinamice aflate în echilibru are următoarele proprietăți:
Dacă două sisteme termodinamice de echilibru sunt în contact termic și au aceeași temperatură, atunci sistemul termodinamic total este în echilibru termodinamic la aceeași temperatură.
Dacă orice sistem termodinamic de echilibru are aceeași temperatură cu alte două sisteme, atunci aceste trei sisteme sunt în echilibru termodinamic la aceeași temperatură.
Astfel, temperatura este o măsură a stării de echilibru termodinamic. Pentru a stabili această măsură, este oportun să se introducă conceptul de transfer de căldură.
Transferul de căldură este transferul de energie de la un corp la altul fără transfer de materie și lucru mecanic.
Dacă nu există transfer de căldură între corpurile aflate în contact termic între ele, atunci corpurile au aceleași temperaturi și sunt într-o stare de echilibru termodinamic unele cu altele.
Dacă într-un sistem izolat format din două corpuri, aceste corpuri se află la temperaturi diferite, atunci transferul de căldură va fi efectuat în așa fel încât energia să fie transferată de la un corp mai încălzit la unul mai puțin încălzit. Acest proces va continua până când temperaturile corpurilor sunt egale, iar sistemul izolat de două corpuri ajunge în starea de echilibru termodinamic.
Pentru apariția procesului de transfer de căldură, este necesar să se creeze fluxuri de căldură, adică este necesară o ieșire din starea de echilibru termic. Prin urmare, termodinamica de echilibru nu descrie procesul de transfer de căldură, ci doar rezultatul acestuia - trecerea la o nouă stare de echilibru. Descrierea procesului de transfer de căldură în sine este făcută în al șaselea capitol, dedicat cineticii fizice.
În concluzie, trebuie menționat că, dacă un sistem termodinamic are o temperatură mai mare decât altul, atunci nu va avea neapărat mai multă energie internă, în ciuda creșterii energiei interne a fiecărui sistem cu creșterea temperaturii acestuia. De exemplu, un volum mai mare de apă poate avea mai multă energie internă chiar și la o temperatură mai scăzută decât un volum mai mic de apă. Totuși, în acest caz, transferul de căldură (transferul de energie) nu va avea loc de la un corp cu o energie internă mai mare către un corp cu o energie internă mai mică.

Definiția 1

Un sistem termodinamic este un set și constanță de corpuri fizice macroscopice care interacționează întotdeauna între ele și cu alte elemente, schimbând energie cu acestea.

Prin un sistem în termodinamică, ei înțeleg de obicei formele fizice macroscopice care constau dintr-un număr mare de particule care nu implică utilizarea indicatorilor macroscopici pentru a descrie fiecare element individual. Nu există restricții clare în natura corpurilor materiale, care sunt componentele constitutive ale unor astfel de concepte. Ele pot fi reprezentate ca atomi, molecule, electroni, ioni și fotoni.

Există trei tipuri principale de sisteme termodinamice:

• izolat - nu se realizează schimb cu materia sau energie cu mediul;
• închis - corpul nu este interconectat cu mediul;
• deschis - există atât schimb de energie, cât și de masă cu spațiul exterior.

Energia oricărui sistem termodinamic poate fi împărțită în energia care depinde de poziția și mișcarea sistemului, precum și energia care este determinată de mișcarea și interacțiunea microparticulelor care formează conceptul. A doua parte se numește în fizică energia internă a sistemului.

Caracteristicile sistemelor termodinamice

Figura 1. Tipuri de sisteme termodinamice. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Observație 1

Orice obiect observat fără utilizarea de microscoape și telescoape poate fi citat ca caracteristici distinctive ale sistemelor din termodinamică.

Pentru a oferi o descriere completă a unui astfel de concept, este necesar să se selecteze detalii macroscopice, prin care este posibil să se determine cu precizie presiunea, volumul, temperatura, inducția magnetică, polarizarea electrică, compoziția chimică, masa componentelor în mișcare.

