Термодинамика - наука, которая изучает тепловые явления, происходящие в телах, не связывая их с молекулярным строением вещества.
В термодинамике считается, что все тепловые процессы в телах характеризуются только лишь макроскопическими параметрами - давлением, объёмом и температурой. А так как их невозможно применить к отдельно взятым молекулам или атомам, то, в отличие от молекулярно-кинетической теории, в термодинамике молекулярное строение вещества в тепловых процессах не учитывается.
Все понятия термодинамики сформулированы как обобщение фактов, наблюдаемых в ходе экспериментов. Из-за этого её называют феноменологической (описательной) теорией тепла.
Термодинамические системы
Термодинамика описывает тепловые процессы, происходящие в макроскопических системах. Такие системы состоят из огромного количества частиц - молекул и атомов, и называются термодинамическими.
Термодинамической системой можно считать любой объект, который можно увидеть невооружённым глазом или с помощью микроскопов, телескопов и других оптических приборов. Главное, чтобы размеры системы в пространстве и время её существования позволяли провести измерения её параметров - температуры, давления, массы, химического состава элементов и др., с помощью приборов, не реагирующих на воздействие отдельных молекул (манометров, термометров и др.).
Для химиков термодинамическкой системой является смесь химических веществ, взаимодействующих между собой в процессе химической реакции. Астрофизики назовут такой системой небесное тело. Смесь горючего с воздухом в автомобильном двигателе, земной шар, наше тело, пишущая ручка, тетрадь, станок и др. - это также термодинамические системы.
Каждая термодинамическая система отделена от окружающей среды границами. Они могут быть реальными - стеклянные стенки пробирки с химическим веществом, корпус цилиндра в двигателе и т.п. А могут быть и условными, когда, например, изучают образование облака в атмосфере.
Если такая система не обменивается с внешней средой ни энергией, ни веществом, то её называют изолированной или замкнутой .
Если же система обменивается с внешней средой энергией, но не обменивается веществом, то она называется закрытой .
Открытая система обменивается с внешней средой и энергией, и веществом.
Термодинамическое равновесие
Это понятие также введено в термодинамику, как обобщение результатов экспериментов.
Термодинамическим равновесием называют такое состояние системы, при котором все её макроскопические величины - температура, давление, объём и энтропия - не изменяются во времени, если система является изолированной. В такое состояние может самопроизвольно перейти любая замкнутая термодинамическая система, если остаются постоянными все внешние параметры.
Самый простой пример системы в состоянии термодинамического равновесия - термос с горячим чаем. Температура в нём одинакова в любой точке жидкости. Хотя термос можно назвать изолированной системой лишь приблизительно.
Любая замкнутая термодинамическая система самопроизвольно стремится перейти в термодинамическое равновесие, если не меняются внешние параметры.
Термодинамический процесс
Если меняется хотя бы один из макроскопических параметров, то говорят, что в системе происходит термодинамический процесс . Такой процесс может возникнуть, если изменяются внешние параметры или система начинает получать или передавать энергию. В результате она переходит в другое состояние.
Вспомним пример с чаем в термосе. Если мы опустим в чай кусочек льда и закроем термос, то сразу же появится разница в температурах в разных частях жидкости. Жидкость в термосе будет стремиться к выравниванию температур. Из областей с более высокой температурой тепло будет передаваться туда, где температура ниже. То есть, будет происходить термодинамический процесс. В конце концов, температура чая в термосе снова станет одинаковой. Но она уже будет отличаться от первоначальной температуры. Состояние системы изменилось, так как изменилась её температура.
Термодинамический процесс происходит, когда ночью остывает песок, нагретый на пляже в жаркий день. К утру его температура понижается. Но как только взойдёт солнце, процесс нагревания начнётся снова.
Внутренняя энергия
Одно из главных понятий термодинамики - внутренняя энергия .
Все макроскопические тела обладают внутренней энергией, которая является суммой кинетических и потенциальных энергий всех частиц (атомов и молекул), из которых состоит тело. Эти частицы взаимодействуют только между собой и не взаимодействуют с частицами окружающей среды. Внутренняя энергия зависит от кинетической и потенциальной энергии частиц и не зависит от положения самого тела.
U = E k +E p
Внутренняя энергия изменяется с изменением температуры. Молекулярно-кинетическая теория объясняет это изменением скорости движения частиц вещества. Если температура тела растёт, то растёт и скорость движения частиц, расстояние между ними становится больше. Следовательно, увеличивается их кинетическая и потенциальная энергия. При понижении температуры происходит обратный процесс.
Для термодинамики важнее не величина внутренней энергии, а её изменение. А изменить внутреннюю энергию можно с помощью процесса теплопередачи или совершая механическую работу.
Изменение внутренней энергии механической работой
Бенджамин Румфорд
Внутреннюю энергию тела можно изменить, совершив над ней механическую работу. Если работа совершается над телом, то механическая энергия превращается во внутреннюю энергию. А если работу совершает тело, то его внутренняя энергия превращается в механическую.
Почти до конца XIX века считалось, что существует невесомое вещество - теплород, которое передаёт тепло от тела к телу. Чем больше теплорода втекает в тело, тем теплее оно будет, и наоборот.
Однако в 1798 г. англо-американский учёный граф Бенджамин Румфорд стал сомневаться в теории теплорода. Причиной тому были нагревания стволов пушек при сверлении. Он предположил, что причиной нагревания является механическая работа, которая совершается во время трения сверла о ствол.
И Румфорд провёл эксперимент. Чтобы увеличить силу трение, взяли тупое сверло, а сам ствол поместили в бочку с водой. К концу третьего часа сверления вода в бочке закипела. Это означало, что ствол получил тепло при совершении механической работы над ним.
Теплопередача
Теплопередачей называют физический процесс передачи тепловой энергии (теплоты) от одного тела к другому либо при непосредственном контакте, либо через разделяющую перегородку. Как правило, теплота передаётся от более тёплого тела к более холодному. Это процесс заканчивается, когда система приходит в состояние термодинамического равновесия.
Энергия, которую получает или отдаёт тело при теплопередаче, называется количеством теплоты .
По способу передачи теплоты теплообмен можно разделить на 3 вида: теплопроводность, конвенция, тепловое излучение.
Теплопроводность
Если между телами или частями тел существует температурная разница, то между ними будет происходить процесс теплопередачи. Теплопроводностью называют процесс переноса внутренней энергии от более нагретого тела (или его части) к менее нагретому телу (или его части).
К примеру, нагрев на огне один конец стального прута, через некоторое время мы почувствуем, что и другой его конец также становится тёплым.
Стеклянную палочку, один конец которой раскалён, мы легко держим за другой конец, не обжигаясь. Но если мы попробуем проделать такой же эксперимент с железным прутом, у нас ничего не получится.
Разные вещества по-разному проводят тепло. Каждое из них имеет свой коэффициент теплопроводности , или удельной проводимости , численно равный количеству теплоты, которая проходит через образец толщиной 1 м, площадью 1 м 2 за 1 секунду. За единицу температуры принимают 1 К.
Лучше всего проводят тепло металлы. Это их свойство мы используем в быту, готовя пищу в металлических кастрюлях или на сковородках. А вот их ручки не должны нагреваться. Поэтому их делают из материалов с плохой теплопроводностью.
Теплопроводность жидкостей меньше. А газы обладают слабой теплопроводностью.
Мех животных также плохо проводит тепло. Благодаря этому они не перегреваются в жаркую погоду и не замерзают в холодную.
Конвенция
При конвенции теплота передаётся струями и потоками газа или жидкости. В твёрдых телах конвенции нет.
Как возникает конвенция в жидкости? Когда мы ставим на огонь чайник с водой, нижний слой жидкости нагревается, его плотность уменьшается, он движется вверх. Его место занимает более холодный слой воды. Через какое-то время он тоже нагреется и тоже поменяется местами с более холодным слоем. И т.д.
Подобный процесс происходит и в газах. Не случайно батареи отопления размещают в нижней части комнаты. Ведь нагретый воздух всегда поднимается в верхнюю часть комнаты. А нижний, холодный, наоборот, опускается. Затем он нагревается также и вновь поднимается, а верхний слой за это время остывает и опускается.
Конвенция бывает естественная и принудительная.
Естественная конвенция постоянно происходит в атмосфере. В результате этого происходят постоянные перемещения тёплых воздушных масс вверх, а холодных - вниз. В результате возникает ветер, облака и другие природные явления.
Когда естественной конвенции недостаточно, применяю принудительную конвенцию. Например, потоки тёплого воздуха перемещают в комнате с помощью лопастей вентилятора.
Тепловое излучение
Солнце нагревает Землю. При этом не происходит ни теплопередачи, ни конвенции. Так почему же тела получают тепло?
Дело в том, что Солнце является источником теплового излучения.
Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии тела. Все окружающие нас тела излучают тепловую энергию. Это может быть видимое световое излучение настольной лампы, или источники невидимых ультрафиолетовых, инфракрасных или гамма-лучей.
Но тела не только излучают тепло. Они его также и поглощают. Одни в большей степени, другие в меньшей. Причём тёмные тела и нагреваются, и охлаждаются быстрее, чем светлые. В жаркую погоду мы стараемся надеть светлую одежду, потому что она поглощает меньше тепла, чем одежда тёмных тонов. Автомобиль тёмного цвета нагревается на солнце гораздо быстрее, чем стоящий с ним рядом автомобиль, имеющий светлую окраску.
Это свойство веществ по-разному поглощать и излучать тепло используется при создании систем ночного видения, систем самонаведения ракет на цель и др.
Cтраница 1
Термодинамическая система, как и любая другая физическая система, обладает некоторым запасом энергии, который обычно называют внутренней энергией системы.
Термодинамическая система называется изолированной, если она не может обмениваться с внешней средой ни энергией, ни веществом. Примером такой системы может служить газ, заключенный в сосуд постоянного объема. Термодинамическая система называется адиабатной, если она не может обмениваться с другими системами энергией путем теплообмена.
Термодинамическая система - это совокупность тел, которые в той или иной степени могут обмениваться между собой и окружающей средой энергией и веществом.
Термодинамические системы подразделяются на закрытые, не обменивающиеся веществом с другими системами, и открытые, обменивающиеся веществом и энергией с другими системами. В тех случаях, когда система не обменивается энергией и веществом с другими системами, она называется изолированной, а когда не происходит теплообмена, система называется адиабатной.
Термодинамические системы могут состоять из смесей чистых веществ. Смесь (раствор) называется гомогенной, когда химический состав и физические свойства в любых малых частицах одинаковы или изменяются непрерывно от одной точки системы к другой. Плотность, давление и температура гомогенной смеси в любой точке идентичны. Примером гомогенной системы может служить некоторый объем воды, химический состав которой одинаков, а физические свойства меняются от одной точки к другой.
Термодинамическая система с определенным количественным соотношением компонентов называется единичной физико-химической системой.
Термодинамические системы (макроскопические тела) наряду с механической энергией Е обладают еще и внутренней энергией U, зависящей от температуры, объема, давления и других термодинамических параметров.
Термодинамическая система называется неизолированной, или незамкнутой, если она может получать или отдавать тепло в окружающую среду и производить работу, а внешняя среда - совершать работу над системой. Система является изолированной, или замкнутой, если она не имеет обмена теплом с окружающей средой, а изменение давления внутри системы не влияет на окружающую среду и последняя не может произвести работу над системой.
Термодинамические системы состоят из статистически большого числа частиц.
Термодинамическая система при определенных внешних условиях (или изолированная система) приходит в состояние, которое характеризуется постоянством ее параметров во времени и отсутствием в системе потоков вещества и теплоты. Такое состояние системы называется равновесным или состоянием равновесия. Самопроизвольно из этого состояния система выйти не может. Состояние системы, в которой отсутствует равновесие, называется неравновесным. Процесс постепенного перехода системы из неравновесного состояния, вызванного внешними воздействиями, в состояние равновесия называется релаксацией, а промежуток времени возвращения системы в равновесное состояние - временем релаксации.
Термодинамическая система в этом случае совершает работу расширения за счет уменьшения внутренней энергии системы.
Термодинамическая система является объектом изучения в термодинамике и представляет собой совокупность тел, энергетически взаимодействующих между собой и окружающей средой и обменивающихся с ней веществом.
Термодинамическая система, предоставленная самой себе при неизменных внешних условиях, приходит в состояние равновесия, характеризуемое постоянством всех параметров и отсутствием макроскопических движений. Такое состояние системы называется состоянием термодинамического равновесия.
Термодинамическая система характеризуется конечным числом независимых переменных - макроскопических величин, называемых термодинамическими параметрами. Одним из независимых макроскопических параметров термодинамической системы, отличающим ее от механической, является температура как мера интенсивности теплового движения. Температура тела может изменяться вследствие теплообмена с окружающей средой и действия источников тепла и в результате самого процесса деформирования. Связь деформации с температурой устанавливается с помощью термодинамики.
Термодинамическая система - это процесс или среда, которая используется при анализе передачи энергии. Термодинамическая система - это любая зона или пространство, ограниченное действительными или воображаемыми границами, выбранными для анализа энергии и ее преобразования. Границы ее могут быть неподвижными или подвижными .Газ в металлическом сосуде является примером системы с неподвижными границами. Если необходимо проанализировать газ в баллоне для , стенки сосуда - это неподвижные границы. Если необходимо проанализировать воздух в воздушном шаре, поверхность воздушного шара - подвижная граница. Если нагреть воздух в воздушном шаре, эластичные стенки шарика растягиваются, и граница системы меняется с расширением газа.
Пространство, смежное с границей, называется средой. У всех термодинамических систем есть среда, которая может являться источником или забирать ее. Среда может также проделать работу над системой или испытывать на себе работу системы.
Системы могут быть большими или маленькими, в зависимости от границ. Например, система может охватывать всю холодильную систему или газ в одном из цилиндров компрессора. Она может существовать в вакууме или может содержать несколько фаз одного или более веществ. Следовательно, действительные системы могут содержать сухой воздух и (два вещества) или воду и водяной пар (две стадии одного и того же вещества). Однородная система состоит из одного вещества, одной его фазы или однородной смеси нескольких компонентов.
Системы бывают замкнутыми или открытыми . В замкнутой только энергия пересекает ее границы. Следовательно, теплота может переходить через границы замкнутой системы в среду или из среды в систему.
В открытой системе и энергия, и масса могут переходить из системы в среду и обратно. При анализе насосов и теплообменников необходима открытая система, так как жидкости должны пересекать границы при анализе. Если массовый расход открытой системы устойчивый и однородный, то ее называют открытой системой с постоянным расходом. Массовый расход показывает, открыта или закрыта она.
Состояние термодинамической системы определяется физическими свойствами вещества. Температура, давление, объем, внутренняя энергия, и энтропия - это свойства, определяющие состояние, при котором существует вещество. Так как состояние системы - это состояние равновесия, его можно определить, только когда свойства системы стабилизированы и больше не изменяются.
Другими словами, состояние системы можно описать, когда она находится в состоянии равновесия с окружающей средой.
Определение 1
Термодинамическая система - совокупность и постоянство макроскопических физических тел, которые всегда взаимодействуют между собой и с другими элементами, обмениваясь с ними энергией.
Под системой в термодинамике ими принято понимать макроскопические физические формы, которые состоят из огромного количества частиц, не предполагающие применение макроскопических показателей для описания каждой отдельного элемента. Нет определенных ограничений в природе материальных тел, являющиеся составными компонентами таких концепций. Они могут быть представлены в виде атомов, молекул, электронов, ионов и фотонов
Термодинамические системы бывают трех основных видов:
- изолированные – обмен с веществом или энергией с окружающей средой не выполняется;
- закрытые - тело не взаимосвязано с окружающей средой;
- открытые - есть и энерго- и массообмен с внешним пространством.
Энергию любой термодинамической системы можно разделить на зависящую от положения и движения системы энергию, а также энергию, которая определяется движением и взаимодействием микрочастиц, образующих концепцию. Вторую часть называют в физике внутренней энергией системы.
Особенности термодинамических систем
Рисунок 1. Типы термодинамических систем. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Замечание 1
В качестве отличительных характеристик систем в термодинамике можно привести любой предмет, наблюдаемый без использования микроскопов и телескопов.
Чтобы предоставить полноценное описание такой концепции, необходимо подобрать макроскопические детали, посредством которых возможно точно определить давление, объем, температуру, величину магнитной индукции, электрическую поляризацию, химический состав, массу движущихся компонентов.
Для любых термодинамических систем есть условные, либо реальные пределы, отделяющие их от окружающей среды. Вместо них часто рассматривают понятие термостата, которое характеризуется таким высоким показателем теплоемкости, что в случае теплообмена с анализируемой концепцией температурный параметр сохраняет неизменное значение.
В зависимости от общего характера взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой, принято выделять:
- изолированные виды, которые не обмениваются ни веществом, ни энергией с внешней средой;
- адиабатически изолированные- системы, не совершающие обмена с внешней средой веществом, но вступающие в обмен энергией;
- закрытые системы- те, у которых нет обмена с веществом, допускается только незначительное изменение величины внутренней энергии;
- открытые системы - те что характеризуются полноценной передачей энергии, вещества;
- частично открытые – обладают полупроницаемыми перегородками, поэтому не в полной мере участвуют в материальном обмене.
В зависимости от формулировки, значения термодинамической концепции, могут подразделяться на простые и сложные варианты.
Внутренняя энергия систем в термодинамике
Рисунок 2. Внутренняя энергия термодинамической системы. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Замечание 2
К основным термодинамическим показателям, которые непосредственно зависят от массы системы, относят внутреннюю энергию.
Она включает в себя кинетическую энергию, обусловленную движением элементарных частиц вещества, а также потенциальную энергию, появляющуюся во время взаимодействия молекул между собой. Этот параметр всегда является однозначным. То есть значение и реализация внутренней энергии постоянны всякий раз, как концепция оказывается в нужном состоянии, независимо от того, каким методом это положение было достигнуто.
В системах, химический состав которых в процессе энергетических преобразований остается неизменным, при определении внутренней энергии важно учитывать только энергию теплового движения материальных частиц.
Хорошим примером такой системы в термодинамике является идеальный газ. Свободная энергия есть определенная работа, которую могло бы совершить физическое тело в изотермическом обратимом процессе, или свободная энергия представляет собой максимально возможной функционал, который может совершить концепция, обладая существенным запасом внутренней энергии. Внутренняя энергия системы приравнивается сумме связанное и свободной напряженности.
Определение 2
Связанная энергия – это та часть внутренней энергии, которая не способна самостоятельно превратиться в работу, – это обесцененный элемент внутренней энергии.
При одной и той же температуре указанный параметр увеличивается с ростом энтропия. Таким образом, энтропия термодинамической системы есть мера обеспеченности ее начальной энергии. В термодинамике есть еще определение – энергетическая потеря в стабильной изолированной системе
Обратимый процесс является термодинамическим процессом, который может быстро проходить как в обратном, так и в прямом направлении, проходя через одинаковые промежуточные положения, причем концепция в итоге возвращается в исходное состояние без затрат внутренней энергии, и в окружающем пространстве не остается макроскопических изменений.
Обратимые процессы дают максимальную работу. Самый лучший результат работы от системы на практике получить невозможно. Это придает обратимым явлениям теоретическую значимость, которая протекает бесконечно медленно, и можно только на небольшие расстояния приблизиться к нему.
Определение 3
Необратимым в науке называется процесс, который нельзя осуществить в противоположную сторону через все те же промежуточные состояния.
Все реальные явления в любом случае необратимы. Примеры таких эффектов: термодиффузия, диффузия, вязкое течение и теплопроводность. Переход кинетической и внутренней энергии макроскопического движения через постоянное трение в теплоту, то есть в саму систему, является необратимым процессом.
Переменные состояния систем
Состояние любой термодинамической системы можно определить по текущему сочетанию ее характеристик или свойств. Все новые переменные, которые в полной мере определяются только в определенный момент времени и не зависят от того, как именно концепция пришла в это положение, называются термодинамическими параметрами состояния или основными функциями пространства.
Система в термодинамике считается стационарной, если переменные значения с течением времени остаются стабильными и не изменяются. Один из вариантов стационарного состояния - это термодинамическое равновесие. Любое, даже самое незначительное изменение в концепции, - уже физический процесс, поэтому в нем может быть от одного до нескольких переменных показателей состояния. Последовательность, в которой состояния системы систематически переходят друг в друга, носит название «путь процесса».
К сожалению, путаница с терминами и детальным описанием все еще существует, ибо одна и та же переменная в термодинамике может быть, как независимой, так и итогом сложения сразу нескольких функций системы. Поэтому такие термины, как «параметр состояния», «функция состояния», «переменная состояния» могут иногда рассматриваться в виде синонимов.
Основные параметры состояния термодинамических систем
Термодинамической системой называется совокупность различныхтел, способных энергетически взаимодействовать между собой и окру-жающей средой. При этом количество вещества может быть постоянным или переменным, а тела могут находиться в различных агрегатных состоя-ниях (газообразном, жидком или твердом).
Под окружающей средой понимается совокупность всех остальных тел, не вошедших в термодинамическую систему.
Термодинамическая система называется изолированной , если она не взаимодействует с окружающей средой, закрытой - если это взаимодейст-вие происходит только в форме обмена энергией, и открытой - если она обменивается с окружающей средой как энергией, так и веществом. Измене-ние состояния термодинамической системы в результате обмена энергией с окружающей средой называется термодинамическим процессом .
Основными параметрами, которыми характеризуются процессы вза-имного превращения работы и теплоты, являются температура Т , давление р и объем V .
Температура является мерой интенсивности движения молекул ве-щества. Чем больше кинетическая энергия движения молекул, тем выше температура. Температура, соответствующая состоянию полного покоя молекул газа, принята за абсолютный нуль. Эта точка является началом от-
счета температуры по абсолютной шкале Кельвина (обозначение - Т , К). В технике обычно используется стоградусная шкала температур Цельсия (обозначение - t , °С), в которой за 0 °С принята точка плавления льда, а за 100 градусов - постоянная точка кипения воды при нормальном атмо-сферном давлении.
Пересчет температуры из стоградусной шкалы в абсолютную произ-водится по формуле
Т = t +273,15К, (2.2)
при этом по размеру градус Цельсия равен кельвину: 1 °С = 1 К, т. е.
Температура определяет направление перехода теплоты, выступает как мера нагретости тел. Две системы, находящиеся между собой в тепло-вом равновесии, имеют одинаковые температуры.
Давление газа. Согласно кинетической теории,газ,находящийся взакрытом сосуде, оказывает на его стенки давление, которое является ре-зультатом силового воздействия молекул газа, находящихся в беспорядоч-ном движении. Давление определяется как сила, действующая на единицу поверхности, и измеряется в паскалях (Па = Н/м 2).
Сумма барометрического (атмосферного) и избыточного давления, оказываемого газом на стенки сосуда, составляет абсолютное давление:
где V - объем, занимаемый газом, м 3 ; М - масса газа в объеме V , кг. Количество вещества, содержащееся в единице объема, называют
плотностью газа ρ , кг/м 3 . Она является обратной величиной по отношению к удельному объему.
Состояние термодинамической системы, характеризуемое постоян-ным во времени и во всей массе системы значением параметров, называет-ся равновесным . В системе, находящейся в термодинамическом равнове-сии, отсутствует всякий поток тепла и вещества как внутри системы, так и между системой и окружающей средой. Равновесное состояние газа можно выразить уравнением f (р , V , T) = 0.
Идеальным газом называется газ,состоящий из молекул,размерамикоторых можно пренебречь и которые не взаимодействуют между собой (отсутствует потенциальная энергия взаимодействия). Введение понятия идеального газа в термодинамике позволяет получить более простые ана-литические зависимости между параметрами состояния. Опыт показывает, что с известным приближением эти зависимости могут быть применены для изучения свойств реальных газов.