Enciclopedie școlară. Sisteme termodinamice

Termodinamica este o știință care studiază tiparele generale ale fluxului proceselor însoțite de eliberarea, absorbția și transformarea energiei. Termodinamica chimică studiază transformările reciproce ale energiei chimice și ale celorlalte forme ale acesteia - termică, luminoasă, electrică etc., stabilește legile cantitative ale acestor tranziții și, de asemenea, face posibilă prezicerea stabilității substanțelor în condiții date și a capacității lor de a intra. în anumite reacţii chimice. Obiectul considerației termodinamice se numește sistem termodinamic sau pur și simplu sistem.

Sistem- orice obiect al naturii, constând din un numar mare molecule (unități structurale) și separate de alte obiecte ale naturii printr-o suprafață de frontieră reală sau imaginară (interfață).

Starea sistemului este un set de proprietăți ale sistemului care permit definirea sistemului din punct de vedere al termodinamicii.

Tipuri de sisteme termodinamice:

eu. După natura schimbului de materie şi energie cu mediu inconjurator :

1. Sistem izolat - nu face schimb de materie sau energie cu mediul (Δm = 0; ΔE = 0) - termos.

2. sistem închis- nu face schimb de materie cu mediul, dar poate face schimb de energie (balon inchis cu reactivi).

3. Sistem deschis – poate face schimb cu mediul, atât materie cât și energie (corpul uman).

II. După starea agregată:

1. Omogen - absența modificărilor drastice ale fizice și proprietăți chimiceîn timpul tranziției de la o zonă a sistemului la alta (ele constau dintr-o fază).

2. Eterogene - două sau mai multe sisteme omogene într-unul (constă din două sau mai multe faze).

Fază- aceasta este o parte a sistemului, omogenă în toate punctele de compoziție și proprietăți și separată de alte părți ale sistemului prin interfață. Un exemplu de sistem omogen este o soluție apoasă. Dar dacă soluția este saturată și există cristale de sare în fundul vasului, atunci sistemul luat în considerare este eterogen (există o limită de fază). Un alt exemplu de sistem omogen este apă plată, dar apa cu gheață care plutește în ea este un sistem eterogen.

faza de tranzitie- transformări de fază (topirea gheții, fierberea apei).

Proces termodinamic- trecerea unui sistem termodinamic de la o stare la alta, care este întotdeauna asociată cu o încălcare a echilibrului sistemului.

Clasificarea proceselor termodinamice:

7. Izotermă - temperatură constantă - T = const

8. Izobar - presiune constantă - p = const

9. Izocoric - volum constant - V = const

stare standard este starea sistemului aleasă condiționat ca standard pentru comparație.

Pentru fază gazoasă- aceasta este starea unei substanțe chimic pure în fază gazoasă la o presiune standard de 100 kPa (înainte de 1982 - 1 atmosferă standard, 101.325 Pa, 760 mmHg), implicând prezența proprietăților unui gaz ideal.

Pentru fază pură, amestec sau solvent în lichid sau solid starea de agregare- Aceasta este starea unei substanțe chimice pure într-o fază lichidă sau solidă sub presiune standard.

Pentru soluţie- este starea unei substanțe dizolvate cu o molalitate standard de 1 mol/kg, sub presiune standard sau concentrație standard, în funcție de condițiile în care soluția este diluată fără restricții.

Pentru substanță chimic pură este o substanță într-o stare de agregare bine definită sub o presiune standard bine definită, dar arbitrară.

În definiţia stării standard nu este inclusă temperatura standard deși se vorbește adesea despre temperatura standard, care este egal cu 25°C (298,15 K).

2.2. Concepte de bază ale termodinamicii: energie internă, muncă, căldură

Energia internă U- rezerva totală de energie, inclusiv mișcarea moleculelor, vibrațiile legăturilor, mișcarea electronilor, nucleelor ​​etc., i.e. toate tipurile de energie cu excepția energiei cinetice și potențiale sisteme ca un întreg.

Este imposibil să se determine valoarea energiei interne a oricărui sistem, dar este posibil să se determine modificarea energiei interne ΔU care are loc într-un anumit proces în timpul tranziției sistemului de la o stare (cu energia U 1) la alta. (cu energie U 2):

ΔU depinde de tipul și cantitatea substanței luate în considerare și de condițiile de existență a acesteia.

Energia internă totală a produselor de reacție diferă de energia internă totală a materiilor prime, deoarece rearanjarea are loc în timpul reacției învelișuri de electroni atomi de molecule care interacționează.

Introducere. Subiect de inginerie termică. Concepte de bază și definiții. Sistem termodinamic. Opțiuni de stare. Temperatura. Presiune. Volum specific. Ecuația de stare. Ecuația Van der Waals .

Raportul dintre unități:

1 bar = 10 5 Pa

1 kg / cm 2 (atmosfera) \u003d 9,8067 10 4 Pa

1 mmHg st (milimetru de mercur) = 133 Pa

1 mm w.c. Artă. (milimetru de coloană de apă) = 9,8067 Pa

Densitate - raportul dintre masa unei substanțe și volumul pe care îl ocupă.

