Schullexikon. Thermodynamische Systeme

Thermodynamik ist eine Wissenschaft, die die allgemeinen Muster von Prozessen untersucht, die mit der Freisetzung, Absorption und Umwandlung von Energie einhergehen. Die chemische Thermodynamik untersucht die gegenseitigen Umwandlungen chemischer Energie und ihrer anderen Formen – Wärme, Licht, Elektrizität usw. –, legt die quantitativen Gesetze dieser Übergänge fest und ermöglicht es außerdem, die Stabilität von Stoffen unter gegebenen Bedingungen und ihre Eintrittsfähigkeit vorherzusagen in bestimmte chemische Reaktionen ein. Der Gegenstand der thermodynamischen Betrachtung wird als thermodynamisches System oder einfach als System bezeichnet.

System- jedes natürliche Objekt, bestehend aus große Zahl Moleküle (Struktureinheiten) und durch eine reale oder imaginäre Grenzfläche (Grenzfläche) von anderen natürlichen Objekten getrennt.

Der Zustand eines Systems ist eine Reihe von Eigenschaften des Systems, die es uns ermöglichen, das System aus thermodynamischer Sicht zu definieren.

Arten thermodynamischer Systeme:

ICH. Entsprechend der Art des Austauschs von Materie und Energie mit Umfeld :

1. Isoliertes System – tauscht weder Materie noch Energie mit der Umgebung aus (Δm = 0; ΔE = 0) – Thermoskanne.

2. Geschlossenes System– tauscht keine Materie mit der Umgebung aus, kann aber Energie austauschen (geschlossener Kolben mit Reagenzien).

3. Offenes System – kann mit der Umwelt sowohl Materie als auch Energie (menschlicher Körper) austauschen.

II. Nach Aggregatzustand:

1. Homogen – Fehlen plötzlicher Veränderungen in physischen und chemische Eigenschaften beim Übergang von einem Bereich des Systems in einen anderen (bestehen aus einer Phase).

2. Heterogen – zwei oder mehr homogene Systeme in einem (besteht aus zwei oder mehr Phasen).

Phase- Dies ist ein Teil des Systems, der in allen Punkten hinsichtlich Zusammensetzung und Eigenschaften homogen und durch eine Schnittstelle von anderen Teilen des Systems getrennt ist. Ein Beispiel für ein homogenes System ist eine wässrige Lösung. Ist die Lösung jedoch gesättigt und befinden sich am Boden des Gefäßes Salzkristalle, dann ist das betrachtete System heterogen (es liegt eine Phasengrenze vor). Ein weiteres Beispiel für ein homogenes System ist normales Wasser, aber Wasser mit darin schwimmendem Eis ist ein heterogenes System.

Phasenübergang- Phasenumwandlungen (Eisschmelzen, Wassersieden).

Thermodynamischer Prozess- der Übergang eines thermodynamischen Systems von einem Zustand in einen anderen, der immer mit einem Ungleichgewicht des Systems verbunden ist.

Klassifizierung thermodynamischer Prozesse:

7. Isotherm – konstante Temperatur – T = konst

8. Isobar – konstanter Druck – p = const

9. Isochorisch – konstantes Volumen – V = konst

Standardzustand ist der Zustand des Systems, der bedingt als Vergleichsstandard ausgewählt wird.

Für Gasphase- Dies ist der Zustand einer chemisch reinen Substanz in der Gasphase unter einem Standarddruck von 100 kPa (bis 1982 - 1 Standardatmosphäre, 101.325 Pa, 760 mm Hg), was das Vorhandensein der Eigenschaften eines idealen Gases impliziert.

Für reine Phase, Gemisch oder Lösungsmittel in flüssiger oder fester Form Aggregatzustand- Dies ist der Zustand eines chemisch reinen Stoffes in flüssiger oder fester Phase unter Normaldruck.

Für Lösung- Dies ist der Zustand eines gelösten Stoffes mit einer Standardmolalität von 1 Mol/kg, unter Standarddruck oder Standardkonzentration, basierend auf den Bedingungen, dass die Lösung unendlich verdünnt ist.

Für chemisch reine Substanz- Hierbei handelt es sich um einen Stoff in einem klar definierten Aggregatzustand unter einem klar definierten, aber willkürlichen Standarddruck.

Bei der Definition des Standardzustandes Standardtemperatur nicht inbegriffen, obwohl sie oft darüber reden Standardtemperatur, was 25°C (298,15 K) entspricht.

2.2. Grundbegriffe der Thermodynamik: innere Energie, Arbeit, Wärme

Innere Energie U- die gesamte Energieversorgung, einschließlich der Bewegung von Molekülen, Schwingungen von Bindungen, der Bewegung von Elektronen, Kernen usw., d.h. alle Arten von Energie außer kinetische und potentielle Energie Systeme als Ganzes.

Es ist unmöglich, den Wert der inneren Energie eines Systems zu bestimmen, aber es ist möglich, die Änderung der inneren Energie ΔU zu bestimmen, die in einem bestimmten Prozess beim Übergang des Systems von einem Zustand (mit Energie U 1) in einen anderen auftritt (mit Energie U 2):

ΔU hängt von der Art und Menge des jeweiligen Stoffes sowie den Bedingungen seines Vorkommens ab.

Die gesamte innere Energie der Reaktionsprodukte unterscheidet sich von der gesamten inneren Energie der Ausgangsstoffe, weil Bei der Reaktion kommt es zu einer Umstrukturierung elektronische Muscheln Atome interagierender Moleküle.

Einführung. Das Fach Wärmetechnik. Grundlegende Konzepte und Definitionen. Thermodynamisches System. Zustandsparameter. Temperatur. Druck. Bestimmtes Volumen. Staatsgleichung. Van-der-Waals-Gleichung .

Verhältnis zwischen Einheiten:

1 bar = 10 5 Pa

1 kg/cm 2 (Atmosphäre) = 9,8067 · 10 4 Pa

1mmHg st (Millimeter Quecksilbersäule) = 133 Pa

1 mm Wasser. Kunst. (Millimeter Wassersäule) = 9,8067 Pa

Dichte - das Verhältnis der Masse eines Stoffes zum von ihm eingenommenen Volumen.

