Элементы равновесной термодинамики реферат
Обновлено: 06.07.2024
Термодинамика - наука, изучающая взаимные переходы теплоты и работы в равновесных системах и при переходе к равновесию. Химическая термодинамика - раздел физической химии, в котором термодинамические методы применяются для анализа химических явлений: химических реакций, фазовых переходов и процессов в растворах.
Объект изучения термодинамики - термодинамические системы , т.е. макроскопические объекты, отделенные от окружающего пространства реальной или мысленной поверхностью. Системы бывают:
открытые , в которых существует обмен энергией и веществом с окружающей средой;
закрытые , в которых существует обмен энергией с окружением, но нет обмена веществом;
изолированные , в которых нет обмена с окружением ни энергией, ни веществом.
Состояние системы описывают с помощью макроскопических параметров . Параметры бывают:
внутренние , которые определяются только координатами тел системы, например: плотность или внутренняя энергия U ;
внешние , которые определяются координатами тел в окружающей среде, например, объем V (при фиксированном положении стенок сосуда) или напряженность электрического поля E ;
экстенсивные , которые прямо пропорциональны массе системы или числу частиц, например, объем V , энергия U , энтропия S , теплоемкость C ;
интенсивные , которые не зависят от массы системы или числа частиц, например, температура T , плотность , давление p . Отношение любых двух экстенсивных параметров является интенсивным параметром, например парциальный мольный объем V или мольная доля x .
Среди термодинамических параметров выделяют обобщенные силы и обобщенные координаты . Обобщенные силы описывают состояние равновесия. К ним относят давление p , химический потенциал , электрический потенциал , поверхностное натяжение . Обобщенные силы - интенсивные параметры.
Обобщенные координаты - это величины, которые изменяются под действием соответствующих обобщенных сил. К ним относятся объем V , количество вещества n , заряд e , площадь W . Все обобщенные координаты - экстенсивные параметры.
Состояние системы описывается также с помощью термодинамических функций , которые зависят от параметров. Различают:
функции состояния , которые зависят только от состояния системы и не зависят от пути, по которому это состояние получено;
функции перехода , значение которых зависит от пути, по которому происходит изменение системы.
Примеры функций состояния: энергия U , энтальпия H , энергия Гельмгольца F , энергия Гиббса G , энтропия S . Термодинамические параметры объем V , давление p , температуру T также можно считать функциями состояния, т.к. они однозначно характеризуют состояние системы. Примеры функций перехода: теплота Q и работа A .
Функции состояния характеризуются следующими свойствами:
бесконечно малое изменение функции f является полным дифференциалом (обозначается df );
изменение функции при переходе из состояния 1 в состояние 2 определяется только этими состояниями: ;
в результате любого циклического процесса функция состояния не изменяется:
Параметры системы могут зависеть или не зависеть от времени. В зависимости от этого различают следующие состояния термодинамических систем:
стационарное , когда параметры системы не зависят от времени, но в системе есть потоки (например, массы или энергии);
равновесное , когда параметры системы не зависят от времени и нет потоков;
неравновесное , когда параметры системы зависят от времени.
Если хотя бы один из параметров системы меняется со временем, то говорят, что в системе происходит процесс . Процессы бывают:
обратимые , когда переход системы из одного состояния в другое и обратно может происходить по одному и тому же пути, и после возвращения в исходное состояние в окружающей среде не остается макроскопических изменений;
квазистатические , или равновесные , которые происходят под действием бесконечно малой разности обобщенных сил;
необратимые , или неравновесные , когда параметры меняются с конечной скоростью.
Все выводы и соотношения термодинамики основаны на двух постулатах (исходных положениях) и трех законах (началах).
Первое исходное положение, или основной постулат термодинамики:
Любая изолированная система с течением времени приходит в равновесное состояние и самопроизвольно не может из него выйти.
