Параметры состояния и уравнения состояния термодинамической системы. Уравнения состояния идеального и реального газа.

термодинамическиепараметры - физ. величины, характеризующие равновесное состояние термодинамич. системы: темп-pa, объём, плотность, давление, намагниченность, электрич. поляризация и др. Различают экстенсивные П. с., пропорциональные объёму или масс системы внутренняя энергия U, энтропия S, энтальпия Н, Гельмголъцаэнергия, или свободная энергия F, Гиббса энергия G, и интенсивныеП. с., не зависящие от массы системы темп-pa Т, давление Р,концептрация с, хим. потенциал.В состоянии термодинамич. равновесия П. с. не зависят от времени и пространств. <координат. В неравновесном квазиравновесном состоянии П. с. могут зависетьот координат и времени.

Термодииамич. состояние определяется заданиемсовокупности независимых П. с. Однако не все П. с. являются независимыми. Уравнениесостояния выражает зависимые П. с. через независимые; напр., давлениеявляется ф-цией темп-ры и объёма Р = P(V, Т). Объём является внешнимП. с., т. к. определяется положением внеш. тел (стенки сосуда, положениепоршня). Темп-pa зависит только от внутр. состояния системы и наз. внутреннимП. с. В общем случае Р= Р(а1,..., а п, Т), где а i - внеш. П. с.

Элементарная работа термодинамич. системы определяется П. с., напр. для жидкости или газа = PdV, а в общем случае где Х i = Х i (а1,..., а п, Т) - обобщённые силы, являющиеся также П. с. Каждому набору независимыхП. с. соответствуют определ. потенциалы термодинамические (характеристическиефункции), определяющие все термодинамич. свойства системы и зависящиелишь от выбранных параметров; напр., внутр. энергия U = U(V, S), энтропия S = S(V, U), энтальпия H = Н(Р, S), энергия Гельмгольца(свободная энергия F = F(V, Т), энергия Гиббса G= G(P,T, N), N - число частиц. Для многокомпонентных систем нужно учитыватьещё дополнит. П. с.: концентрации компонент с i или иххим. потенциалы.Для многофазных систем каждая фаза описывается своим парциальным термодинамич. <потенциалом

Уравне́ние состоя́ния — уравнение, связывающее между собой термодинамические (макроскопические) параметры системы, такие, как температура, давление, объём, химический потенциал и др. Уравнение состояния можно написать всегда, когда можно применять термодинамическое описание явлений. При этом реальные уравнения состояний реальных веществ могут быть крайне сложными.

Уравнение состояния системы не содержится в постулатах термодинамики и не может быть выведено из неё. Оно должно быть взято со стороны (из опыта или из модели, созданной в рамках статистической физики). Термодинамика же не рассматривает вопросы внутреннего устройства вещества.

Заметим, что соотношения, задаваемые уравнением состояния, справедливы только для состояний термодинамического равновесия.

Термическое уравнение состояния связывает макроскопические параметры системы. Для системы с постоянным числом частиц его общий вид можно записать так:

Таким образом, задать термическое уравнение состояния значит конкретизировать вид функции

Термодинамические процессы

Термодинамические процессы и циклы Определение: Если в термодинамической системе меняется хотя бы один из параметров любого входящего в систему тела, то в системе происходит термодинамический процесс.

Основные термодинамические параметры состояния Р, V, Т однородного тела зависят один от другого и взаимно связаны уравнением состояния: F (P, V, Т). Для идеального газа уравнение состояния записывается в виде:

P × v = R × T

где: P - давление; v – удельный объем; T – температура; R – газовая постоянная (у каждого газа свое значение).

Если известно уравнение состояния, то для определения состояния простейших систем достаточно знать две независимые переменные изтрех Р = f1 (v, т); v = f2 (Р, Т); Т = f3 (v,Р)

Термодинамические процессы часто изображаются на графиках состояния, где по осям отложены параметры состояния. Точки, на плоскости такого графика, соответствуют определенному состоянию системы, линии на графике соответствуют термодинамическим процессам, переводящим систему из одного состояния в другое.

Рассмотрим термодинамическую систему, состоящую из одного тела – какого либо газа в сосуде с поршнем, причем сосуд и поршень в данном случае является внешней средой. Пусть, для примера, происходит нагрев газа в сосуде, возможны два случая: если поршень зафиксирован и объем не меняется, то произойдет повышение давления в сосуде. Такой процесс называется изохорным (v=const), идущий при постоянном объеме.

Рисунок 1. Изохорные процессы в P – T координатах (v1>v2>v3).

eсли поршень свободен то нагреваемый газ будет расширятся при постоянном давлении такой процесс называется изобарным (P=const), идущим при постоянном давлении.;

Рисунок 2. Изобарные процессы в v – T координатах P1>P2>P3

Если, перемещая поршень, изменять объем газа в сосуде то, температура газа тоже будет изменяться, однако можно охлаждая сосуд при сжатии газа и нагревая при расширении можно достичь того, что температура будет постоянной при изменениях объема и давления, такой процесс называется изотермическим (Т=const).

 

Рисунок 3. Изотермические процессы в P – v координатах T1>T2>T3

Процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой, называется адиабатным, при этом количество теплоты в системе остается постоянными (Q=const). В реальной жизни адиабатных процессов не существует поскольку полностью изолировать систему от окружающей среды не возможно. Однако часто происходят процессы при которых теплообменном с окружающей средой очень мал, например быстрое сжатие газа в сосуде поршнем, когда тепло не успевает отводится за счет нагрева поршня и сосуда.

 

Рисунок 4. Примерный график адиабатного процесса в P – v координатах

Определение: Круговой процесс (Цикл) это совокупность любого числа отдельных процессов, возвращающих систему в первоначальное состояние.

 

Понятие кругового процесса является для нас ключевым в термодинамике, поскольку работа АЭС основана на паро–водяном цикле, другими словами мы можем рассматривать испарение воды а активной зоне (АЗ), вращение паром ротора турбины, конденсацию пара и поступление воды в АЗ как некий замкнутый термодинамический процесс или цикл. (обратно к содержанию)