Pentru orice sisteme termodinamice există limite condiționate sau reale care le separă de mediu. În locul lor, este adesea luat în considerare conceptul de termostat, care se caracterizează printr-un indice de capacitate termică atât de mare încât în ​​cazul schimbului de căldură cu conceptul analizat, parametrul de temperatură rămâne neschimbat.

În funcție de natura generală a interacțiunii unui sistem termodinamic cu mediul, se obișnuiește să se distingă:

• specii izolate care nu fac schimb de materie sau energie cu mediul;
• izolate adiabatic - sisteme care nu fac schimb de materie cu mediul extern, ci intră într-un schimb de energie;
• sisteme închise - cele care nu au schimb cu materia, este permisă doar o ușoară modificare a valorii energiei interne;
• sisteme deschise - cele care se caracterizează printr-un transfer complet de energie, materie;
• parțial deschise - au partiții semipermeabile, prin urmare nu participă pe deplin la schimbul de materiale.

În funcție de formulare, semnificațiile conceptului termodinamic pot fi împărțite în variante simple și complexe.

Energia internă a sistemelor în termodinamică

Figura 2. Energia internă a unui sistem termodinamic. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Observația 2

Principalii indicatori termodinamici, care depind direct de masa sistemului, includ energia internă.

Include energia cinetică datorată mișcării particulelor elementare de materie, precum și energia potențială care apare în timpul interacțiunii moleculelor între ele. Acest parametru este întotdeauna clar. Adică sensul și realizarea energiei interne este constantă ori de câte ori conceptul se află în starea dorită, indiferent de metoda prin care s-a ajuns la această poziție.

În sistemele a căror compoziție chimică rămâne neschimbată în timpul transformărilor energetice, la determinarea energiei interne, este important să se țină cont doar de energia mișcării termice a particulelor materiale.

Un bun exemplu de astfel de sistem în termodinamică este un gaz ideal. Energia liberă este o anumită muncă pe care un corp fizic ar putea-o face într-un proces reversibil izoterm, sau energia liberă este maximul funcțional posibil pe care îl poate face un concept, având o aprovizionare semnificativă de energie internă. Energia internă a sistemului este egală cu suma tensiunii legate și liberă.

Definiția 2

Energia legată este acea parte a energiei interne care nu se poate transforma independent în muncă - este un element depreciat al energiei interne.

La aceeași temperatură, acest parametru crește odată cu entropia. Astfel, entropia unui sistem termodinamic este o măsură a securității energiei sale inițiale. În termodinamică, există o altă definiție - pierderea de energie într-un sistem izolat stabil

Un proces reversibil este un proces termodinamic care poate merge rapid atât în ​​direcția opusă, cât și în direcția înainte, trecând prin aceleași poziții intermediare, iar conceptul revine în cele din urmă la starea inițială fără a consuma energie internă și nu există modificări macroscopice în spațiul înconjurător. .

Procesele reversibile oferă performanță maximă. Este imposibil să obțineți cel mai bun rezultat din sistem în practică. Acest lucru conferă fenomenelor reversibile o semnificație teoretică care se desfășoară infinit lent și nu se poate aborda decât pe distanțe scurte.

Definiția 3

Ireversibil în știință este un proces care nu poate fi efectuat în direcția opusă prin toate aceleași stări intermediare.

Toate fenomenele reale sunt în orice caz ireversibile. Exemple de astfel de efecte sunt difuzia termică, difuzia, fluxul vâscos și conducerea căldurii. Tranziția energiei cinetice și interne a mișcării macroscopice prin frecare constantă în căldură, adică în sistemul însuși, este un proces ireversibil.

Variabilele de stare ale sistemului

Starea oricărui sistem termodinamic poate fi determinată de combinația curentă a caracteristicilor sau proprietăților sale. Toate variabilele noi care sunt pe deplin determinate doar la un anumit moment în timp și nu depind de modul în care conceptul a ajuns exact în această poziție sunt numite parametri de stare termodinamică sau funcții de bază ale spațiului.

Un sistem în termodinamică este considerat staționar dacă variabilele rămân stabile și nu se modifică în timp. O versiune a stării de echilibru este echilibrul termodinamic. Orice, chiar și cea mai nesemnificativă schimbare a conceptului este deja un proces fizic, deci poate avea de la unul la mai mulți indicatori de stare variabili. Secvența în care stările sistemului trece sistematic una în alta se numește calea procesului.

Din păcate, confuzia cu termenii și descrierea detaliată încă există, deoarece aceeași variabilă în termodinamică poate fi atât independentă, cât și rezultatul adăugării mai multor funcții de sistem simultan. Prin urmare, termeni precum „parametru de stare”, „funcție de stare”, „variabilă de stare” pot fi uneori considerați sinonimi.

Parametrii de bază ai stării sistemelor termodinamice

sistem termodinamic numit un ansamblu de corpuri diverse capabile să interacționeze energetic între ele și cu mediul. În acest caz, cantitatea unei substanțe poate fi constantă sau variabilă, iar corpurile pot fi în diferite stări agregate (gazoase, lichide sau solide).

Mediul este înțeles ca totalitatea tuturor celorlalte corpuri care nu sunt incluse în sistemul termodinamic.

Sistemul termodinamic se numește izolat dacă nu interacționează cu mediul înconjurător, închis- dacă această interacţiune are loc numai sub formă de schimb de energie, şi deschis- dacă schimbă atât energie cât și materie cu mediul înconjurător. Se numește schimbarea stării unui sistem termodinamic ca urmare a schimbului de energie cu mediul proces termodinamic.

Principalii parametri care caracterizează procesele de transformare reciprocă a muncii și căldurii sunt temperatura T, presiune Rși volum V.

Temperatura este o măsură a intensității mișcării moleculelor unei substanțe. Cu cât energia cinetică a mișcării moleculelor este mai mare, cu atât temperatura este mai mare. Temperatura corespunzătoare stării de repaus complet a moleculelor de gaz este considerată zero absolut. Acest punct este începutul

citiri ale temperaturii pe scara Kelvin absolută (desemnare - T, LA). În inginerie, scara de temperatură centigrade Celsius este de obicei utilizată (denumirea - t, °С), în care punctul de topire al gheții este luat ca 0 °С, iar punctul de fierbere constant al apei la presiunea atmosferică normală este considerat ca 100 de grade.

Recalcularea temperaturii de la centigrade la absolut se efectuează conform formulei

T=t+273,15K, (2,2)

în timp ce dimensiunea unui grad Celsius este egală cu kelvin: 1 ° C \u003d 1 K, adică.

Temperatura determină direcția transferului de căldură, acționează ca o măsură a încălzirii corpurilor. Două sisteme care sunt în echilibru termic unul cu celălalt au aceeași temperatură.

Presiunea gazului. Conform teoriei cinetice, un gaz dintr-un vas închis exercită presiune asupra pereților săi, care este rezultatul acțiunii forței a moleculelor de gaz în mișcare aleatorie. Presiunea este definită ca forța care acționează asupra unei unități de suprafață și se măsoară în Pascali (Pa = N/m2).

Suma presiunii barometrice (atmosferice) și a excesului de presiune exercitată de gaz pe pereții vasului este presiunea absolută:

Unde V- volumul ocupat de gaz, m 3 ; M- masa gazului în volum V, kg. Se numește cantitatea de substanță conținută într-o unitate de volum

densitatea gazului ρ , kg / m 3. Este reciproca volumului specific.

Starea unui sistem termodinamic, caracterizată printr-o valoare constantă a parametrilor în timp și în întreaga masă a sistemului, se numește echilibru. Într-un sistem aflat în echilibru termodinamic, nu există nici un flux de căldură și materie atât în ​​interiorul sistemului, cât și între sistem și mediu. Starea de echilibru a unui gaz poate fi exprimată prin ecuație f (R, V, T) = 0.

Gaz ideal se numește gaz format din molecule ale căror dimensiuni pot fi neglijate și care nu interacționează între ele (nu există energie potențială de interacțiune). Introducerea conceptului de gaz ideal în termodinamică face posibilă obținerea unor relații analitice mai simple între parametrii de stare. Experiența arată că, cu o aproximare cunoscută, aceste dependențe pot fi aplicate pentru a studia proprietățile gazelor reale.