Это положение ограничивает размер систем, которые описывает термодинамика. Оно не выполняется для систем астрономического масштаба и микроскопических систем с малым числом частиц. Системы галактического размера самопроизвольно не приходят в состояние равновесия благодаря дальнодействующим гравитационным силам. Микроскопические системы могут самопроизвольно выходить из состояния равновесия; это явление называют флуктуациями . В статистической физике показано, что отклонение от положения равновесия имеет амплитуду порядка , где N - число частиц в системе. Таким образом, нижний предел для числа частиц в термодинамической системе - порядка 10 18 .
Переход системы в равновесное состояние называют релаксацией . Основной постулат термодинамики ничего не говорит о времени релаксации. В классической равновесной термодинамике вообще нет времени . Термодинамика позволяет установить только возможность протекания процессов, но не может определить скорость этих процессов.
Второе исходное положение, или нулевой закон термодинамики описывает свойства систем, находящихся в состоянии теплового равновесия:
Если система А находится в тепловом равновесии с системой В, а та, в свою очередь, находится в равновесии с системой С, то системы А и С также находятся в тепловом равновесии.
Это свойство говорит о существовании особого интенсивного параметра, характеризующего состояние теплового равновесия. Этот параметр называют температурой . Системы, находящиеся в тепловом равновесии, имеют одинаковую температуру. Таким образом, нулевой закон - это постулат о существовании температуры.
Из нулевого закона следует, что при равновесии внутренние параметры системы являются функциями внешних параметров и температуры. Уравнение, связывающее внутренние параметры с внешними параметрами и с температурой, называют уравнением состояния термодинамической системы. В общем случае уравнение состояния имеет вид:
или , где a - совокупность внутренних параметров, b - совокупность внешних параметров, T - температура. Если внутренним параметром является давление, а внешним - объем, то уравнение состояния
(1.1) называют термическим . Если внутренним параметром является энергия, а внешним - объем, то уравнение состояния
(1.2) называют калорическим .
Если известны термическое и калорическое уравнения состояния, то с помощью законов термодинамики можно определить все термодинамические свойства системы, т.е. получить ее полное термодинамическое описание. Сами уравнения состояния нельзя вывести методами классической термодинамики, но их можно определить экспериментально.
Простейшее уравнение состояния описывает систему невзаимодействующих частиц точечного размера - идеальный газ:
, (1.3) где n - количество вещества (в молях), R - универсальная газовая постоянная:
R = 8.314 Дж/(моль . К) = 1.987 кал/(моль . К) = 0.0821 л . атм/(моль . К).
Для описания реальных газов, в которых частицы имеют конечные размеры и взаимодействуют друг с другом, используют более сложные уравнения состояния:
(I уравнение Дитеричи)
(II уравнение Дитеричи)
Все эти уравнения записаны для одного моля газа; величины a и b - индивидуальные постоянные газов.
С высокой точностью поведение любого реального газа можно описать с помощью вириального разложения по степеням обратного объема:
(1.4) или давления , (1.5)
где B i , B i ' - i -ые вириальные коэффициенты, которые зависят от температуры.
Уравнение состояния идеального газа и вириальное уравнение состояния реального газа можно вывести методами статистической термодинамики.
Иногда уравнения состояния реальных газов записывают через так называемые приведенные переменные , которые определяют через параметры критического состояния газов: p r = p / p кр , V r = V / V кр , T r = T / T кр , где критические параметры определяются как координаты точки перегиба на изотерме реального газа:
Пример 1-1. Докажите, что при больших объемах уравнение Ван-дер-Ваальса переходит в уравнение идеального газа.
Решение . Уравнение Ван-дер-Ваальса:
При больших объемах вторым слагаемым в правой части можно пренебречь: a / V 2 0. В знаменателе первого слагаемого можно пренебречь постоянной b : V - b V . В пределе получаем уравнение идеального газа:
Пример 1-2. Найдите вириальные коэффициенты B i для газа, подчиняющегося уравнению Ван-дер-Ваальса.
Решение . В уравнении Ван-дер-Ваальса выделим сомножитель RT / V :
Если разложить первое слагаемое в скобке в ряд по степеням b / V , получим:
Из этого разложения следует, что второй вириальный коэффициент газа Ван-дер-Ваальса зависит от температуры:
, а остальные - постоянны: .
