Приведите примеры термодинамических систем имеющих различную окружающую среду кратко

Обновлено: 02.07.2024

При термодинамическом изучении какого-либо явления в качестве объекта исследования выделяется группа тел или единичное тело, или даже отдельные его части.

Термодинамической системой называется совокупность макроскопических материальных тел, являющихся объектом изучения и находящихся во взаимодействии как друг с другом, так и с окружающими их телами. Последние поэтому называют окружающей средой. Указанное взаимодействие заключается в общем случае в обмене теплотой и работой между термодинамической системой и окружающей средой. Этот обмен происходит через поверхности, ограничивающие систему и отделяющие ее от среды.

Если термодинамическая система не имеет никаких взаимодействий с окружающей средой, то ее называют изолированной или замкнутой системой.

Система, окруженная так называемой адиабатной оболочкой, исключающей теплообмен с окружающей средой, называется теплоизолированнойили адиабатной системой.

Система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства, называется однородной. Однородная термодинамическая система (как по составу, так и по физическому строению), внутри которой нет поверхности раздела, называется гомогенной (например, лед, вода, газы).

Система, состоящая из нескольких макроскопических частей с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела, называется гетерогенной (например, лед и вода, вода и пар и др.)

Гомогенные части системы, отделенные от остальных частей видимыми поверхностями раздела, называются фазами. В зависимости от числа фаз гетерогенные системы называются двухфазными и трехфазными (газообразное, жидкое, твердое состояния).

Компонентом термодинамической системы называют всякое химически однородное вещество.

Термодинамическая система, занимающая определенный объем, находится в равновесном состоянии (равновесии) в том случае, если параметры системы во всех частях этого объема, как бы малы они ни были, имеют одинаковые значения. Для такой равновесной системы может быть установлена определенная аналитическая зависимость между параметрами ее состояния. В самом общем случае эта зависимость имеет вид:

F(P, v, T) = 0,(1.7)

которое в термодинамике называют термическим уравнением состояния, а параметры P, v, T называются основными термическими параметрами термодинамической системы.

Термическому уравнению состояния можно придать следующий вид:

свидетельствующий о том, что любой из параметров состояния системы является функцией остальных ее параметров. В термодинамике такие функции называютсяфункциями состояния.

С математической точки зрения уравнение состояния (1.7) в пространственной ортогональной системе координат v-P-T является уравнением некоторой поверхности, называемой термодинамической. Все состояния термодинамической системы, подчиняющиеся уравнению (1.7), характеризуются точками, лежащими на термодинамической поверхности. Координаты отдельных точек, например, А, Р_А, v_А, Т_А определяют параметры системы в данном состоянии. Каждому равновесному состоянию термодинамической системы соответствует определенная точка на термодинамической поверхности

1.4 Термодинамический процесс. vP-диаграмма и термодинамические процессы в ней

Термодинамическим процессомназывается совокупность последовательных состояний, через которые проходит термодинамическая система при взаимодействии ее с внешней средой. При этом все или часть параметров претерпевают изменения. Если изменения параметров проходят таким образом, что в любом промежуточном состоянии система находится в равновесии, то такие процессы называются равновесными.

Термодинамика в первую очередь рассматривает равновесные состояния и равновесные процессы изменения состояния термодинамической системы. Только равновесные состояния могут быть описаны количественно с помощью уравнения состояния.

Графически равновесный процесс изображается кривой, всеми своими точками лежащей на равновесной поверхности (кривая ВСна рис. 1.2).

Рисунок 1.2 – Термодинамическая поверхность

Графическое изучение термодинамических процессов было бы затруднено при использовании пространственной системы координат, поэтому для изображения процессов пользуются не самими кривыми, а их проекциями в прямоугольной системе координат.

Если термодинамическую поверхность рассечь плоскостями, параллельными осям координат, то на поверхности получатся следующие кривые: при v = const - процесс изменения давления в зависимости от температуры в координатах РТ /изохорный процесс/; при Р = const - процесс изменения удельного объема в зависимости от температуры в координатах vT /изобарный процесс/; при Т = const - процесс изменения давления в зависимости от удельного объема в координатах vР /изотермический процесс/.