Bestimmtes Volumen - der Kehrwert der Dichte, d.h. Verhältnis des von einem Stoff eingenommenen Volumens zu seiner Masse.

Definition: Wenn sich in einem thermodynamischen System mindestens einer der Parameter eines im System enthaltenen Körpers ändert, dann erfährt das System thermodynamischer Prozess .

Grundlegende thermodynamische Parameter des Staates P, V, T Homogene Körper hängen voneinander ab und sind durch die Zustandsgleichung miteinander verknüpft:

F (P, V, T)

Für ein ideales Gas lautet die Zustandsgleichung wie folgt:

P- Druck

v- bestimmtes Volumen

T- Temperatur

R- Gaskonstante (jedes Gas hat seinen eigenen Wert)

Wenn die Zustandsgleichung bekannt ist, reicht es zur Bestimmung des Zustands der einfachsten Systeme aus, zwei von drei unabhängigen Variablen zu kennen

P = f1 (v, t); v = f2 (P, T); T = f3(v, P).

Thermodynamische Prozesse werden häufig in Zustandsgraphen dargestellt, in denen Zustandsparameter entlang der Achsen aufgetragen werden. Die Punkte auf der Ebene eines solchen Diagramms entsprechen einem bestimmten Zustand des Systems, die Linien im Diagramm entsprechen thermodynamischen Prozessen, die das System von einem Zustand in einen anderen überführen.

Betrachten wir ein thermodynamisches System, das aus einem Körper eines Gases in einem Gefäß mit einem Kolben besteht, und in diesem Fall handelt es sich um Gefäß und Kolben Außenumgebung.

Wenn beispielsweise das Gas in einem Gefäß erhitzt wird, sind zwei Fälle möglich:

1) Wenn der Kolben fixiert ist und sich das Volumen nicht ändert, steigt der Druck im Gefäß. Dieser Vorgang wird aufgerufen isochor(v = const), läuft mit konstantem Volumen;

Reis. 1.1. Isochore Prozesse in P-T Koordinaten: v 1 >v 2 >v 3

2) Ist der Kolben frei, dann dehnt sich das erhitzte Gas aus; bei konstantem Druck nennt man diesen Vorgang isobar (P= const), läuft bei konstantem Druck.

Reis. 1.2 Isobare Prozesse in v - T Koordinaten: P 1 > P 2 > P 3

Ändert man durch die Bewegung des Kolbens das Gasvolumen im Gefäß, ändert sich auch die Temperatur des Gases. Durch die Kühlung des Gefäßes während der Gaskompression und die Erwärmung während der Expansion kann man jedoch erreichen, dass die Temperatur konstant bleibt Bei Volumen- und Druckänderungen nennt man diesen Vorgang isotherm (T= const).

Reis. 1.3 Isotherme Prozesse in P-v Koordinaten: T 1 > T 2 > T 3

Ein Prozess, bei dem kein Wärmeaustausch zwischen dem System und der Umgebung stattfindet, wird als bezeichnet adiabatisch, während die Wärmemenge im System konstant bleibt ( Q= const). IN wahres Leben Adiabatische Prozesse gibt es nicht, da es nicht möglich ist, das System vollständig von der Umgebung zu isolieren. Es treten jedoch häufig Prozesse auf, bei denen der Wärmeaustausch mit der Umgebung sehr gering ist, beispielsweise bei der schnellen Kompression von Gas in einem Gefäß durch einen Kolben, wenn die Wärme aufgrund der Erwärmung des Kolbens und Gefäßes keine Zeit zum Abführen hat.

Reis. 1.4 Ungefähres Diagramm eines adiabatischen Prozesses in P-v Koordinaten

Definition: Kreisprozess (Cycle) - ist eine Reihe von Prozessen, die das System in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzen. Nummer einzelne Prozesse kann alles in der Schleife sein.

Das Konzept eines Kreislaufprozesses ist für uns in der Thermodynamik von zentraler Bedeutung, da der Betrieb eines Kernkraftwerks auf einem Dampf-Wasser-Kreislauf basiert, d. h. wir können die Verdampfung von Wasser im Kern und die Rotation des Turbinenrotors berücksichtigen durch Dampf, Kondensation von Dampf und den Fluss von Wasser in den Kern als eine Art geschlossener thermodynamischer Prozess oder Kreislauf.

Definition: Arbeitskörper - eine bestimmte Menge von ein Stoff, der am thermodynamischen Kreislauf teilnimmt und Leistungen erbringt nützliche Arbeit . Das Arbeitsmedium in der RBMK-Reaktoranlage ist Wasser, das nach der Verdampfung im Kern in Form von Dampf in der Turbine Arbeit verrichtet und den Rotor dreht.

Definition: Die Übertragung von Energie in einem thermodynamischen Prozess von einem Körper auf einen anderen, verbunden mit einer Änderung des Volumens des Arbeitsmediums, mit seiner Bewegung im Außenraum oder mit einer Änderung seiner Position wird genannt Prozessarbeit .

Thermodynamisches System

Die Technische Thermodynamik (t/d) untersucht die Muster der gegenseitigen Umwandlung von Wärme in Arbeit. Es stellt den Zusammenhang zwischen thermischen, mechanischen und chemischen Prozessen her, die in thermischen und thermischen Prozessen ablaufen Kühlmaschinen, untersucht die in Gasen und Dämpfen ablaufenden Prozesse sowie die Eigenschaften dieser Körper unter verschiedenen physikalischen Bedingungen.

Die Thermodynamik basiert auf zwei Grundgesetzen (Prinzipien) der Thermodynamik:

Erster Hauptsatz der Thermodynamik- das Gesetz der Energieumwandlung und -erhaltung;

II Hauptsatz der Thermodynamik- legt die Bedingungen für das Auftreten und die Richtung makroskopischer Prozesse in Systemen fest, die aus bestehen große Menge Partikel.

Die technische Technologie, die die Grundgesetze auf die Prozesse der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit und umgekehrt anwendet, ermöglicht die Entwicklung von Theorien über Wärmekraftmaschinen, die Untersuchung der in ihnen ablaufenden Prozesse usw.

Gegenstand der Studie ist thermodynamisches System, Dabei kann es sich um eine Gruppe von Körpern, einen Körper oder einen Teil eines Körpers handeln. Was außerhalb des Systems ist, wird aufgerufen Umfeld. Ein T/D-System ist eine Ansammlung makroskopischer Körper, die untereinander und mit der Umgebung Energie austauschen. Beispiel: Ein T/D-System ist ein Gas, das sich in einem Zylinder mit einem Kolben befindet, und die Umgebung besteht aus einem Zylinder, einem Kolben, Luft und Raumwänden.

Isoliertes System - Das T/D-System interagiert nicht mit der Umgebung.

Adiabatisches (wärmeisoliertes) System - Das System verfügt über eine adiabatische Hülle, die einen Wärmeaustausch (Wärmeaustausch) mit der Umgebung ausschließt.

Homogenes System - ein System, das in allen seinen Teilen die gleiche Zusammensetzung und die gleichen physikalischen Eigenschaften aufweist.

Homogenes System - homogenes System in Zusammensetzung und physikalische Struktur, in dem es keine Grenzflächen (Eis, Wasser, Gase) gibt.

Heterogenes System - ein System bestehend aus mehreren homogenen Teilen (Phasen) mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, die durch sichtbare Grenzflächen (Eis und Wasser, Wasser und Dampf) voneinander getrennt sind.
In Wärmekraftmaschinen (Motoren) wird mechanische Arbeit mit Hilfe von Arbeitsflüssigkeiten – Gas, Dampf – verrichtet.

Die Eigenschaften jedes Systems werden durch eine Reihe von Größen charakterisiert, die üblicherweise als thermodynamische Parameter bezeichnet werden. Betrachten wir einige davon anhand der aus dem Physikkurs bekannten molekularkinetischen Konzepte über ein ideales Gas als eine Ansammlung von Molekülen, die verschwindend klein sind, sich in zufälliger thermischer Bewegung befinden und nur durch Kollisionen miteinander interagieren.

Der Druck entsteht durch die Wechselwirkung der Moleküle des Arbeitsmediums mit der Oberfläche und ist numerisch gleich der Kraft, die pro Flächeneinheit der Körperoberfläche senkrecht zu dieser wirkt. Gemäß der molekularkinetischen Theorie wird der Gasdruck durch die Beziehung bestimmt

Wo N— Anzahl der Moleküle pro Volumeneinheit;

T— Masse des Moleküls; ab 2- quadratische Mittelgeschwindigkeit der Translationsbewegung von Molekülen.

IN Internationales System Einheiten (SI) Druck wird in Pascal ausgedrückt (1 Pa = 1 N/m2). Da diese Einheit klein ist, ist es praktischer, 1 kPa = 1000 Pa und 1 MPa = 10 6 Pa zu verwenden.

Der Druck wird mit Manometern, Barometern und Vakuummetern gemessen.

Flüssigkeits- und Federdruckmessgeräte messen Überdruck, das ist die Differenz zwischen Gesamt- und Absolutdruck R gemessenes Medium und Atmosphärendruck

P atm, d.h.

Instrumente zur Messung von Drücken unterhalb des Atmosphärendrucks werden Vakuummeter genannt; Ihre Messwerte geben den Vakuumwert (oder Vakuumwert) an:

d. h. ein Überdruck des atmosphärischen Drucks gegenüber dem absoluten Druck.

Es ist zu beachten, dass der Statusparameter ist absoluter Druck. Dies ist in thermodynamischen Gleichungen enthalten.

Temperaturwird als physikalische Größe bezeichnet, charakterisiert den Grad der Erwärmung des Körpers. Der Temperaturbegriff ergibt sich aus folgender Aussage: Wenn zwei Systeme in thermischem Kontakt stehen, dann tauschen sie bei ungleichen Temperaturen Wärme miteinander aus, sind ihre Temperaturen jedoch gleich, findet kein Wärmeaustausch statt.

Aus molekularkinetischer Sicht ist die Temperatur ein Maß für die Intensität der thermischen Bewegung von Molekülen. Sein Zahlenwert hängt mit der durchschnittlichen kinetischen Energie der Moleküle des Stoffes zusammen:

Wo k- Boltzmann-Konstante gleich 1,380662,10? 23 J/K. Die so definierte Temperatur T heißt absolut.

Die SI-Einheit der Temperatur ist Kelvin (K); In der Praxis werden häufig Grad Celsius (°C) verwendet. Die Beziehung zwischen absolut T und Celsius ICH Temperaturen hat die Form

Unter Industrie- und Laborbedingungen wird die Temperatur mit Flüssigkeitsthermometern, Pyrometern, Thermoelementen und anderen Instrumenten gemessen.

Bestimmtes Volumen v— ist das Volumen pro Masseneinheit eines Stoffes. Wenn ein homogener Massenkörper M nimmt Volumen ein v, dann per Definition

v= V/M.

Im SI-System beträgt die Einheit des spezifischen Volumens 1 m 3 /kg. Es besteht ein offensichtlicher Zusammenhang zwischen dem spezifischen Volumen eines Stoffes und seiner Dichte:

Um Größen zu vergleichen, die Systeme in identischen Zuständen charakterisieren, wird das Konzept der „normalen physikalischen Bedingungen“ eingeführt:

P= 760 mmHg = 101,325 kPa; T= 273,15 K.

In verschiedenen Bereichen der Technik und verschiedene Länder stellen Sie ihre eigenen vor, die sich leicht von den gegebenen unterscheiden. normale Bedingungen", zum Beispiel „technisch“ ( P= 735,6 mm Hg. = 98 kPa, T= 15?C) oder normale Bedingungen zur Beurteilung der Kompressorleistung ( P= 101,325 kPa, T= 20 °C) usw.

Sind alle thermodynamischen Parameter zeitlich konstant und an allen Punkten des Systems gleich, so nennt man diesen Zustand des Systems Gleichfeder.

Wenn dazwischen verschiedene Punkte Gibt es Unterschiede in Temperatur, Druck und anderen Parametern im System, dann ist es so Ungleichgewicht. In einem solchen System entstehen unter dem Einfluss von Parametergradienten Wärme-, Stoff- und andere Ströme, die danach streben, es wieder in einen Gleichgewichtszustand zu bringen. Die Erfahrung zeigt das Ein isoliertes System erreicht im Laufe der Zeit immer einen Gleichgewichtszustand und kann diesen nie spontan verlassen. In der klassischen Thermodynamik werden nur Gleichgewichtssysteme betrachtet.

Staatsgleichung. Für ein thermodynamisches Gleichgewichtssystem besteht ein funktionaler Zusammenhang zwischen den Zustandsparametern, der aufgerufen wird Staatsgleichung. Die Erfahrung zeigt, dass das spezifische Volumen, die Temperatur und der Druck der einfachsten Systeme, bei denen es sich um Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten handelt, zusammenhängen thermische Gleichung Stand der Dinge:

Die Zustandsgleichung kann auch in einer anderen Form angegeben werden:

Diese Gleichungen zeigen, dass von den drei Hauptparametern, die den Zustand des Systems bestimmen, zwei unabhängig sind.

Um Probleme mit thermodynamischen Methoden zu lösen, ist die Kenntnis der Zustandsgleichung unbedingt erforderlich. Es kann jedoch nicht im Rahmen der Thermodynamik ermittelt werden und muss entweder experimentell oder mit Methoden der statistischen Physik gefunden werden. Die konkrete Form der Zustandsgleichung hängt von den individuellen Eigenschaften des Stoffes ab.

Thermodynamisches System- eine Reihe makroskopischer Körper, die miteinander und mit anderen Körpern (der äußeren Umgebung) interagieren können - mit ihnen Energie und Materie austauschen. Der Austausch von Energie und Materie kann sowohl innerhalb des Systems selbst zwischen seinen Teilen als auch zwischen dem System und der äußeren Umgebung stattfinden. Abhängig von mögliche Wege Durch die Isolierung des Systems von der äußeren Umgebung werden mehrere Arten thermodynamischer Systeme unterschieden.

Offenes System nennt man ein thermodynamisches System, das Materie und Energie mit der äußeren Umgebung austauschen kann. Typische Beispiele für solche Systeme sind alle lebenden Organismen sowie Flüssigkeiten, deren Masse durch Verdunstung oder Sieden kontinuierlich abnimmt.

Thermodynamisches System angerufen geschlossen, wenn es weder Energie noch Materie mit der äußeren Umgebung austauschen kann. Geschlossen Wir nennen ein System ein thermodynamisches System, das mechanisch isoliert ist, d. h. unfähig, durch Arbeit Energie mit der äußeren Umgebung auszutauschen. Ein Beispiel für ein solches System ist ein Gas, das in einem Behälter mit konstantem Volumen eingeschlossen ist. Das thermodynamische System heißt adiabatisch, wenn es nicht durch Wärmeaustausch Energie mit anderen Systemen austauschen kann.

Thermodynamische Parameter (Zustandsparameter) sind physikalische Größen, die zur Charakterisierung des Zustands eines thermodynamischen Systems dienen.

Beispiele für thermodynamische Parameter sind Druck, Volumen, Temperatur, Konzentration. Es gibt zwei Arten von thermodynamischen Parametern: umfangreich Und intensiv. Erstere sind proportional zur Stoffmenge in einem gegebenen thermodynamischen System, letztere hängen nicht von der Stoffmenge im System ab. Der einfachste umfangreiche Parameter ist das Volumen V Systeme. Größe v, gleich dem Verhältnis des Volumens des Systems zu seiner Masse, wird als spezifisches Volumen des Systems bezeichnet. Der einfachste Intensivparameter ist der Druck R und Temperatur T.

Druck ist eine physikalische Größe

Wo dFn– Modul der Normalkraft, die auf einen kleinen Bereich der Oberfläche eines flachen Körpers wirkt
sparsam dS.

Wenn Druck und spezifisches Volumen klar und einfach sind physikalische Bedeutung, dann ist das Konzept der Temperatur viel komplexer und weniger klar. Beachten wir zunächst, dass der Temperaturbegriff streng genommen nur für Gleichgewichtszustände des Systems sinnvoll ist.

Gleichgewichtszustand eines thermodynamischen Systems– ein Zustand des Systems, in dem alle Parameter bestimmte Werte haben und in dem das System beliebig lange verbleiben kann. Die Temperatur ist in allen Teilen eines thermodynamischen Systems im Gleichgewichtszustand gleich.

Beim Wärmeaustausch zwischen zwei Körpern mit unterschiedlicher Temperatur wird Wärme vom Körper mit höherer Temperatur auf den Körper mit niedrigerer Temperatur übertragen. Dieser Vorgang stoppt, wenn die Temperaturen beider Körper ausgeglichen sind.

Die Temperatur eines Systems im Gleichgewichtszustand dient als Maß für die Intensität der thermischen Bewegung von Atomen, Molekülen und anderen Teilchen, aus denen das System besteht. In einem Teilchensystem, das durch die Gesetze der klassischen statistischen Physik beschrieben wird und sich im Gleichgewichtszustand befindet, ist die durchschnittliche kinetische Energie der thermischen Bewegung der Teilchen direkt proportional zur thermodynamischen Temperatur des Systems. Daher wird manchmal gesagt, dass die Temperatur den Grad der Erwärmung des Körpers charakterisiert.

Bei der Temperaturmessung, die nur indirekt erfolgen kann, ist die Temperaturabhängigkeit mehrerer Faktoren zu berücksichtigen physikalische Eigenschaften Körper, die direkt oder indirekt gemessen werden können. Wenn sich beispielsweise die Temperatur eines Körpers ändert, ändern sich seine Länge und sein Volumen, seine Dichte, seine elastischen Eigenschaften, sein elektrischer Widerstand usw. Die Änderung einer dieser Eigenschaften ist die Grundlage für Temperaturmessungen. Dazu ist es notwendig, dass für einen (ausgewählten) Körper, einen sogenannten thermometrischen Körper, die funktionale Abhängigkeit dieser Eigenschaft von der Temperatur bekannt ist. Für praktische Temperaturmessungen werden Temperaturskalen verwendet, die mit thermometrischen Körpern erstellt werden. Im Internationalen Celsius Temperaturskala Die Temperatur wird in Grad Celsius (°C) ausgedrückt [A. Celsius (1701–1744) – schwedischer Wissenschaftler] und wird bezeichnet T, und es wird angenommen, dass bei Normaldruck 1,01325 × 10 5 Pa die Schmelztemperaturen von Eis und kochendem Wasser 0 bzw. 100 °C betragen. Auf der thermodynamischen Temperaturskala wird die Temperatur in Kelvin (K) [U] ausgedrückt. Thomson, Lord Kelvin (1821–1907) – englischer Physiker], bezeichnet T und wird thermodynamische Temperatur genannt. Zusammenhang zwischen thermodynamischer Temperatur T und die Temperatur auf einer Celsius-Skala hat die Form T = T + 273,15.

Temperatur T= 0 K (Celsius-Skala T= –273,15 °C) heißt Absoluter Nullpunkt Temperatur oder Null auf der thermodynamischen Temperaturskala.

Systemzustandsparameter werden in externe und interne unterteilt. Externe Parameter Systeme sind physikalische Größen, die von der Position im Raum und abhängig sind verschiedene Eigenschaften(zum Beispiel elektrische Ladungen) von Körpern, die sich außerhalb eines bestimmten Systems befinden. Bei Gas ist dieser Parameter beispielsweise das Volumen V Schiff,
in dem sich das Gas befindet, denn das Volumen hängt von der Lage der äußeren Körper – den Gefäßwänden – ab. Der Atmosphärendruck ist ein äußerer Parameter für eine Flüssigkeit in einem offenen Behälter. Interne Parameter Systeme sind physikalische Größen, die sowohl von der Position von Körpern außerhalb des Systems als auch von den Koordinaten und Geschwindigkeiten der sich bildenden Teilchen abhängen dieses System. Die inneren Parameter eines Gases sind beispielsweise sein Druck und seine Energie, die von den Koordinaten und Geschwindigkeiten der sich bewegenden Moleküle sowie von der Dichte des Gases abhängen.

Unter thermodynamischer Prozess jede Zustandsänderung des betrachteten thermodynamischen Systems verstehen, die durch eine Änderung seiner thermodynamischen Parameter gekennzeichnet ist. Der thermodynamische Prozess heißt Gleichgewicht, wenn das System dabei eine kontinuierliche Reihe unendlich enger thermodynamischer Gleichgewichtszustände durchläuft. Reale Zustandsänderungsprozesse eines Systems laufen immer mit endlicher Geschwindigkeit ab und können daher kein Gleichgewicht sein. Es ist jedoch offensichtlich, dass der reale Prozess der Zustandsänderung des Systems umso näher am Gleichgewicht liegt, je langsamer er abläuft. Daher werden solche Prozesse als solche bezeichnet quasistatisch.

Beispiele für einfachste thermodynamische Prozesse sind die folgenden Prozesse:

a) isothermer Prozess, bei dem sich die Temperatur des Systems nicht ändert ( T= const);

b) ein isochorer Prozess, der bei einem konstanten Volumen des Systems abläuft ( V= const);

c) ein isobarer Prozess, der bei konstantem Druck im System abläuft ( P= const);

d) ein adiabatischer Prozess, der ohne Wärmeaustausch zwischen dem System und der äußeren Umgebung abläuft.

Thermodynamik ist eine Wissenschaft, die thermische Phänomene untersucht, die in Körpern auftreten, ohne sie mit der molekularen Struktur der Substanz in Verbindung zu bringen.

In der Thermodynamik wird angenommen, dass Alle thermischen Prozesse in Körpern werden nur durch makroskopische Parameter charakterisiert- Druck, Volumen und Temperatur. Und da sie nicht auf einzelne Moleküle oder Atome angewendet werden können, wird in der Thermodynamik im Gegensatz zur molekularkinetischen Theorie die molekulare Struktur der Materie bei thermischen Prozessen nicht berücksichtigt.

Alle Konzepte der Thermodynamik werden als Verallgemeinerung der in Experimenten beobachteten Fakten formuliert. Aus diesem Grund wird sie als phänomenologische (beschreibende) Theorie der Wärme bezeichnet.

Thermodynamische Systeme

Die Thermodynamik beschreibt thermische Prozesse, die in makroskopischen Systemen ablaufen. Solche Systeme bestehen aus einer großen Anzahl von Teilchen – Molekülen und Atomen – und werden thermodynamisch genannt.

Thermodynamisches System kann als jedes Objekt angesehen werden, das mit bloßem Auge oder mit Hilfe von Mikroskopen, Teleskopen und anderen optischen Instrumenten gesehen werden kann. Die Hauptsache ist, dass die Abmessungen des Systems im Raum und die Zeit seiner Existenz es ermöglichen, seine Parameter – Temperatur, Druck, Masse, chemische Zusammensetzung der Elemente usw. – mit Instrumenten zu messen, die nicht auf den Einfluss von reagieren einzelne Moleküle (Manometer, Thermometer usw.).

Für Chemiker ist ein thermodynamisches System ein Gemisch chemischer Substanzen, die dabei miteinander interagieren chemische Reaktion. Astrophysiker nennen ein solches System einen Himmelskörper. Ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft drin Auto Motor, der Globus, unser Körper, ein Schreibstift, ein Notizbuch, eine Maschine usw. sind ebenfalls thermodynamische Systeme.

Jedes thermodynamische System ist durch Grenzen von seiner Umgebung getrennt. Sie können real sein – die Glaswände eines Reagenzglases mit einer chemischen Substanz, ein Zylinderkörper in einem Motor usw. Oder sie können bedingt sein, wenn sie beispielsweise die Bildung einer Wolke in der Atmosphäre untersuchen.

Wenn ein solches System weder Energie noch Materie mit der äußeren Umgebung austauscht, wird es aufgerufen isoliert oder geschlossen .

Wenn ein System Energie mit der äußeren Umgebung austauscht, aber keine Materie, dann heißt es geschlossen .

Offenes System tauscht sowohl Energie als auch Materie mit der äußeren Umgebung aus.

Thermodynamisches Gleichgewicht

Dieses Konzept wurde als Verallgemeinerung experimenteller Ergebnisse auch in die Thermodynamik eingeführt.

Thermodynamisches Gleichgewicht Sie bezeichnen einen Zustand eines Systems, in dem sich alle seine makroskopischen Größen – Temperatur, Druck, Volumen und Entropie – im Laufe der Zeit nicht ändern, wenn das System isoliert ist. Jedes geschlossene thermodynamische System kann spontan in einen solchen Zustand übergehen, wenn alle äußeren Parameter konstant bleiben.

Das einfachste Beispiel für ein System im thermodynamischen Gleichgewicht ist eine Thermoskanne mit heißem Tee. Die Temperatur darin ist an jedem Punkt der Flüssigkeit gleich. Obwohl eine Thermoskanne nur annähernd als isoliertes System bezeichnet werden kann.

Jedes geschlossene thermodynamische System neigt dazu, spontan in ein thermodynamisches Gleichgewicht zu gelangen, wenn sich die äußeren Parameter nicht ändern.

Thermodynamischer Prozess

Wenn sich mindestens einer der makroskopischen Parameter ändert, spricht man von einer Störung des Systems thermodynamischer Prozess . Ein solcher Vorgang kann auftreten, wenn sich äußere Parameter ändern oder das System beginnt, Energie zu empfangen oder zu übertragen. Dadurch geht es in einen anderen Zustand über.

Erinnern wir uns an das Beispiel des Tees in einer Thermoskanne. Wenn wir ein Stück Eis in den Tee geben und die Thermoskanne schließen, stellt sich sofort ein Temperaturunterschied ein verschiedene Teile Flüssigkeiten. Die Flüssigkeit in der Thermoskanne sorgt für einen Temperaturausgleich. Von Bereichen mit höheren Temperaturen wird Wärme in Bereiche mit niedrigeren Temperaturen übertragen. Das heißt, es findet ein thermodynamischer Prozess statt. Irgendwann wird die Temperatur des Tees in der Thermoskanne wieder die gleiche sein. Sie weicht aber bereits von der Ausgangstemperatur ab. Der Zustand des Systems hat sich geändert, weil sich seine Temperatur geändert hat.

Der thermodynamische Prozess findet statt, wenn Sand, der an einem heißen Tag am Strand erhitzt wurde, nachts abkühlt. Am Morgen sinkt seine Temperatur. Doch sobald die Sonne aufgeht, beginnt der Heizvorgang von neuem.

Innere Energie

Eines der Hauptkonzepte der Thermodynamik ist innere Energie .

Alle makroskopischen Körper verfügen über innere Energie, die sich aus der Summe der kinetischen und potentiellen Energien aller Teilchen (Atome und Moleküle) zusammensetzt, aus denen der Körper besteht. Diese Partikel interagieren nur untereinander und nicht mit Umgebungspartikeln. Die innere Energie hängt von der kinetischen und potentiellen Energie der Teilchen ab und ist nicht von der Position des Körpers selbst abhängig.

U = Ek +Ep

Die innere Energie ändert sich mit der Temperatur. Die molekularkinetische Theorie erklärt dies durch die Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit von Materieteilchen. Steigt die Körpertemperatur, erhöht sich auch die Bewegungsgeschwindigkeit der Partikel, der Abstand zwischen ihnen wird größer. Dadurch erhöht sich ihre kinetische und potentielle Energie. Bei sinkender Temperatur erfolgt der umgekehrte Vorgang.

Für die Thermodynamik ist nicht die Menge der inneren Energie von Bedeutung, sondern deren Veränderung. Und Sie können die innere Energie durch den Prozess der Wärmeübertragung oder durch Verrichtung mechanischer Arbeit verändern.

Änderung der inneren Energie durch mechanische Arbeit

Benjamin Rumfoord

Die innere Energie eines Körpers kann durch mechanische Arbeit verändert werden. Wird an einem Körper Arbeit verrichtet, so wird mechanische Energie in innere Energie umgewandelt. Und wenn ein Körper Arbeit verrichtet, dann wandelt sich seine innere Energie in mechanische Energie um.

Fast oben Ende des 19. Jahrhunderts Jahrhunderte lang glaubte man, dass es eine schwerelose Substanz gibt – Kalorien, die Wärme von Körper zu Körper überträgt. Je mehr Kalorien in den Körper fließen, desto wärmer wird es und umgekehrt.

Im Jahr 1798 begann jedoch der angloamerikanische Wissenschaftler Graf Benjamin Rumford, an der Kalorientheorie zu zweifeln. Der Grund dafür war die Erwärmung der Geschützrohre beim Bohren. Er vermutete, dass die Ursache der Erwärmung die mechanische Arbeit ist, die bei der Reibung des Bohrers am Lauf verrichtet wird.

Und Rumfoord führte ein Experiment durch. Um die Reibungskraft zu erhöhen, nahmen sie einen stumpfen Bohrer und steckten das Fass selbst in ein Fass mit Wasser. Am Ende der dritten Bohrstunde begann das Wasser im Fass zu kochen. Dies bedeutete, dass der Lauf beim Spielen Hitze aufnahm mechanische Arbeit darüber.

Wärmeübertragung

Wärmeübertragung ist der physikalische Prozess der Übertragung von Wärmeenergie (Wärme) von einem Körper auf einen anderen, entweder durch direkten Kontakt oder durch eine trennende Trennwand. In der Regel wird Wärme von einem wärmeren Körper auf einen kälteren übertragen. Dieser Prozess endet, wenn das System einen thermodynamischen Gleichgewichtszustand erreicht.

Die Energie, die ein Körper bei der Wärmeübertragung aufnimmt oder abgibt, nennt man Wärmemenge .

Je nach Art der Wärmeübertragung kann der Wärmeaustausch in drei Arten unterteilt werden: Wärmeleitfähigkeit, Konvention, Wärmestrahlung.

Wärmeleitfähigkeit

Wenn zwischen Körpern oder Körperteilen ein Temperaturunterschied besteht, findet zwischen ihnen der Prozess der Wärmeübertragung statt. Wärmeleitfähigkeit ist der Prozess der Übertragung innerer Energie von einem stärker erhitzten Körper (oder einem Teil davon) auf einen weniger erhitzten Körper (oder einen Teil davon).

Wenn wir beispielsweise ein Ende eines Stahlstabs über einem Feuer erhitzen, werden wir nach einer Weile spüren, dass auch das andere Ende warm wird.

Wir können einen Glasstab, dessen eines Ende glühend heiß ist, problemlos am anderen Ende festhalten, ohne uns zu verbrennen. Aber wenn wir versuchen, dasselbe Experiment mit einer Eisenstange durchzuführen, wird uns das nicht gelingen.

Verschiedene Stoffe leiten Wärme unterschiedlich. Jeder von ihnen hat seinen eigenen Wärmeleitfähigkeitskoeffizient, oder Leitfähigkeit, numerisch gleich der Wärmemenge, die in 1 Sekunde durch eine 1 m dicke Probe mit einer Fläche von 1 m 2 dringt. Die Einheit der Temperatur ist 1 K.

Metalle leiten Wärme am besten. Diese Eigenschaft nutzen wir im Alltag, indem wir Speisen in Metalltöpfen oder Bratpfannen kochen. Aber ihre Hände sollten nicht heiß werden. Daher bestehen sie aus Materialien mit schlechter Wärmeleitfähigkeit.

Die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten ist geringer. Und Gase haben eine schlechte Wärmeleitfähigkeit.

Tierfell ist außerdem ein schlechter Wärmeleiter. Dadurch überhitzen sie bei heißem Wetter nicht und frieren bei kaltem Wetter nicht ein.

Konvention

Konventionell wird Wärme durch Strahlen und Ströme von Gas oder Flüssigkeit übertragen. Bei Festkörpern gibt es keine Konvention.

Wie kommt es zu Konventionen in einer Flüssigkeit? Wenn wir einen Wasserkessel auf das Feuer stellen, erwärmt sich die untere Flüssigkeitsschicht, ihre Dichte nimmt ab und sie bewegt sich nach oben. An ihre Stelle tritt eine kältere Wasserschicht. Nach einiger Zeit erwärmt es sich ebenfalls und tauscht ebenfalls die Plätze mit der kälteren Schicht. Usw.

Ein ähnlicher Prozess findet in Gasen statt. Es ist kein Zufall, dass Heizkörper im unteren Teil des Raumes platziert sind. Schließlich steigt erwärmte Luft immer nach oben im Raum. Und der untere, kalte fällt im Gegenteil. Dann erwärmt es sich und steigt wieder auf, und obere Schicht Während dieser Zeit kühlt es ab und sinkt.

Konventionen können natürlich oder erzwungen sein.

In der Atmosphäre finden ständig natürliche Konventionen statt. Dadurch kommt es zu einer ständigen Bewegung warmer Luftmassen nach oben und kalter Luftmassen nach unten. Dadurch entstehen Wind, Wolken und andere Naturphänomene.

Wenn natürliche Konventionen nicht ausreichen, verwende ich erzwungene Konventionen. Mithilfe von Ventilatorflügeln werden beispielsweise warme Luftströme in einem Raum bewegt.

Wärmestrahlung

Die Sonne erwärmt die Erde. In diesem Fall findet weder Wärmeübertragung noch Konvention statt. Warum bekommen Körper Hitze?

Tatsache ist, dass die Sonne eine Quelle thermischer Strahlung ist.

Wärmestrahlung - Das elektromagnetische Strahlung, entsteht aus der inneren Energie des Körpers. Alle Körper um uns herum geben Wärmeenergie ab. Es kann sich um sichtbare Lichtstrahlung handeln Tischlampe oder Quellen unsichtbarer Ultraviolett-, Infrarot- oder Gammastrahlen.

Aber Körper geben mehr als nur Wärme ab. Sie nehmen es auch auf. Bei manchen in größerem Ausmaß, bei anderen in geringerem Ausmaß. Darüber hinaus erwärmen und kühlen sich dunkle Körper schneller als helle. Bei heißem Wetter versuchen wir, helle Kleidung zu tragen, da diese weniger Wärme absorbiert als dunkle Kleidung. Automobil dunkle Farbe heizt sich in der Sonne viel schneller auf als ein helles Auto, das daneben steht.

Diese Eigenschaft von Stoffen, Wärme unterschiedlich zu absorbieren und abzugeben, wird bei der Entwicklung von Nachtsichtsystemen, Raketenzielsuchsystemen usw. genutzt.

Definition 1

Ein thermodynamisches System ist eine Ansammlung und Konstanz makroskopischer physikalischer Körper, die ständig miteinander und mit anderen Elementen interagieren und mit ihnen Energie austauschen.

In der Thermodynamik verstehen sie unter einem System meist eine makroskopische physikalische Form, die aus einer großen Anzahl von Teilchen besteht, die nicht die Verwendung makroskopischer Indikatoren zur Beschreibung jedes einzelnen Elements impliziert. Es gibt keine bestimmten Einschränkungen in der Natur materieller Körper Bestandteile solche Konzepte. Sie können als Atome, Moleküle, Elektronen, Ionen und Photonen dargestellt werden

Thermodynamische Systeme gibt es in drei Haupttypen:

• isoliert – es findet kein Austausch mit Materie oder Energie mit der Umgebung statt;
• geschlossen – der Körper ist nicht mit der Umwelt verbunden;
• offen – es findet sowohl Energie- als auch Stoffaustausch mit dem Außenraum statt.

Die Energie jedes thermodynamischen Systems kann in Energie unterteilt werden, die von der Position und Bewegung des Systems abhängt, sowie in Energie, die durch die Bewegung und Wechselwirkung der Mikropartikel bestimmt wird, die das Konzept bilden. Der zweite Teil wird in der Physik die innere Energie des Systems genannt.

Merkmale thermodynamischer Systeme

Abbildung 1. Arten thermodynamischer Systeme. Author24 – Online-Austausch studentischer Arbeiten

Anmerkung 1

Als charakteristische Merkmale Systeme in der Thermodynamik können Sie jedes Objekt ohne den Einsatz von Mikroskopen und Teleskopen beobachten.

Um ein solches Konzept vollständig zu beschreiben, müssen makroskopische Details ausgewählt werden, anhand derer sich Druck, Volumen, Temperatur, magnetische Induktion, elektrische Polarisation usw. genau bestimmen lassen. chemische Zusammensetzung, Masse der beweglichen Komponenten.

Für alle thermodynamischen Systeme gibt es bedingte oder reale Grenzen, die sie von der Umgebung trennen. Stattdessen ziehen sie häufig das Konzept eines Thermostaten in Betracht, der sich durch eine so hohe Wärmekapazität auszeichnet, dass bei Wärmeaustausch mit dem analysierten Konzept der Temperaturparameter unverändert bleibt.

Abhängig von allgemein Wechselwirkung eines thermodynamischen Systems mit der Umgebung, ist es üblich zu unterscheiden:

• isolierte Arten, die weder Materie noch Energie mit der äußeren Umgebung austauschen;
• adiabatisch isoliert – Systeme, die keine Materie mit der äußeren Umgebung austauschen, sondern in einen Energieaustausch eintreten;
• geschlossene Systeme – solche, die keinen Austausch mit Materie führen; nur eine geringfügige Änderung des Wertes der inneren Energie ist zulässig;
• offene Systeme – solche, die durch die vollständige Übertragung von Energie und Materie gekennzeichnet sind;
• teilweise offen – haben semipermeable Trennwände und nehmen daher nicht vollständig am Materialaustausch teil.

Je nach Formulierung kann die Bedeutung des thermodynamischen Konzepts in einfache und unterteilt werden komplexe Optionen.

Innere Energie von Systemen in der Thermodynamik

Abbildung 2. Innere Energie eines thermodynamischen Systems. Author24 – Online-Austausch studentischer Arbeiten

Anmerkung 2

Zu den wichtigsten thermodynamischen Indikatoren, die direkt von der Masse des Systems abhängen, gehört die innere Energie.

Dazu gehört kinetische Energie aufgrund von Bewegung Elementarteilchen Stoffe sowie potentielle Energie, die bei der Wechselwirkung von Molekülen untereinander entsteht. Dieser Parameter ist immer eindeutig. Das heißt, die Bedeutung und die Verwirklichung der inneren Energie sind immer dann konstant, wenn sich das Konzept im gewünschten Zustand befindet, unabhängig von der Methode, mit der diese Position erreicht wurde.

In Systemen, deren chemische Zusammensetzung bei Energieumwandlungen unverändert bleibt, ist es bei der Bestimmung der inneren Energie wichtig, nur die Energie der thermischen Bewegung materieller Teilchen zu berücksichtigen.

Ein gutes Beispiel für ein solches System in der Thermodynamik ist ein ideales Gas. Freie Energie ist eine bestimmte Menge an Arbeit, die geleistet werden könnte physischer Körper In einem isothermen reversiblen Prozess stellt die freie Energie die maximal mögliche Funktion dar, die das Konzept erfüllen kann, und verfügt über einen erheblichen Vorrat an innerer Energie. Die innere Energie des Systems ist gleich der Summe aus gebundener und freier Spannung.

Definition 2

Gebundene Energie ist der Teil der inneren Energie, der sich nicht selbstständig in Arbeit umwandeln kann – es handelt sich um ein entwertetes Element der inneren Energie.

Bei gleicher Temperatur nimmt dieser Parameter mit zunehmender Entropie zu. Somit ist die Entropie eines thermodynamischen Systems ein Maß für die Bereitstellung seiner Anfangsenergie. In der Thermodynamik gibt es eine andere Definition – Energieverlust in einem stabilen isolierten System

Ein reversibler Prozess ist ein thermodynamischer Prozess, der sowohl in der Rückwärts- als auch in der Vorwärtsrichtung schnell ablaufen kann und dabei dieselben Zwischenpositionen durchläuft, wobei das Konzept schließlich ohne den Aufwand an innerer Energie in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt und keine makroskopischen Veränderungen in der Umgebung zurückbleiben Raum.

Reversible Prozesse erzeugen maximale Arbeit. In der Praxis ist es unmöglich, mit dem System optimale Ergebnisse zu erzielen. Dies verleiht reversiblen Phänomenen eine theoretische Bedeutung, die unendlich langsam ablaufen und nur auf kurze Entfernungen erreicht werden können.

Definition 3

In der Wissenschaft ist irreversibel ein Prozess, der nicht über dieselben Zwischenzustände in die entgegengesetzte Richtung durchgeführt werden kann.

Alle realen Phänomene sind in jedem Fall irreversibel. Beispiele für solche Effekte sind thermische Diffusion, Diffusion, viskose Strömung und Wärmeleitung. Der Übergang der kinetischen und inneren Energie der makroskopischen Bewegung durch ständige Reibung in Wärme, also in das System selbst, ist ein irreversibler Prozess.

Systemstatusvariablen

Der Zustand jedes thermodynamischen Systems kann durch die aktuelle Kombination seiner Merkmale oder Eigenschaften bestimmt werden. Alle neuen Variablen, die erst zu einem bestimmten Zeitpunkt vollständig bestimmt sind und nicht davon abhängen, wie genau das Konzept zu dieser Position gelangt ist, werden thermodynamische Zustandsparameter oder Grundfunktionen des Raums genannt.

In der Thermodynamik gilt ein System als stationär, wenn die Variablenwerte stabil bleiben und sich im Laufe der Zeit nicht ändern. Eine der Optionen für einen stationären Zustand ist das thermodynamische Gleichgewicht. Jede noch so unbedeutende Änderung des Konzepts ist bereits ein physischer Prozess und kann daher einen bis mehrere umfassen variable Indikatoren Zustand. Die Abfolge, in der sich die Zustände eines Systems systematisch ineinander umwandeln, wird als „Prozesspfad“ bezeichnet.

Leider besteht immer noch Verwirrung mit Begriffen und detaillierten Beschreibungen, da dieselbe Variable in der Thermodynamik entweder unabhängig sein oder das Ergebnis der gleichzeitigen Addition mehrerer Funktionen des Systems sein kann. Daher können Begriffe wie „Zustandsparameter“, „Zustandsfunktion“, „Zustandsvariable“ manchmal als Synonyme betrachtet werden.