Пример 1-3. Найдите критические параметры и приведенное уравнение состояния для газа Дитеричи (I уравнение).
Решение . Запишем уравнение Дитеричи в виде:
и продифференцируем левую и правую часть этого уравнения два раза по объему при постоянной температуре:
и учтем, что в критической точке первая и вторая производная равны 0:
Если продифференцировать обе части уравнения состояния по объему один раз с учетом равенства нулю первой производной, то можно найти второе соотношение между критическими объемом и температурой:
Подставляя сюда первое найденное соотношение для критических параметров, получим:
И, наконец, подставляя эти параметры в уравнение состояния, находим критическое давление:
Для вывода приведенного уравнения состояния подставим в уравнение Дитеричи приведенные переменные:
В результате получаем приведенное уравнение Дитеричи, не содержащее индивидуальных параметров:
1-1. Приведите пример термодинамического процесса, который может совершаться как обратимо, так и необратимо. Назовите для этого процесса по одной функции состояния и перехода.
1-2. Приведите примеры систем со временем релаксации порядка: а) секунд; б) часов; в) десятилетий.
1-3. Изменение теплоты в зависимости от температуры и объема в некоторой системе описывается уравнением:
( C и R - постоянные). Является ли теплота функцией состояния в данном случае? Ответ обоснуйте.
1-4. Докажите, что при больших объемах первое уравнение Дитеричи переходит в уравнение идеального газа.
1-5. Найдите частные производные и для: а) идеального газа; б) газа Ван-дер-Ваальса; в) газа, подчиняющегося I уравнению Дитеричи. Докажите, что .
1-6. Используя вириальные разложения (1.4) и (1.5), найдите связь между вириальными коэффициентами B 2 , B 3 и B 2 ', B 3 '.
1-7. Найдите критические параметры и приведенные уравнения состояния для газов: а) Ван-дер-Ваальса; б) Бертло.
1-8. Предложено следующее уравнение состояния (для одного моля):
Выразите критические параметры через постоянные B и C и найдите фактор сжимаемости PV / RT в критической точке.
Похожие страницы:
Химическая термодинамика (2)
. окружающей средой). Наибольшее значение в химической термодинамике имеют изобарно-изотермические (Р,Т=const) . Основы термохимических расчётов 2.1 Основные понятия термохимии Термохимия – раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических .
Химическая термодинамика. Термохимия, термохимические уравнения.
. . Экзотермические и эндотермические реакции. Приведите примеры. Химическая термодинамика – это раздел химии, изучающий энергетику . реакций. В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса: «тепловой эффект химической реакции зависит .
Химическая термодинамика (3)
. Белинского КУРСОВАЯ РАБОТА Химическая термодинамика Выполнила студентка группы . теоретической основой всей химической науки и технологии химических производств. . , И.А. Успенская, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин. Основы физической химии. Теории и задачи. – М: .
Химическая термодинамика. Скорость химических процессов
. процессы. Свободная и связанная энергия. Энтропия Химическая термодинамика - наука, изучающая условия устойчивости систем . . Эта идея составила основу химической теории растворов: образование раствора - химический процесс взаимодействия молекул .
Химическая термодинамика (4)
. Казань 2010 Задача 1 ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА рассматривает взаимосвязи между работой . лежащее в основе термохимических расчетов: Тепловой эффект химической реакции зависит . в котором самопроизвольно протекает химическая реакция, определяется совместным .
ГОСТ
Методологии термодинамики в физике присущ настолько обобщающий характер, что она с равнозначным успехом возможна к применению в отношении объектов практически любой физической природы. Помимо всего прочего, в рамках такой теории становится возможным составление представления о закономерностях протекания довольно широкого круга химико-физических процессов.
Рисунок 1. Термодинамическое равновесие. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Значимость термодинамического подхода в представлении о физических явлениях и материи может условно быть поделена на такие части:
- проведение оценок количественного характера в плане макроскопических характеристик технических и физических систем и параметров (относительно проходящих в них физико-химических процессов);
- определение конкретных условий, при которых такие процессы становятся принципиально вероятными, и установление направлений развития макроскопических систем равновесного и неравновесного типа;
- определение критериев устойчивости в плане состояния изолированных и открытых физико-химических систем.