Чаще всего для исследования термодинамических процессов в технической термодинамике применяют двухосную систему координат vP.

Равновесный процесс, протекающий при отсутствии трения, называется обратимым. Под трением в широком смысле слова здесь понимается любой процесс непосредственного превращения различных видов энергии в тепловую. Обратимый процесс может протекать самопроизвольно как в прямом, так и в обратном направлениях, проходя через те же самые равновесные состояния. В результате прямого и обратного процессов термодинамическая система и окружающая среда возвращаются в исходное состояние без остаточных изменений.

Необратимымназывается процесс, который либо вообще невозможен в обратном направлении по тому же самому пути, либо требует для своего осуществления дополнительных внешних затрат. Если нарушается хотя бы одно из условий обратимости, то процесс будет необратимым.

При изучении термодинамических процессов особое значение имеют так называемые замкнутые, или круговые процессы, при которых система, проходя через ряд последовательных состояний, возвращается к начальному состоянию. Круговой процесс называют также циклом.

Изменение параметра состояния в любом термодинамическом процессе не зависит от вида процесса, а целиком определяется начальным и конечным состоянием. Поэтому любой параметр состояния является функцией состояния.

Следует отметить, что параметры состояния могут зависеть или не зависеть от массы термодинамической системы. Параметры состояния, не зависящие от массы системы, называются интенсивными параметрами (давление, температура и др.). Параметры, величины которых пропорциональны массе системы, называются аддитивными, или экстенсивными параметрами (объем, энергия и др.).

1.3.1 Уравнение состояния

Компонентом термодинамической системы называют всякое химически однородное вещество.

F(P, v, T) = 0,(1.7)

Термическому уравнению состояния можно придать следующий вид:

1.4 Термодинамический процесс. vP-диаграмма и термодинамические процессы в ней

Рисунок 1.2 – Термодинамическая поверхность

Если процесс идет при постоянном давлении, он называется изобарным процессом. При постоянном объёме - изохорным, при постоянной температуре - изотермическим.

Первый закон термодинамики ( формулировка и математическое выражение)

Наблюдая за людьми в разных климатических зонах, Майер сделал вывод, что теплота сгорания пищи используется на поддержание постоянной температуры тела и на выполнение мускульной работы. Это наблюдение легло в основу 1 закона термодинамики.

Первый закон термодинамики (первое начало термодинамики):
энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а переходит из одного вида энергии в другой

илиприращение внутренней энергии системы в некотором процессе равно теплоте, полученной системой, плюс работа, совершенная над системой.

∆U= Q+A

∆U - внутренняя энергия

На основе 1 закона термодинамики, являющегося фундаментальным законом природы, простыми расчетами получают ценные сведения о процессах обмена веществ и энергии в организме.

Термодинамическая система – это тело или группа тел, взаимодействующих между собой, и отделённых от окружающей среды реальной или воображаемой поверхностью раздела.

Изолированная система – это система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. (в природе не существует) (на крайняк – термос)

Закрытая система – это система, которая не обменивается со средой веществом, но обменивается энергией.(ампула с лекарственным веществом)

Открытая система – это система, которая обменивается со средой и веществом, и энергией.(живые обьекты)

Типы термодинамическим процессов( изохорный, изобарный, изотермический)

Переход системы из одного состояния в другое с изменением хотя бы одного параметра называется термодинамическим процессом.

Первый закон термодинамики ( формулировка и математическое выражение)

∆U= Q+A

∆U - внутренняя энергия

А термодинамическая система или рабочее вещество - это часть Вселенной, выбранная для изучения термодинамикой. Это очень широкое определение, потому что термодинамическая система может быть огромной, как галактика, или небольшим количеством газа, содержащимся в цилиндре.

Все, что окружает термодинамическую систему, включая массу и пространство, является ее средой или средой. Речь идет не об остальной Вселенной, а только об окружающей среде, способной воздействовать на систему.

В термодинамической системе возможен обмен массой или энергией между системой и окружающей средой, в зависимости от типа системы - среды, в которой находятся наблюдатели, изучающие ее.

При анализе термодинамической системы важно установитьграницы (границы или стены), которые могут быть фиксированными или мобильными. Стеклянная или металлическая банка имеет неподвижные стенки, но поршень или поршень имеют подвижные стенки.

Таким образом, граница может быть реальной или воображаемой поверхностью, но в идеале она имеет нулевую толщину, некоторую жесткость и другие характеристики, которые описываются математически.

Воображаемые границы необходимы при изучении систем, которые сами являются частью гораздо более крупных систем, таких как звезда в туманности.

Теплообмен между системой и ее окружением, если таковой имеется, является первоочередной задачей термодинамики. Поэтому стены, допускающие обмен, получили особое название: адиабатические, а те, которые не позволяют его и изолируют систему, - диатермические.

Типы термодинамических систем

Существуют различные типы термодинамических систем, которые классифицируются в зависимости от их способности обмениваться веществом и энергией с окружающей средой, таким образом, мы имеем:

Открытые системы

Допускается обмен вещества и энергии с внешним миром, по этой причине их также называют контрольный объем.

Таким образом моделируются многие инженерные системы, например, домашние водонагреватели и автомобильные радиаторы.

Закрытые системы

Они также известны как контрольная масса и характеризуются отсутствием обмена веществом с окружающей средой. Следовательно, его масса фиксирована, однако энергия может выходить за его пределы, будь то тепло или работа. Таким образом, объем системы может изменяться.

Изолированные системы

Это закрытые системы, в которых предотвращается обмен тепла, работы или любой формы энергии с окружающей средой.

Однородные системы и гетерогенные системы

Описанные системы были классифицированы по их способности обмениваться данными с окружающей средой, но это не единственный критерий. Термодинамические системы также могут быть однородными и неоднородными.

Чистые вещества являются хорошими примерами однородных систем, таких как поваренная соль, хранящаяся в солонке. Напротив, комбинация жидкой воды и водяного пара представляет собой неоднородную систему, так как это два разных состояния, свойства которых различаются.

Примеры термодинамических систем

Как мы видели, термодинамические системы варьируются от самых простых до самых сложных. Однако при их изучении удобно их тщательно определить и попытаться найти все способы упростить анализ.

Давайте посмотрим на несколько примеров реальных систем, которые сопровождают нас в повседневной жизни:

Контейнер погружен в воду

Это очень простая и наглядная термодинамическая система, а также хороший способ приготовления пищи. Содержимое контейнера, будь то яйца, смесь для пирога или другого приготовления, является термодинамической системой, в то время как водяная баня представляет собой среду или среду.

По мере нагрева воды тепло поступает в систему через границу емкости.

Скорость приготовления пищи зависит от нескольких факторов, одним из которых является материал сковороды: керамический или металлический. Мы знаем, что металл является хорошим проводником тепла, поэтому мы ожидаем, что его содержимое быстро нагреется, если используется стальная или алюминиевая кастрюля.

Вместо нагрева системы вы можете охладиться, например, нагреть бутылочку с детским молоком, которая была перегрета. В этом случае система передает тепло водяной бане.

Готовим на сковороде без крышки

Кухня - отличное место для изучения термодинамических процессов. Соус, курица или другая еда, тушенная на открытой сковороде, является примером открытой системы, поскольку разрешены все виды обмена с окружающей средой: добавление приправ, других ингредиентов и изменение добавляемого тепла.

Двигатель внутреннего сгорания

В двигателях внутреннего сгорания автомобилей, мотоциклов, самолетов и лодок имеется смесь газа (воздуха) и топлива, которая подготавливается в карбюраторе и подается в цилиндр, где под действием сгорания становится смесью газов. разные.

Поскольку состав смеси меняется в течение рабочего цикла, это сложная и гетерогенная термодинамическая система.

Кофе или чай в термосе

В термосе кофе или чай дольше остаются горячими. Это контейнер с изолирующими стенками, специально предназначенный для того, чтобы наша система - горячий напиток - не отдавала тепло окружающей среде и не охлаждала.

Фактически термос - это два контейнера, между которыми создается частичный вакуум, чтобы избежать присутствия такой среды, как воздух, которая помогает проводить тепло изнутри наружу контейнера.

Конечно, термос работает и в обратном направлении, он дольше сохраняет напитки холодными.

Яйца

Яйца, которые мы потребляем в пищу, являются прекрасным примером закрытых термодинамических систем, но они позволяют обмениваться энергией с окружающей средой. Яичная скорлупа позволяет теплу курицы вылупиться из зародыша, а также пропускать газы.

Клетки

Клетка является основной единицей живых существ и представляет собой удивительно эффективную термодинамическую систему. В более широком смысле, любое живое существо также можно рассматривать как сложную термодинамическую систему.

Клеточная мембрана, выстилающая внутренние структуры, такие как ядро и митохондрии, является границей между системой и окружающей средой. Это обеспечивает обмен энергией, поступление питательных веществ извне и выход отходов.

Консервы

Консервы - типичные примеры закрытых термодинамических систем.

Нагреватель воды

Вода внутри нагревателя представляет собой открытую термодинамическую систему, поскольку необходимо, чтобы тепло достигло воды, обычно за счет электрического сопротивления, которое нагревается, если нагреватель электрический, или за счет солнечной энергии или пламени, исходящего от зажигалки. к газу.

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

1.Что такое термодинамическая система? Привести пример термодинамических систем.

Термодинамическая система это некая физическая система, состоящая из большого количества частиц, способная обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Также обычно полагается, что такая система подчиняется статистическим закономерностям. Для термодинамических систем справедливы законы термодинамики.

Термодинамические системы подразделяются на однородные по составу (например, газ в сосуде) и неоднородные (вода и пар или смесь газов в сосуде), вода и водяной пар, газы и т.п. в тепловых двигателях.

2)Какие термодинамические системы называют изолированными, закрытыми и открытыми? Привести пример.

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 .

Закрытые системы могут обмениваться с окружающей средой энергией, но не массой. Пример закрытой системы совокупность молекул растворенного вещества объема.

Открытые системы обмениваются с окружающей средой и веществом, и энергией. Примеры открытых систем люди, животные, растения, водоемы и пр. Закрытые системы делятся на неизолированные и изолированные.

3)Что такое термодинамическая фаза?

Термодинами́ческая фа́за термодинамически однородная по свойствам часть термодинамической системы, отделенная от других фаз поверхностями раздела, на которых скачком изменяются некоторые свойства системы.

4)Какую систему называют гомогенной? Какую систему называют гетерогенной? Привести пример гомогенной и гетерогенной системы.

Гомоге́нная систе́ма (от греч. ὁμός равный, одинаковый и γενεά - род) система, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно, без скачков (между частями системы нет поверхностей раздела). В гомогенной системе из двух и более химических компонентов каждый компонент распределен в массе другого в виде молекул, атомов, ионов. Составные части гомогенной системы нельзя отделить друг от друга механическим путем. Примеры гомогенных систем: лед, жидкие или твердые растворы, смесь газов и др.

Гетероге́нная систе́ма (от греч. heterogenes разнородный) неоднородная система, состоящия из однородных частей (фаз), разделенных поверхностью раздела. Однородные части (фазы) могут отличаться друг от друга по составу и свойствам. Число веществ (компонентов), термодинамических фаз и степеней свободы связаны правилом фаз. Примерами гетерогенных систем могут служить: жидкость насыщенный пар; насыщенный раствор с осадком; многие сплавы. Твердый катализатор в токе газа или жидкости тоже гетерогенная система (гетерогенный катализ).

5)Что такое компонент термодинамической системы? Назвать компоненты термодинамической системы ,которая состоит из молекул воды, ионов натрия, калия и хлора.

Компонентами (независимыми компонентами> термодинамической системы называются различные вещества, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз системы.

Узнать стоимость написания работы -->

Читайте также: