Параметры состояния. Термодинамические системы

Совокупность макроскопических тел, которые при взаимодействии обмениваются энергией между собой и окружающей средой, называют термодинамической системой.

Взаимодействие в физике - воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения.

Физические величины (например, давление, температура и т.д.), характеризующие состояние термодинамической системы в данный момент времени, называют параметрами состояния, или термодинамическими параметрами.

Число независимых параметров состояния равно числу степеней свободы термодинамической системы. Различают параметры состояния физической системы: экстенсивные, т.е. пропорциональные массе системы (объему, внутренней энергии и другим видам энергий), и интенсивные, независящие от массы (давления, температуры и пр.).

Рассмотрим некоторые из них.

Объем V - пространство, заполненное или может быть заполненное молекулами (атомами).

Давление Р - физическая величина, характеризующая интенсивность сил, с которыми одно тело действует нормально (перпендикулярно) на поверхность другого.

При равномерном распределении силы по поверхности давление находится по формуле

.

(1.4)

В СИ единицей измерения давления считается паскаль (Па), Н/м²=Па. На практике традиционно используют некоторые внесистемные единицы.

Например, 1 бар = 10⁵ Па,

1 ат =9,81 ×10⁴ Па (техническая атмосфера),

1 мм рт. ст. = 1,33×10² Па,

1 атм =1,033 ат =1,013×10⁵ Па (нормальная атмосфера).

Для измерения давления используют манометры, барометры, вакуумметры, а также различные датчики давления.

Температура T - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия для всех частей макроскопической системы и являющаяся мерой отклонения от этого равновесия.

Температуру невозможно измерить непосредственно. Ее значение определяют по температурному изменению какого-либо удобного для измерений физического свойства вещества.

Для этого существуют температурные шкалы. Например, газовая и термодинамическая температурная шкалы. Термодинамическая температурная шкала основана на выводах второго начала термодинамики.

Абсолютная температура по термодинамической температурной шкале обозначается символом Т, в СИ измеряется в кельвинах (К).

Для термодинамической температурной шкалы, как и для любой другой, необходимо задать значения двух фиксированных температур.

Например, Т₁=0 К (абсолютный нуль температуры) и Т₂=273,15 К (точка плавления льда при нормальном давлении). На рис. 1.1 приведены некоторые температурные шкалы. Введение Т₁=0 К является экстраполяцией и не требует реализации абсолютного нуля.

 

Рис. 1.1

Термодинамическая (абсолютная) температурная шкала (шкала Кельвина ) имеет единицы температуры,

совпадающие с единицами температуры для стоградусной шкалы Цельсия, основанной на свойствах идеального газа и значениях t₁=0^oC (точка плавления льда) и t₂=100^oC (точка кипения воды).

Соотношение между температурами по шкале Цельсия и шкале Кельвина записывают в виде: Т = t^oC +273,15^oC. Нормальные условия - Т=0 0^oC, Р=1,013×10⁵ Па.

На практике для измерения температуры используют термометры градуированные по высокостабильным реперным точкам, таким, как тройная точка кислорода, водорода, аргона; точки кипения этих и других газов (например, неона); точки затвердевания чистых металлов и т.д., температуры которых по термодинамической температурной шкале найдены предельно точными измерениями.

При температуре абсолютного нуля (Т = 0 К или t = - 273,15^oC), согласно выводам классической физики, в телах полностью прекращается тепловое хаотическое движение. Согласно квантовой теории, в области сверхнизких температур действуют законы квантовой механики. При Т = 0 К в телах существуют нулевые колебания микрочастиц, энергию которых нельзя отнять никакими способами. Состояние макроскопической системы определяется большим числом параметров, и установление равновесия по каждому из параметров протекает по-разному.

Состояние термодинамической системы, в которое она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени, в условиях изоляции от окружающей среды, называют равновесным.

Состояние термодинамической системы, в котором хотя бы один из параметров, характеризующих ее состояние, изменяется, называют неравновесным.

В состоянии термодинамического равновесия параметры системы не меняются с течением времени во всех ее точках и прекращаются все необратимые процессы, связанные с диссипацией энергии. Определяющей величиной вещества (газообразного, жидкого, твердого) является соотношение между средней кинетической энергией и средней потенциальной энергией молекул этого вещества, т.е.

.

(1.5)

Для газовой фазы e (Т, Р) << 1, жидкой фазы e (Т, Р) »1, твердой фазы e (Т, Р) >>1. Если термодинамическую систему, находящуюся в неравновесном состоянии, изолировать от окружающей среды и предоставить самой себе, то она перейдет самопроизвольно в равновесное состояние.

Переход термодинамической системы из одного состояния в другое называют термодинамическим процессом.

Процесс перехода системы от неравновесного состояния к равновесному называют релаксацией.

Количественной мерой релаксации служит время релаксации. Например, приближение к состоянию равновесия кристаллических структур в земной коре длится геологические эпохи (миллионы и миллиарды лет).

Все релаксационные процессы являются неравновесными. Примерами термодинамических процессов являются:

1) Изохорический - процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое при постоянном объеме (V=const) - закон Шарля.

2) Изобарический - процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое при постоянном давлении (Р=const) - закон Гей-Люссака.

3) Изотермический - процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое при постоянной температуре (T=const) - закон Бойля - Мариотта.

4) Адиабатический - процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое без теплообмена с окружающей средой (Q=const) - закон Пуассона.