Термодинамическая система, параметры состояния

В термодинамике рассматриваются только макроскопические тела, которые носят общее название термодинамической системы.

Термодинамическая система (ТДС) – это материальное тело (или совокупность тел), способное (способных) обмениваться энергией между собой и окружающей средой (ОС). На рис. 1.1 представлена термодинамическая система и окружающая среда.

Газ с давлением Р заключен в цилиндре 1 под поршнем 2 со штоком 3, внешняя среда - окружающий воздух, контрольная поверхность (оболочка) - стенки цилиндра 1.

В зависимости от условий энергетического взаимодействия ТДС с окружающей средой и другими системами различают изолированную, открытую, закрытую и адиабатно изолированную (без теплообмена с ОС) термодинамические системы.

 

 

Рис. 1.1. Термодинамическая система и окружающая среда

 

Изолированная термодинамическая система не может обмениваться энергией и веществом с другими системами, окружающей средой, но вместе с тем ее отдельные части могут взаимодействовать между собой. Термодинамическую систему, которая может обмениваться веществом с другими системами, называют открытой (например, потоки пара или газа в турбине). Если вещество не проходит через границы системы, ее называют закрытой. Термодинамическая система, которая не может обмениваться теплотой с другими системами (окружающей средой), называется теплоизолированной, или адиабатной.

Термодинамическая система в зависимости от внешних условий в каждый момент времени находится в каком-либо физическом состоянии. Количественное состояние системы при этом характеризуется определенными физическими величинами – параметрами состояния.

Параметрами состояния называют физические величины, которые характеризуют свойства системы и могут быть измерены.

Это – давление Р, температура Т и удельный объем ν.

Температура – мера внутренней энергии, пропорциональная кинетической энергии рабочего тела, абсолютная Т, К; T = t + 273,15, t, ^oC.

Давление Р – сила, действующая по нормали на единицу площади поверхности тела.

 

 

Р_абс = Р_изб + В, p > B.

 

P_абс = B – P_вак, р < B,

 

где B – барометрическое давление,

Р_изб, Р_вак – манометрическое давление и давление вакуума.

За единицу давления принят один паскаль (Па)

1 Па = 1н/м²; 1 кПа = 10³ Па, 1 МПа = 10⁶ Па, 1 бар = 10⁵ Па,

1 ат = 0,098 МПа; 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.

 

Удельный объем ν – это объем единицы массы вещества, м³/кг.

Плотность ρ – величина, обратная удельному объему ν, ρ = 1/ν, кг/м³.

Если термодинамические параметры состояния (давление Р, температура Т и удельный объем ν) постояны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такая система называется равновесной. Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, называемая уравнением состояния:

 

 

F(P, T, ν) = 0. (1.1)

 

При взаимодействии системы с окружающей средой ее состояние изменяется. Изменение состояния термодинамической системы называют термодинамическим процессом.

Термодинамический процесс

Термодинамический процесс – последовательное изменение состояния рабочего тела под действием окружающей среды. Равновесный термодинамический процесс – это непрерывная последовательность равновесных состояний системы.

Рис. 1.2. Диаграмма состояния газа в координатах р, v:

1, 2, 3, А, В, - изображение состояния газа;

АС, АВ – термодинамические процессы

 

На рис. 1.2 показаны равновесные термодинамические процессы, протекающие при неизменном объеме – изохорный (линия АС), при постоянном давлении – изобарный (линия АД), неизменной температуре – изотермический (линия АВ), а также без отвода и подвода теплоты – адиабатный (линия АЕ).

Обратимый термодинамический процесс (АВ) может быть проведен в обратном направлении от точки В к А так, что рабочее тело и окружающая среда пройдут через те же промежуточные состояния (точки 3,2,1) в обратной последовательности, что и в прямом направлении от точки А к В при отсутствии изменений в окружающей среде, в противном случае процесс является необратимым. Процесс АВ – обратимый термодинамический процесс.

Цикл (замкнутый термодинамический процесс) – система проходит через ряд равновесных состояний и возвращается в первоначальное состояние.