Volum specific - reciproca densitatii, i.e. raportul dintre volumul ocupat de o substanță și masa acesteia.

Definiție: Dacă cel puțin unul dintre parametrii oricărui corp care intră în sistem se modifică într-un sistem termodinamic, atunci proces termodinamic .

Parametrii termodinamici de bază ai stării P, V, T corpurile omogene depind unul de celălalt și sunt legate reciproc prin ecuația de stare:

F(P, V, T)

Pentru un gaz ideal, ecuația de stare se scrie astfel:

P- presiune

v- volum specific

T- temperatura

R- constanta de gaz (fiecare gaz are propria sa valoare)

Dacă ecuația de stare este cunoscută, atunci pentru a determina starea celor mai simple sisteme, este suficient să cunoaștem două variabile independente din 3

P \u003d f1 (v, t); v = f2 (P, T); T = f3(v, P).

Procesele termodinamice sunt adesea descrise pe grafice de stare, unde parametrii de stare sunt reprezentați de-a lungul axelor. Punctele de pe planul unui astfel de grafic corespund unei anumite stări a sistemului, liniile de pe grafic corespund proceselor termodinamice care transferă sistemul dintr-o stare în alta.

Să considerăm un sistem termodinamic format dintr-un corp de gaz într-un vas cu piston, iar vasul și pistonul în acest caz sunt Mediul extern.

Să fie, de exemplu, încălzirea gazului din vas, sunt posibile două cazuri:

1) Dacă pistonul este fix și volumul nu se modifică, atunci va exista o creștere a presiunii în vas. Un astfel de proces se numește izocoric(v = const) mergând la volum constant;

Orez. 1.1. Procesele izocorice în P-T coordonate: v1 >v2 >v3

2) Dacă pistonul este liber, atunci gazul încălzit se va extinde, la presiune constantă, se numește acest proces izobaric (P= const), mergând la o presiune constantă.

Orez. 1.2 Procese izobarice în v - T coordonate: P1>P2>P3

Dacă, prin mișcarea pistonului, modificați volumul de gaz din vas, atunci temperatura gazului se va modifica și ea, totuși, prin răcirea vasului în timpul comprimării gazului și încălzirea în timpul expansiunii, puteți obține ca temperatura să se fi constant cu modificările de volum și presiune, se numește un astfel de proces izotermic (T= const).

Orez. 1.3 Procese izoterme în P-v coordonate: T 1 > T 2 > T 3

Se numește procesul în care nu există schimb de căldură între sistem și mediu adiabatic, în timp ce cantitatea de căldură din sistem rămâne constantă ( Q= const). ÎN viata reala procesele adiabatice nu există deoarece nu este posibilă izolarea completă a sistemului de mediu. Cu toate acestea, apar adesea procese în care schimbul de căldură cu mediul este foarte mic, de exemplu, comprimarea rapidă a gazului într-un vas de către un piston, când căldura nu are timp să fie îndepărtată din cauza încălzirii pistonului și vasului.

Orez. 1.4 Graficul aproximativ al procesului adiabatic în P-v coordonate.

Definiție: proces circular (ciclu) - este un set de procese care readuc sistemul la starea inițială. Număr procese individuale poate fi orice în buclă.

Conceptul de proces circular este esențial pentru noi în termodinamică, deoarece funcționarea unei centrale nucleare se bazează pe un ciclu abur-apă, cu alte cuvinte, putem lua în considerare evaporarea apei în miez, rotația turbinei. rotor cu abur, condensarea aburului și curgerea apei în miez ca un fel de proces sau ciclu termodinamic închis.

Definiție: corp de lucru - o anumită cantitate de substanță care, participând la ciclul termodinamic, face muncă utilă . Fluidul de lucru din instalația de reactor RBMK este apa, care, după evaporarea în miez sub formă de abur, lucrează în turbină, rotind rotorul.

Definiție: Transferul de energie într-un proces termodinamic de la un corp la altul, asociat cu o modificare a volumului fluidului de lucru, cu mișcarea acestuia în spațiul exterior sau cu o schimbare a poziției sale se numește lucru procesual .

Sistem termodinamic

Termodinamica tehnică (t/d) are în vedere legile transformării reciproce a căldurii în muncă. Stabilește relația dintre procesele termice, mecanice și chimice care au loc în termic și mașini frigorifice, studiază procesele care au loc în gaze și vapori, precum și proprietățile acestor corpuri în diferite condiții fizice.

Termodinamica se bazează pe două legi de bază (începuti) ale termodinamicii:

I legea termodinamicii- legea transformarii si conservarii energiei;

a II-a lege a termodinamicii- stabileste conditiile de curgere si directie a proceselor macroscopice in sisteme formate din un numar mare particule.

T/d tehnic, aplicând legile de bază la procesele de transformare a căldurii în lucru mecanic și invers, face posibilă elaborarea teoriilor motoarelor termice, studierea proceselor care au loc în acestea etc.

Obiectul studiului este sistem termodinamic, care poate fi un grup de corpuri, un corp sau o parte a unui corp. Ceea ce este în afara sistemului se numește mediu inconjurator. Un sistem T/D este un set de corpuri macroscopice care fac schimb de energie între ele și cu mediul. De exemplu: sistem t / d - gaz situat într-un cilindru cu piston, iar mediul înconjurător - un cilindru, piston, aer, pereții camerei.

sistem izolat - sistem t/d care nu interacționează cu mediul.

Sistem adiabatic (izolat termic). - sistemul are o carcasă adiabatică, care exclude schimbul de căldură (schimbul de căldură) cu mediul.

sistem omogen - un sistem care are aceeași compoziție și proprietăți fizice în toate părțile sale.

sistem omogen - sistem omogen în compoziţie şi structura fizica, în interiorul căruia nu există interfețe (gheață, apă, gaze).

sistem eterogen - un sistem format din mai multe părți omogene (faze) cu proprietăți fizice diferite, separate între ele prin interfețe vizibile (gheață și apă, apă și abur).
În motoarele termice (motoare), lucrările mecanice se efectuează cu ajutorul fluidelor de lucru - gaz, abur.

Proprietățile fiecărui sistem sunt caracterizate de un număr de mărimi, care sunt denumite în mod obișnuit parametri termodinamici. Să luăm în considerare unele dintre ele, folosind conceptele molecular-cinetice cunoscute din cursul fizicii despre un gaz ideal ca o colecție de molecule care au dimensiuni extrem de mici, sunt în mișcare termică aleatorie și interacționează între ele numai în timpul coliziunilor.

Presiunea se datorează interacțiunii moleculelor fluidului de lucru cu suprafața și este numeric egală cu forța care acționează asupra suprafeței unitare a corpului de-a lungul normalului acesteia din urmă. În conformitate cu teoria cinetică moleculară, presiunea gazului este determinată de relație

Unde n este numărul de molecule pe unitatea de volum;

T este masa moleculei; din 2 este viteza pătratică medie a mișcării de translație a moleculelor.

ÎN sistem international presiunea unităților (SI) este exprimată în pascali (1 Pa \u003d 1 N / m 2). Deoarece această unitate este mică, este mai convenabil să utilizați 1 kPa = 1000 Pa și 1 MPa = 10 6 Pa.

Presiunea se măsoară folosind manometre, barometre și manometre.

Manometrele pentru lichid și cu arc măsoară presiunea manometrică, care este diferența dintre presiunea totală sau absolută. R medie măsurată și presiunea atmosferică

p atm, adică

Dispozitivele pentru măsurarea presiunilor sub nivelul atmosferic se numesc vacuometre; citirile lor dau valoarea vidului (sau vidului):

adică excesul de presiune atmosferică față de presiunea absolută.

Trebuie remarcat faptul că parametrul de stare este presiune absolută. Aceasta este ceea ce intră în ecuațiile termodinamice.

temperaturanumită mărime fizică caracterizarea gradului de încălzire a corpului. Conceptul de temperatură decurge din următoarea afirmație: dacă două sisteme sunt în contact termic, atunci dacă temperaturile lor nu sunt egale, vor face schimb de căldură între ele, dar dacă temperaturile lor sunt egale, atunci nu va exista nici un schimb de căldură.

Din punctul de vedere al conceptelor cinetice moleculare, temperatura este o măsură a intensității mișcării termice a moleculelor. Valoarea sa numerică este legată de valoarea energiei cinetice medii a moleculelor substanței:

Unde k este constanta Boltzmann egală cu 1,380662,10? 23 J/K. Temperatura T definită în acest fel se numește absolută.

În sistemul SI, unitatea de măsură a temperaturii este kelvin (K); în practică, gradul Celsius (°C) este utilizat pe scară largă. Raportul dintre absolut Tși centigrad eu temperaturile are forma

În condiții industriale și de laborator, temperatura este măsurată folosind termometre lichide, pirometre, termocupluri și alte instrumente.

Volum specific v— este volumul pe unitatea de masă a unei substanțe. Dacă un corp de masă omogen M ocupă volum v, apoi prin definitie

v= V/M.

În sistemul SI, unitatea de volum specific este 1 m 3 /kg. Există o relație evidentă între volumul specific al unei substanțe și densitatea acesteia:

Pentru a compara mărimile care caracterizează sistemele în aceleași stări, se introduce conceptul de „condiții fizice normale”:

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

În diverse ramuri ale tehnologiei și tari diferite introduc propriile lor, oarecum diferite de cele date" conditii normale", de exemplu, "tehnic" ( p= 735,6 mmHg = 98 kPa, t= 15 °C) sau condiții normale pentru estimarea performanței compresoarelor ( p= 101,325 kPa, t\u003d 20? C), etc.

Dacă toți parametrii termodinamici sunt constanți în timp și la fel în toate punctele sistemului, atunci această stare a sistemului se numește arc echilibrat.

Dacă între puncte diferite există diferențe de temperatură, presiune și alți parametri în sistem, atunci este neechilibru. Într-un astfel de sistem, sub influența gradienților de parametri, apar fluxuri de căldură, substanțe și altele, având tendința de a-l readuce la o stare de echilibru. Experiența arată că un sistem izolat ajunge întotdeauna într-o stare de echilibru în timp și nu poate ieși niciodată din el în mod spontan.În termodinamica clasică sunt luate în considerare doar sistemele de echilibru.

Ecuația de stare. Pentru un sistem termodinamic de echilibru, există o relație funcțională între parametrii de stare, care se numește ecuația de stare. Experiența arată că volumul specific, temperatura și presiunea celor mai simple sisteme, care sunt gaze, vapori sau lichide, sunt legate ecuația termică stare de vizualizare:

Ecuația de stare poate fi dată într-o altă formă:

Aceste ecuații arată că dintre cei trei parametri principali care determină starea sistemului, oricare doi sunt independenți.

Pentru a rezolva probleme prin metode termodinamice, este absolut necesar să se cunoască ecuația de stare. Cu toate acestea, nu poate fi obținută în cadrul termodinamicii și trebuie găsită fie experimental, fie prin metode ale fizicii statistice. Forma specifică a ecuației de stare depinde de proprietățile individuale ale substanței.

Sistem termodinamic- un ansamblu de corpuri macroscopice care pot interacționa între ele și cu alte corpuri (mediul extern) - schimbă energie și materie cu acestea. Schimbul de energie și materie poate avea loc atât în ​​interiorul sistemului însuși între părțile sale, cât și între sistem și mediul extern. Depinzând de moduri posibile izolarea sistemului de mediul extern, există mai multe tipuri de sisteme termodinamice.

sistem deschis numit sistem termodinamic care poate face schimb de materie și energie cu mediul. Exemple tipice de astfel de sisteme sunt toate organismele vii, precum și un lichid, a cărui masă scade continuu din cauza evaporării sau fierberii.

Sistem termodinamic numit închis dacă nu poate face schimb de energie sau materie cu mediul înconjurător. Închis sistem vom numi sistem termodinamic izolat mecanic, i.e. incapabil să facă schimb de energie cu mediul prin munca. Un exemplu de astfel de sistem este un gaz închis într-un vas cu volum constant. Sistemul termodinamic se numește adiabatic dacă nu poate face schimb de energie cu alte sisteme prin schimb de căldură.

Parametri termodinamici (parametri de stare) numit mărimi fizice, care servesc la caracterizarea stării sistemului termodinamic.

Exemple de parametri termodinamici sunt presiunea, volumul, temperatura, concentrația. Există două tipuri de parametri termodinamici: extensivȘi intens. Primele sunt proporționale cu cantitatea de materie dintr-un sistem termodinamic dat, cele din urmă nu depind de cantitatea de materie din sistem. Cel mai simplu parametru extensiv este volumul V sisteme. valoarea v, egal cu raportul dintre volumul sistemului și masa sa, se numește volumul specific al sistemului. Cei mai simpli parametri intensivi sunt presiunea R si temperatura T.

Presiunea este o mărime fizică

Unde dFn este modulul forței normale care acționează pe o zonă mică a suprafeței corpului
de rezervă dS.

Dacă presiunea și volumul specific au un aspect clar și simplu sens fizic, atunci conceptul de temperatură este mult mai complex și mai puțin clar. În primul rând, observăm că conceptul de temperatură, strict vorbind, are sens numai pentru stările de echilibru ale sistemului.

Starea de echilibru a unui sistem termodinamic- starea sistemului, în care toți parametrii au anumite valori și în care sistemul poate rămâne atât timp cât se dorește. Temperatura în toate părțile unui sistem termodinamic aflate în echilibru este aceeași.

În schimbul de căldură între două corpuri cu temperaturi diferite, căldura este transferată de la un corp cu o temperatură mai mare către un corp cu o temperatură mai scăzută. Acest proces se oprește atunci când temperaturile ambelor corpuri se egalează.

Temperatura unui sistem în echilibru servește ca măsură a intensității mișcării termice a atomilor, moleculelor și altor particule care formează sistemul. Într-un sistem de particule descris de legile fizicii statistice clasice și în echilibru, energia cinetică medie a mișcării termice a particulelor este direct proporțională cu temperatura termodinamică a sistemului. Prin urmare, se spune uneori că temperatura caracterizează gradul de încălzire al unui corp.

La măsurarea temperaturii, ceea ce se poate face doar indirect, dependența de temperatură a unui număr de proprietăți fizice corpuri care pot fi măsurate direct sau indirect. De exemplu, atunci când temperatura corpului se modifică, se modifică lungimea și volumul, densitatea, proprietățile elastice, rezistența electrică etc. O modificare a oricăreia dintre aceste proprietăți stă la baza măsurătorilor de temperatură. Pentru aceasta, este necesar ca pentru un corp (ales), numit corp termometric, să fie cunoscută dependența funcțională a acestei proprietăți de temperatură. Pentru măsurătorile practice ale temperaturii se folosesc scale de temperatură, stabilite cu ajutorul corpurilor termometrice. În Centigrad Internaţional scara de temperatură temperatura se exprimă în grade Celsius (°C) [A. Celsius (1701-1744) - om de știință suedez] și este desemnat t, și se presupune că la o presiune normală de 1,01325 × 10 5 Pa, punctele de topire ale gheții și punctele de fierbere ale apei sunt 0 și, respectiv, 100 °C. În scala de temperatură termodinamică, temperatura este exprimată în Kelvin (K) [W. Thomson, Lord Kelvin (1821-1907) - fizician englez], notat T si se numeste temperatura termodinamica. Relația dintre temperatura termodinamică T iar temperatura pe o scară centigradă are forma T = t + 273,15.

Temperatura T= 0 K (pe o scară centigradă t\u003d -273,15 ° С) se numește zero absolut temperatura sau zero pe scara de temperatură termodinamică.

Parametrii de stare a sistemului sunt împărțiți în externi și interni. Parametri externi sistemele se numesc mărimi fizice care depind de poziţia în spaţiu şi proprietăți diverse(de exemplu, sarcini electrice) corpuri care sunt externe sistemului. De exemplu, pentru un gaz, acest parametru este volumul V navă,
în care se află gazul, deoarece volumul depinde de locația corpurilor externe - pereții vasului. Presiunea atmosferică este un parametru extern pentru un lichid într-un vas deschis. Parametri interni sistemele sunt numite mărimi fizice care depind atât de poziția corpurilor exterioare sistemului, cât și de coordonatele și vitezele particulelor care se formează. acest sistem. De exemplu, parametrii interni ai unui gaz sunt presiunea și energia acestuia, care depind de coordonatele și vitezele moleculelor în mișcare și de densitatea gazului.

Sub proces termodinamicînțelege orice modificare a stării sistemului termodinamic luat în considerare, caracterizată printr-o modificare a parametrilor termodinamici ai acestuia. Procesul termodinamic se numește echilibru, dacă în acest proces sistemul trece printr-o serie continuă de stări de echilibru termodinamic infinit apropiate. Procesele reale de schimbare a stării sistemului au loc întotdeauna la o rată finită și, prin urmare, nu pot fi în echilibru. Este evident, însă, că procesul real de schimbare a stării sistemului va fi cu cât mai aproape de echilibru, cu atât are loc mai lent, de aceea astfel de procese se numesc cvasistatic.

Următoarele procese pot servi ca exemple ale celor mai simple procese termodinamice:

a) un proces izoterm în care temperatura sistemului nu se modifică ( T= const);

b) un proces izocor care are loc la un volum constant al sistemului ( V= const);

c) un proces izobar care are loc la o presiune constantă în sistem ( p= const);

d) un proces adiabatic care are loc fără schimb de căldură între sistem și mediu.

Termodinamica este o știință care studiază fenomenele termice care apar în corpuri fără a le lega de structura moleculară a materiei.

În termodinamică se consideră că toate procesele termice din corpuri sunt caracterizate doar de parametri macroscopici- presiune, volum și temperatură. Și întrucât nu pot fi aplicate moleculelor sau atomilor individuali, atunci, spre deosebire de teoria molecular-cinetică, în termodinamică nu se ia în considerare structura moleculară a unei substanțe în procesele termice.

Toate conceptele de termodinamică sunt formulate ca o generalizare a faptelor observate în cursul experimentelor. Din această cauză, se numește teoria fenomenologică (descriptivă) a căldurii.

Sisteme termodinamice

Termodinamica descrie procesele termice care au loc în sistemele macroscopice. Astfel de sisteme constau dintr-un număr mare de particule - molecule și atomi și sunt numite termodinamice.

sistem termodinamic poate fi considerat orice obiect care poate fi văzut cu ochiul liber sau cu ajutorul microscoapelor, telescoapelor și altor instrumente optice. Principalul lucru este că dimensiunile sistemului în spațiu și timpul existenței sale fac posibilă măsurarea parametrilor săi - temperatura, presiunea, masa, compoziția chimică a elementelor etc., folosind instrumente care nu răspund la influența molecule individuale (manometre, termometre etc.).

Pentru chimiști, un sistem termodinamic este un amestec de substanțe chimice care interacționează între ele în proces reactie chimica. Astrofizicienii vor numi un astfel de sistem corp ceresc. Amestec de combustibil cu aer motorul mașinii, globul, corpul nostru, un pix, un caiet, o mașină unealtă etc. - acestea sunt și sisteme termodinamice.

Fiecare sistem termodinamic este separat de mediu prin limite. Ele pot fi reali - pereții de sticlă ai unei eprubete cu o substanță chimică, un corp de cilindru într-un motor etc. Și pot fi condiționate, atunci când, de exemplu, studiază formarea unui nor în atmosferă.

Dacă un astfel de sistem nu schimbă nici energie, nici materie cu mediul, atunci se numește izolat sau închis .

Dacă sistemul schimbă energie cu mediul extern, dar nu face schimb de materie, atunci se numește închis .

sistem deschis face schimb de energie și materie cu mediul.

Echilibru termodinamic

Acest concept este introdus și în termodinamică ca o generalizare a rezultatelor experimentale.

Echilibru termodinamic numită o astfel de stare a sistemului în care toate mărimile sale macroscopice - temperatură, presiune, volum și entropie - nu se modifică în timp dacă sistemul este izolat. Orice sistem termodinamic închis poate trece spontan într-o astfel de stare dacă toți parametrii externi rămân constanți.

Cel mai simplu exemplu de sistem în echilibru termodinamic este un termos cu ceai fierbinte. Temperatura din el este aceeași în orice punct al lichidului. Deși un termos poate fi numit sistem izolat doar aproximativ.

Orice sistem termodinamic închis tinde spontan să intre în echilibru termodinamic dacă parametrii externi nu se modifică.

Proces termodinamic

Dacă cel puțin unul dintre parametrii macroscopici se modifică, atunci ei spun că sistemul este proces termodinamic . Un astfel de proces poate apărea dacă parametrii externi se modifică sau sistemul începe să primească sau să transmită energie. Ca urmare, intră într-o altă stare.

Luați în considerare exemplul ceaiului într-un termos. Dacă scufundăm o bucată de gheață în ceai și închidem termosul, atunci imediat va exista o diferență de temperatură în părți diferite lichide. Lichidul din termos va tinde să egaleze temperaturile. Din zonele cu o temperatură mai ridicată, căldura va fi transferată acolo unde temperatura este mai scăzută. Adică va avea loc un proces termodinamic. În cele din urmă, temperatura ceaiului din termos va deveni din nou aceeași. Dar va fi deja diferită de temperatura inițială. Starea sistemului s-a schimbat deoarece temperatura acestuia s-a schimbat.

Procesul termodinamic are loc atunci când nisipul încălzit pe plajă într-o zi fierbinte se răcește noaptea. Spre dimineață, temperatura lui scade. Dar de îndată ce soarele răsare, procesul de încălzire va începe din nou.

Energie interna

Unul dintre conceptele principale ale termodinamicii este energie interna .

Toate corpurile macroscopice au energie internă, care este suma energiilor cinetice și potențiale ale tuturor particulelor (atomi și molecule) care alcătuiesc corpul. Aceste particule interacționează numai între ele și nu interacționează cu particulele din mediu. Energia internă depinde de energia cinetică și potențială a particulelor și nu depinde de poziția corpului în sine.

U = E k + E p

Energia internă se modifică odată cu temperatura. Teoria cinetică moleculară explică acest lucru prin modificarea vitezei de mișcare a particulelor de materie. Dacă temperatura corpului crește, atunci viteza de mișcare a particulelor crește, distanța dintre ele devine mai mare. În consecință, energia lor cinetică și potențială crește. Când temperatura scade, are loc procesul invers.

Pentru termodinamică, nu valoarea energiei interne este mai importantă, ci schimbarea acesteia. Și puteți schimba energia internă folosind procesul de transfer de căldură sau făcând lucrări mecanice.

Modificarea energiei interne prin lucru mecanic

Benjamin Rumford

Energia internă a unui corp poate fi schimbată prin lucrul mecanic asupra acestuia. Dacă se lucrează asupra corpului, atunci energia mecanică este convertită în energie internă. Și dacă munca este făcută de corp, atunci energia sa internă este transformată în energie mecanică.

Aproape să sfârşitul XIX-lea secolul se credea că există o substanță fără greutate - calorică, care transferă căldura de la corp la corp. Cu cât curge mai multe calorii în organism, cu atât va fi mai cald și invers.

Cu toate acestea, în 1798, omul de știință anglo-american contele Benjamin Rumford a început să se îndoiască de teoria caloricului. Motivul pentru aceasta a fost încălzirea țevilor pistolului în timpul forării. El a sugerat că cauza încălzirii este munca mecanică care se face în timpul frecării burghiului pe butoi.

Și Rumfoord a făcut un experiment. Pentru a crește forța de frecare, au luat un burghiu tocit, iar butoiul în sine a fost plasat într-un butoi cu apă. Până la sfârșitul celei de-a treia ore de foraj, apa din butoi a început să fiarbă. Aceasta însemna că trunchiul a primit căldură la fabricare munca mecanica peste ea.

Transfer de căldură

transfer de căldură numit procesul fizic de transfer de energie termică (căldură) de la un corp la altul, fie prin contact direct, fie printr-o partiție de separare. De regulă, căldura este transferată de la un corp mai cald la unul mai rece. Acest proces se încheie atunci când sistemul ajunge la o stare de echilibru termodinamic.

Energia pe care un corp o primește sau o eliberează în timpul transferului de căldură se numește cantitatea de căldură .

Conform metodei de transfer de căldură, transferul de căldură poate fi împărțit în 3 tipuri: conductivitate termică, convenție, radiație termică.

Conductivitate termică

Dacă există o diferență de temperatură între corpuri sau părți ale corpului, atunci va avea loc un proces de transfer de căldură între ele. conductivitate termică numit procesul de transfer al energiei interne de la un corp mai încălzit (sau o parte a acestuia) la un corp mai puțin încălzit (sau o parte a acestuia).

De exemplu, încălzind un capăt al unei bare de oțel pe foc, după un timp vom simți că și celălalt capăt al acestuia se încălzește.

Ținem cu ușurință o tijă de sticlă, al cărei capăt este fierbinte, de celălalt capăt, fără să ne ardem. Dar dacă încercăm să facem același experiment cu o tijă de fier, vom eșua.

Diferitele substanțe conduc căldura în mod diferit. Fiecare dintre ele are propriile sale coeficient de conductivitate termică, sau conductivitate, numeric egal cu cantitatea de căldură care trece printr-o probă de 1 m grosime, cu o suprafață de 1 m 2 în 1 secundă. 1 K este luat ca unitate de temperatură.

Metalele conduc cel mai bine căldura. Aceasta este proprietatea lor pe care o folosim în viața de zi cu zi, gătind în oale sau tigăi de metal. Dar mânerele lor nu ar trebui să se încălzească. Prin urmare, sunt fabricate din materiale cu conductivitate termică slabă.

Conductivitatea termică a lichidelor este mai mică. Și gazele au o conductivitate termică slabă.

Blana de animale este, de asemenea, un slab conductor de căldură. Datorită acestui fapt, nu se supraîncălzi pe vreme caldă și nu îngheață pe vreme rece.

Convenţie

Prin convenție, căldura este transferată prin jeturi și fluxuri de gaz sau lichid. Nu există nicio convenție în materie de solide.

Cum apare o convenție într-un lichid? Când punem un ibric cu apă pe foc, stratul inferior al lichidului se încălzește, densitatea acestuia scade, se mișcă în sus. Locul lui este luat de un strat mai rece de apă. După ceva timp, se va încălzi și se va schimba locul cu un strat mai rece. etc.

Un proces similar are loc în gaze. Nu este o coincidență că bateriile de încălzire sunt plasate în partea de jos a încăperii. La urma urmei, aerul încălzit se ridică întotdeauna în partea de sus a încăperii. Iar cel de jos, rece, dimpotrivă, cade. Apoi, de asemenea, se încălzește și crește din nou, în timp ce stratul superior se răcește și se scufundă în acest timp.

Convenția este firească și forțată.

Convenția naturală are loc în mod constant în atmosferă. Ca urmare, există mișcări constante ale maselor de aer cald în sus, iar cele reci - în jos. Rezultatul este vântul, norii și alte fenomene naturale.

Când convenția naturală nu este suficientă, folosesc convenția forțată. De exemplu, aerul cald curge într-o cameră cu ajutorul palelor ventilatorului.

Radiație termala

Soarele încălzește pământul. Nu este implicat transfer de căldură sau convenție. Deci de ce se încălzesc corpurile?

Cert este că Soarele este o sursă de radiație termică.

Radiație termala - Acest radiatie electromagnetica generate de energia internă a corpului. Toate corpurile din jurul nostru radiază energie termică. Ar putea fi lumină vizibilă veioză, sau surse de raze invizibile ultraviolete, infraroșii sau gamma.

Dar corpurile nu doar radiază căldură. O consumă și ei. Unii într-o măsură mai mare, alții într-o măsură mai mică. În plus, corpurile întunecate se încălzesc și se răcesc mai repede decât cele luminoase. Pe vreme caldă, încercăm să purtăm haine deschise la culoare, deoarece acestea absorb mai puțină căldură decât hainele de culoare închisă. Auto culoare inchisa se încălzește la soare mult mai repede decât o mașină care stă lângă ea, care are o culoare deschisă.

Această proprietate a substanțelor de a absorbi și radia căldură în moduri diferite este utilizată în crearea sistemelor de vedere pe timp de noapte, sistemelor de orientare a rachetelor etc.

Definiția 1

Un sistem termodinamic este un set și constanță de corpuri fizice macroscopice care interacționează întotdeauna între ele și cu alte elemente, schimbând energie cu acestea.

Prin un sistem în termodinamică, ei înțeleg de obicei formele fizice macroscopice care constau dintr-un număr mare de particule care nu implică utilizarea indicatorilor macroscopici pentru a descrie fiecare element individual. Nu există restricții clare în natura corpurilor materiale, care sunt componentele constitutive asemenea concepte. Ele pot fi reprezentate ca atomi, molecule, electroni, ioni și fotoni.

Există trei tipuri principale de sisteme termodinamice:

• izolat - nu se realizează schimb cu materia sau energie cu mediul;
• închis - corpul nu este interconectat cu mediul;
• deschis - există atât schimb de energie, cât și de masă cu spațiul exterior.

Energia oricărui sistem termodinamic poate fi împărțită în energia care depinde de poziția și mișcarea sistemului, precum și energia care este determinată de mișcarea și interacțiunea microparticulelor care formează conceptul. A doua parte se numește în fizică energia internă a sistemului.

Caracteristicile sistemelor termodinamice

Figura 1. Tipuri de sisteme termodinamice. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Observație 1

La fel de caracteristici distinctive sisteme în termodinamică, puteți aduce orice obiect observat fără a folosi microscoape și telescoape.

Pentru a oferi o descriere completă a unui astfel de concept, este necesar să selectați detalii macroscopice, prin care este posibil să se determine cu precizie presiunea, volumul, temperatura, inducția magnetică, polarizarea electrică, compoziție chimică, masa componentelor în mișcare.

Pentru orice sisteme termodinamice există limite condiționate sau reale care le separă de mediu. În schimb, ei iau în considerare adesea conceptul de termostat, care se caracterizează printr-o capacitate termică atât de mare încât în ​​cazul schimbului de căldură cu conceptul analizat, parametrul de temperatură rămâne neschimbat.

Depinzând de general interacțiunea unui sistem termodinamic cu mediul, se obișnuiește să se distingă:

• specii izolate care nu fac schimb de materie sau energie cu mediul;
• izolate adiabatic - sisteme care nu fac schimb de materie cu mediul extern, ci intră într-un schimb de energie;
• sisteme închise - cele care nu au schimb cu materia, este permisă doar o ușoară modificare a valorii energiei interne;
• sisteme deschise - cele care se caracterizează printr-un transfer complet de energie, materie;
• parțial deschise - au partiții semipermeabile, prin urmare nu participă pe deplin la schimbul de materiale.

În funcție de formulare, semnificațiile conceptului termodinamic pot fi împărțite în simple și opțiuni complexe.

Energia internă a sistemelor în termodinamică

Figura 2. Energia internă a unui sistem termodinamic. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Observația 2

Principalii indicatori termodinamici, care depind direct de masa sistemului, includ energia internă.

Include energia cinetică datorată mișcării particule elementare substanțe, precum și energia potențială care apare în timpul interacțiunii moleculelor între ele. Acest parametru este întotdeauna clar. Adică sensul și realizarea energiei interne este constantă ori de câte ori conceptul se află în starea dorită, indiferent de metoda prin care s-a ajuns la această poziție.

În sistemele a căror compoziție chimică rămâne neschimbată în timpul transformărilor energetice, la determinarea energiei interne, este important să se țină cont doar de energia mișcării termice a particulelor materiale.

Un bun exemplu de astfel de sistem în termodinamică este un gaz ideal. Energia liberă este o anumită muncă pe care un corp fizic ar putea-o face într-un proces reversibil izoterm, sau energia liberă este maximul funcțional posibil pe care îl poate face un concept, având o aprovizionare semnificativă de energie internă. Energia internă a sistemului este egală cu suma tensiunii legate și liberă.

Definiția 2

Energia legată este acea parte a energiei interne care nu se poate transforma independent în muncă - este un element devalorizat al energiei interne.

La aceeași temperatură, acest parametru crește odată cu entropia. Astfel, entropia unui sistem termodinamic este o măsură a securității energiei sale inițiale. În termodinamică, există o altă definiție - pierderea de energie într-un sistem izolat stabil

Un proces reversibil este un proces termodinamic care poate merge rapid atât în ​​direcția opusă, cât și în direcția înainte, trecând prin aceleași poziții intermediare, iar conceptul revine în cele din urmă la starea inițială fără a consuma energie internă și nu există modificări macroscopice în spatiul inconjurator.

Procesele reversibile oferă performanță maximă. Este imposibil să obțineți cel mai bun rezultat din sistem în practică. Acest lucru conferă fenomenelor reversibile o semnificație teoretică care se desfășoară infinit lent și nu se poate aborda decât pe distanțe scurte.

Definiția 3

Ireversibil în știință este un proces care nu poate fi efectuat în direcția opusă prin toate aceleași stări intermediare.

Toate fenomenele reale sunt în orice caz ireversibile. Exemple de astfel de efecte sunt difuzia termică, difuzia, fluxul vâscos și conducerea căldurii. Tranziția energiei cinetice și interne a mișcării macroscopice prin frecare constantă în căldură, adică în sistemul însuși, este un proces ireversibil.

Variabilele de stare ale sistemului

Starea oricărui sistem termodinamic poate fi determinată de combinația curentă a caracteristicilor sau proprietăților sale. Toate variabilele noi care sunt pe deplin determinate doar la un anumit moment în timp și nu depind de modul în care conceptul a ajuns exact în această poziție sunt numite parametri de stare termodinamică sau funcții de bază ale spațiului.

Un sistem în termodinamică este considerat staționar dacă variabilele rămân stabile și nu se modifică în timp. O versiune a stării de echilibru este echilibrul termodinamic. Orice, chiar și cea mai nesemnificativă schimbare a conceptului este deja un proces fizic, deci poate avea de la unul la mai multe variabile state. Secvența în care stările sistemului trece sistematic una în alta se numește calea procesului.

Din păcate, confuzia cu termenii și descrierea detaliată încă există, deoarece aceeași variabilă în termodinamică poate fi atât independentă, cât și rezultatul adăugării mai multor funcții de sistem simultan. Prin urmare, termeni precum „parametru de stare”, „funcție de stare”, „variabilă de stare” pot fi uneori considerați sinonimi.