Понятие равновесной термодинамики
В условиях изучения термодинамики (в частности, равновесной) выявляется фигурирование в ее основе не более четырех законов, а также существенное множество математических выражений (частного порядка). Ближайшее рассмотрение позволяет выяснить, что подобные выражения и преобразования включают в себя довольно ограниченный круг определенных параметров, которые сходны на первый взгляд и совершенно различны при ближайшем рассмотрении.
Феноменологический характер подхода в рамках изложения основных методов и принципов термодинамики до определенной степени превращается в причину ее незначительной популярности и абстрактности, если сравнивать с остальными разделами физики.
Готовые работы на аналогичную тему
Наряду с тем, безусловным преимуществом термодинамического подхода выступает факт описания им и установления соотношения наблюдаемых непосредственно параметров разных веществ, что возможно и без наличия специальных знаний относительно их внутренней атомно-молекулярной структуры.
Так, при оперировании всего несколькими законами и ограниченным числом переменными, становится возможным получение огромного количества информацию касательно сложных систем с содержанием множества индивидуальных молекул. Еще одним достоинством термодинамики можно выделить независимость ее выводов от физико-технического характера системы, которая должна рассматриваться.
Равновесная термодинамика работает по принципу описания системы в состоянии термодинамического равновесия (или близкого к нему), и при этом абсолютно исключает учет ее предыстории и специфику направления перехода от одного (изначального) состояния к другому (итоговому).
Основные положения равновесной термодинамики
Рисунок 2. Равновесное состояние термодинамической системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В качестве основных положений молекулярно-кинетической теории можно выделить следующие:
- любое тело (в газообразном, твердом или жидком состояниях) считается в физике состоящим из большого количества атомов или молекул;
- молекулы любого вещества пребывают в беспорядочном и хаотичном состоянии, не обладающим преимущественным направлением и движением;
- интенсивность движения, характеризующаяся скоростью, зависима от температуры вещества.
Термодинамика, при исследовании тепловых явлений, исключает учет молекулярного строения тел. Тепловые явления в ней будут описываться посредством привлечения величин, которые регистрируются специальными приборами (давление, температура, удельный объем).
Любая термодинамическая система будет обладать внутренней энергией (то есть, - энергией теплового передвижения молекул и также потенциальной энергией их непосредственного взаимодействия). Существует два способа изменений внутренней энергии термодинамической системы в условиях ее при ее взаимодействия с внешними телами: когда совершается работа и происходит теплообмен. В этом и будет заключаться первое начало термодинамики.
Исходя из опытов, термодинамические процессы будут считаться необратимыми. При приведении в соприкосновение двух нагретых тел, более нагретое начнет передавать энергию менее нагретому. Обратный процесс при этом становится невозможным, что происходит по причине стремления всякой системы к состоянию термодинамического равновесия (когда тела пребывают в положении покоя касательно друг друга с равными температурами и давлением).
При достижении подобного состояния, система уже не может сама из него выйти, что объясняет необратимость приближенных к равновесию термодинамических процессов.
Термодинамическое равновесие в природе
Рисунок 3. Термодинамическое равновесие. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Термодинамическое равновесие показывает такое состояние для системы, при котором сохраняются неизменными во времени ее макроскопические величины, что происходит при условии изолированности от окружающей среды.
Такие величины, в принципе, не считаются постоянными, всего лишь наблюдается их колебание около собственных средних значений. При соответствии равновесной системе нескольких состояний, в каждом из которых система может пребывать неопределенно долго, о системе можно будет сказать, что ее положение характеризуется метастабильным равновесием.
Отличают такие виды равновесия: тепловое (термодинамическое), механическое, гидроаэромеханическое (гидростатическое), радиационное (лучистое) и также химическое. В реальных процессах частой будет реализация неполного (относительного, подвижного, динамического) равновесия, но при этом степень подобной неполноты может оказаться значимой или несущественной. При этом допускаются такие варианты:
Термодинамическая система — это некая физическая система, состоящая из большого количества частиц, способная обмениваться с окружающей средой энергией и веществом.
Для описания термодинамической системы вводят так называемые термодинамические величины — набор физических величин, значения которых определяют термодинамическое состояние системы. Примерами термодинамических величин являются: температура, давление, объем, внутренняя энергия, энтропия, энтальпия, свободная энергия Гельмгольца, энергия Гиббса.
Содержание
Прикрепленные файлы: 1 файл
FIZIKA.docx
Закрытые и открытые термодинамические системы…………………………..6
Заключение…………………………………………………… ……………………………………….7
Термодинамическая система — это некая физическая система, состоящая из большого количества частиц, способная обмениваться с окружающей средой энергией и веществом.
Для описания термодинамической системы вводят так называемые термодинамические величины — набор физических величин, значения которых определяют термодинамическое состояние системы. Примерами термодинамических величин являются: температура, давление, объем, внутренняя энергия, энтропия, энтальпия, свободная энергия Гельмгольца, энергия Гиббса.
Если термодинамическое состояние системы не меняется со временем, то говорят, что система находится в состоянии равновесия. Строго говоря, термодинамические величины, приведённые выше, могут быть определены только в состоянии термодинамического равновесия.
Целью работы является изучение термодинамических систем, для чего я поставила следующею задачу:
Изучить классификацию термодинамических систем и характеризовать их.
Термодинамическое равновесие — состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды. В общем, эти величины не являются постоянными, они лишь флуктуируют (колеблются) возле своих средних значений. Если равновесной системе соответствует несколько состояний, в каждом из которых система может находиться неопределенно долго, то о системе говорят, что она находится в метастабильном равновесии. В состоянии равновесия в системе отсутствуют потоки материи или энергии, неравновесные потенциалы(или движущие силы), изменения количества присутствующих фаз. Отличают тепловое, механическое, радиационное(лучистое) и химическое равновесия. На практике условие изолированности означает, что процессы установления равновесия протекают гораздо быстрее, чем происходят изменения на границах системы (то есть изменения внешних по отношению к системе условий), и осуществляется обмен системы с окружением веществом и энергией.В реальных процессах часто реализуется неполное равновесие, однако степень этой неполноты может быть существенной и несущественной. При этом возможны три варианта: равновесие достигается в какой-либо части (или частях) относительно большой по размерам системы — локальное равновесие, неполное равновесие достигается вследствие разности скоростей релаксационных процессов, протекающих в системе — частичное равновесие,имеют место как локальное, так и частичное равновесие.
В неравновесных системах происходят изменения потоков материи или энергии, или, например, фаз.Устойчивость термодинамического равновесия
Состояние термодинамического равновесия называется устойчивым, если в этом состоянии не происходит изменения макроскопических параметров системы.
Критерии термодинамической устойчивости различных систем:
Изолированая (абсолютно не взаимодействующая с окружающей средой) система — максимум энтропии.
Замкнутая (обменивается с термостатом только теплом) система — минимум свободной энергии.
Система с фиксированными температурой и давлением — минимум потенциала Гиббса.
Система с фиксированными энтропией и объёмом — минимум внутренней энергии.
Система с фиксированными энтропией и давлением — минимум энтальпии.
Изолированная система (замкнутая cистема) — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. В термодинамике постулируется (как результат обобщения опыта), что изолированная система постепенно приходит в состояние термодинамического равновесия, из которого самопроизвольно выйти не может (нулевое начало термодинамики).
Адиабатически изолированная система — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой энергией в форме теплоты. Изменение внутренней энергии такой системы равно производимой над ней работе. Всякий процесс в адиабатически изолированной системе называется адиабатическим процессом.
На практике относительная адиабатическая изоляция достигается заключением системы в адиабатическую оболочку (например, сосуд Дьюара). Реальный процесс может также считаться адиабатическим, если он протекает достаточно быстро, так, что за короткое время теплообмен с окружающими телами пренебрежимо мал.
Закрытые и открытые термодинамические системы.
Открытая система — физическая система, которую нельзя считать закрытой по отношению к окружающей среде в каком-либо аспекте — информационном, вещественном, энергетическом и т. д.Открытые системы могут обмениваться веществом, энергией, информацией с окружающей средой.
Понятие открытой системы является одним из основных в синергетике, неравновесной термодинамике, в статистической физике и в квантовой механике.
Термодинамические открытые системы активно взаимодействуют с внешней средой, причем наблюдатель прослеживает это взаимодействие не полностью, оно характеризуется высокой неопределённостью. При определённых условиях такая открытая система может достигать стационарного состояния, в котором её структура или важнейшие структурные характеристики остаются постоянными, в то время как система осуществляет со средой обмен веществом, информацией или энергией — этот процесс называется гомеостазом. Открытые системы в процессе взаимодействия со средой могут достигать так называемого эквифинального состояния, то есть состояния, определяющегося лишь собственной структурой системы и не зависящего от начального состояния среды. Такие открытые системы могут сохранять высокий уровень организованности и развиваться в сторону увеличения порядка и сложности, что является одной из наиболее важных особенностей процессов самоорганизации.
Открытые системы имеют важное значение не только в физике, но и в общей теории систем, биологии, кибернетике, информатике, экономике. Биологические, социальные и экономические системы необходимо рассматривать как открытые, поскольку их связи со средой имеют первостепенное значение при их моделировании и описании.
Закры́тая систе́ма — термодинамическая система, которая может обмениваться с окружающей средой теплом и энергией, но не веществом, в отличие от изолированной системы, которая не может обмениваться с окружающей средой ничем, и открытой системы, которая обменивается с другими телами как теплом и энергией, так и веществом.
Если закрытая система проста, то есть содержит только один тип элементов (атомов или молекул), то количество этих элементов является постоянной величиной. Тем не менее, в системах, в которых могут идти химические реакции, могут существовать самые разные виды молекул, которые образуются и уничтожаются в процессе реакции.
Поэтому, система остаётся закрытой в том случае, если общее количество каждых элементарных атомов сохраняется, независимо от того, частью какого типа молекул они являются.
Математически для каждого элемента в системе: \sum_^m a_N_j=b_i^0, где
N_j — количество молекул типа j,
a_ — количество атомов элемента i в молекуле j, и
b_i^0 — общее количество атомов элемента i в системе, которое остается постоянным, так как система закрытая.
Изучив все это ,мы пришли к следующим выводам:
1)Если термодинамическое состояние системы не меняется со временем, то говорят, что система находится в состоянии равновесия.
2) В современной физике существует следующая классификация термодинамических систем по признаку их возможности обмена энергией и веществом с окружающей средой или с другими системами :
а) Система открытая, если возможен обмен энергией и веществом.
б) Система закрытая, если обмен энергией возможен, а обмен веществом невозможен.
3) Термодинамические системы подразделяются на однородные по составу (например, газ в сосуде) и неоднородные (вода и пар или смесь газов в сосуде).
Выделяют также изолированные системы, то есть системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом, и закрытые системы, которые обмениваются со средой только энергией, но не обмениваются веществом. Если же в системе происходят обменные процессы с окружающей средой, то её называют открытой.
4)Закрытые системы дополнительно подразделяются по признаку возможности осуществления энергообмена следующим образом:
а) Система замкнутая, если энергообмен возможен, но невозможен обмен с внешней средой путем совершения механической работы.
б) Система изолированная, если невозможен обмен системы с окружающей средой ни энергией, ни веществом.
в) Система адиабатная, если полностью отсутствует теплообмен системы с окружающей средой.
Термодинамика - наука о наиболее общих свойствах макроскопических материальных систем, находящихся в различных состояниях относительно термодинамического равновесия, и о процессах переходов между этими состояниями.
К настоящему времени термодинамика содержит два основных раздела:
- 1. Равновесная термодинамика (термодинамика изолированных систем)
Разработана в 20-м веке. Содержит два основных подраздела:
- - слабо неравновесную термодинамику, основы которой разработаны в 1931 Л. Онсагером;
- - сильно неравновесную термодинамику, в основном разработанную Г. Хакеном, И. Пригожиным и Р. Томом в середине 20-го века.
1.2. Основные термины и положения термодинамики
Система – это совокупность материальных объектов (тел), ограниченных каким-либо образом от окружающей среды.
В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой термодинамические системы делятся на три типа:
1) изолированная – система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией;
- 2)замкнутая – система, которая может обмениваться с окружающей
средой лишь энергией и не может обмениваться веществом;
- 3)открытая – система, которая обменивается с окружающей средой и
энергией, и веществом.
Живые организмы являются открытыми системами.
Состояние любой термодинамической системы характеризуется двумя группами параметров:
Интенсивными термодинамическими параметрами (давление, температура и др.), не зависящими от массы или числа частиц в системе;
Экстенсивными термодинамическими параметрами (общая энергия, энтропия, внутренняя энергия), зависящими от массы или числа частиц в системе.
Изменение параметров термодинамической системы называется термодинамическим процессом.
Энергию системы (W) можно представить как совокупность двух частей: зависящую от движения и положения системы как целого (Wц) и не зависящую от этих факторов (U).
Вторую составляющую этой совокупности U называют внутренней энергией системы.
Она включает энергию теплового движения частиц, а также химическую и ядерную энергию, определяющую поступательное, колебательное и вращательное движение молекул, внутримолекулярное взаимодействие и колебание атомов, энергию вращения электронов.
Внутренняя энергия в свою очередь разделяется на свободную энергию и связанную энергию.
Свободная энергия (G) – та часть внутренней энергии, которая может быть использована для совершения работы.
Связанная энергия (Wсв) – та часть энергии, которую нельзя превратить в работу.
Потоки и Термодинамические силы. В термодинамических системах, в которых имеются градиенты температуры, концентраций компонентов, химических потенциалов, возникают необратимые процессы теплопроводности, диффузии, химических реакций.
Эти процессы характеризуются тепловыми и диффузионными потоками, скоростями химических реакций и т.д.
Связь между Ji и Хк, если термодинамические силы малы, записывают в виде линейных уравнений:
где i = 1, 2, …, m
1.3. Общие сведения о равновесной термодинамике
1.3.1. Первое начало термодинамики
Первое начало термодинамики - один из трех основных законов термодинамики, представляющий собой закон сохранения энергии для систем, в которых существенное значение имеют тепловые процессы.
Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система (например, пар в тепловой машине) может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии.
Первое начало термодинамики объясняет невозможность существования вечного двигателя 1-го рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.
Сущность первого начала термодинамики заключается в следующем:
Уравнение (1.4), выражающее первое начало термодинамики, является определением изменения внутренней энергии системы ( D U), так как Q и А — независимо измеряемые величины.
Внутреннюю энергию системы U можно, в частности, найти, измеряя работу системы в адиабатном процессе (то есть при Q = 0): Аад = — D U, что определяет U с точностью до некоторой аддитивной постоянной U0:
Первое начало термодинамики утверждает, что U является функцией состояния системы, то есть каждое состояние термодинамической системы характеризуется определённым значением U, независимо от того, каким путём система приведена в данное состояние (в то время как значения Q и А зависят от процесса, приведшего к изменению состояния системы). При исследовании термодинамических свойств физической системы первое начало термодинамики обычно применяется совместно со вторым началом термодинамики.
1.3.2. Второе начало термодинамики
Второе начало термодинамики является законом, в соответствии с которым макроскопические процессы, протекающие с конечной скоростью, необратимы.
В отличие от идеальных (без потерь) механических или электродинамических обратимых процессов, реальные процессы, связанные с теплообменом при конечной разности температур (т. е. текущие с конечной скоростью), сопровождаются разнообразными потерями: на трение, диффузию газов, расширением газов в пустоту, выделением джоулевой теплоты и т.д.
Поэтому эти процессы необратимы, то есть могут самопроизвольно протекать только в одном направлении.
Второе начало термодинамики возникло исторически при анализе работы тепловых машин.
Причем такой процесс невозможен в принципе: ни путем прямого перехода теплоты от более холодных тел к более теплым, ни с помощью каких–либо устройств без использования каких-либо других процессов.
Как видно, обе приведённые формулировки второго начала термодинамики практически одинаковы.
Отсюда следует невозможность реализации двигателя 2-го рода, т.е. двигателя без потерь энергии на трение и другие сопутствующие потери.
Кроме того, отсюда также следует, что все реальные процессы, происходящие в материальном мире в открытых системах, необратимы.
В современной термодинамике второе начало термодинамики изолированных систем формулируется единым и самым общим образом как закон возрастания особой функции состояния системы, которую Клаузиус назвал энтропией (S).
Физический смысл энтропии состоит в том, что в случае, когда материальная система находится в полном термодинамическом равновесии, элементарные частицы, из которых состоит эта система, находятся в неуправляемом состоянии и совершают различные случайные хаотические движения.
Элементы равновесной термодинамики, Фундаментальные понятия и приложения, Невинский В.В., 2005.
Представлен курс лекций по основным разделам общей термодинамики и специальным главам технической термодинамики, прочитанный автором в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете на энергомашиностроительном факультете.
Книга заинтересует студентов, обучающихся по магистерским программам, аспирантов, научных работников и специалистов в области энергомашиностроения и теплоэнергетики.
Взаимодействие системы с окружающей средой.
Теплота, работа, энергия - вот фундаментальные понятия термодинамики. Что между ними общего и в чём различия?
Интуитивно ясно, о чём идёт речь. Этому способствуют сведения, полученные из физики, начиная со школьной скамьи, да и просто жизненный опыт. Тем не менее, когда дело доходит до чёткого разграничения и осмысления этих понятий, подчас возникают затруднения.
Содержание
Предисловие редактора
Введение
Глава 1. Основные положения. Начала термодинамики
1.1. Взаимодействие системы с окружающей средой
1.2. Два примера вычисления работы
1.3. Первое начало термодинамики
1.4. Вычисление элементарной теплоты
1.5. Аддитивность энтропии и абсолютная шкала температур
1.6. Аксиоматика в термодинамике
1.7. Энтропия произвольной системы
Глава 2. Энтропия и температура
2.1. Микросостояния термодинамической системы
2.2. Энтропия и вероятность
2.3. Энтропия и информация
2.4. Статистический смысл температуры
Глава 3. Уравнение состояния
3.1. Некоторые общие сведения
3.2. Уравнение Ван-дер-Ваальса и ему подобные
3.3. Зависимость энергии от объема и ее связь с термическими параметрами
3.4. Термодинамическое подобие
3.5. Интерполяционное уравнение состояния
Глава 4. Методы термодинамики и их применение
4.1. Формулировка второго начала. Цикл паросиловой установки. Давление света
4.2. Метод циклов
4.3. Характеристические функции
4.4. Применение якобианов
Глава 5. Термодинамические потенциалы и их применение
5.1. Понятие термодинамического потенциала
5.2. Общая формула для термодинамических потенциалов и четыре потенциала Гиббса
5.3. Открытые системы. Парциальные величины. Химическая сила
5.4. Устойчивость однородной системы
5.5. Равновесие двухфазной системы
5.6. Поверхность раздела как термодинамическая система
5.7. Равновесие двухфазной системы при криволинейной поверхности раздела
Глава 6. Термодинамика растворов
6.1. Растворы и смеси. Некоторые известные закономерности
6.2. Идеальные растворы
6.3. Разбавленные растворы
6.4. Неидеальные растворы
6.5. Техническое использование свойств раствора
6.6. Газовые смеси
Глава 7. Химические превращения
7.1. Элементы термохимии
7.2. Закон действующих масс
7.3. Различные виды констант равновесия и их применение в расчёте полноты реакций.
Читайте также: