По составу
Термодинамическая система состоит из компонентов. Компонент - это вещество, которое может быть выделено из системы и существовать вне ее, т.е. компоненты – это независимые вещества.
- Однокомпонентные.
- Двухкомпонентные, или бинарные.
- Трехкомпонентные – тройные.
- Многокомпонентные.
2. По фазовому составу – гомогенные и гетерогенные
Гомогенные системы имеют одинаковые макроскопические свойства в любой точке системы, прежде всего температуру, давление, концентрацию, а также многие другие, например, показатель преломления, диэлектрическую проницаемость, кристаллическую структуру и др. Гомогенные системы состоят из одной фазы.
Фаза – это однородная часть системы, отделенная от других фаз поверхностью раздела и характеризующаяся своим уравнением состояния. Фаза и агрегатное состояние – перекрывающиеся, но не идентичные понятия. Агрегатных состояний только 4, фаз может быть гораздо больше.
Гетерогенные системы состоят минимум из двух фаз.
3. По типам связей с окружающей средой (по возможностям обмена с окружающей средой).
Изолированная система не обменивается с окружающей ни энергией, ни веществом. Это идеализированная система, которую, в принципе нельзя экспериментально изучать.
Закрытая система может обмениваться с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом.
Открытая система обменивается и энергией, и веществом
Состояние ТДС
Состояние ТДС – это совокупность всех ее измеримых макроскопических свойств, имеющих, следовательно, количественное выражение. Макроскопический характер свойств означает, что их можно приписать только к системе в целом, а не отдельным частицам, которые составляют ТДС (Т, р, V, c, U, nk). Количественные характеристики состояния связаны между собой. Поэтому существует минимальный набор характеристик системы, называемых параметрами, задание которых позволяет полностью описать свойства системы. Количество этих параметров зависит от типа системы. В простейшем случае для закрытой гомогенной газовой системы в состоянии равновесия достаточно задать только 2 параметра. Для открытой системы кроме этих 2 характеристик системы требуется задать число молей каждого компонента.
Термодинамические переменные подразделяются:
- внешние, которые определяются свойствами и координатами системы в окружающей среде и зависят от контактов системы с окружением, например, масса и количество компонентов, напряженность электрического поля, число таких переменных ограничено;
- внутренние, которые характеризуют свойства системы, например, плотность, внутренняя энергия, число таких параметров неограниченно;
- экстенсивные, которые прямо пропорциональны массе системы или числу частиц, например, объем, энергия, энтропия, теплоемкость;
- интенсивные, которые не зависят от массы системы, например, температура, давление.
Параметры ТДС связаны между собой соотношением, которое носит название уравнение состояние системы. Общий вид его f (p,V, T) = 0. Одна из важнейших задач ФХ – найти уравнение состояния любой системы. Пока точное уравнение состояния известно лишь для идеальных газов (уравнение Клапейрона - Менделеева).
pV = nRT, ( 1.1 )
где R – универсальная газовая постоянная = 8.314 Дж/(моль.К).
[p] = Па, 1атм = 1,013*105 Па = 760 мм рт.ст.,
[V] = м3, [T] = К, [n] = моль, N = 6.02*1023 моль-1. Реальные газы лишь приближенно описываются данным уравнением, и чем выше давление и ниже температура, тем больше отклонение от данного уравнения состояния.
Различают равновесное и неравновесное состояния ТДС.
Классическая термодинамика обычно ограничивается рассмотрением равновесных состояний ТДС. Равновесие - это такое состояние, к которому самопроизвольно приходит ТДС, и в котором она может существовать бесконечно долго в отсутствие внешних воздействий. Для определения равновесного состояния всегда требуется меньшее количество параметров, чем для неравновесных систем.
Равновесное состояние подразделяют на:
- устойчивое (стабильное) состояние, при котором всякое бесконечно малое воздействие вызывает только бесконечно малое изменение состояния, а при устранении этого воздействия система возвращается в исходное состояние;
- метастабильное состояние, при котором некоторые конечные воздействия вызывают конечные изменения состояния, которые не исчезают при устранения этих воздействий.
Изменение состояния ТДС связанное с изменением хотя бы одной из ее термодинамических переменных, называют термодинамическим процессом. Особенностью описания термодинамических процессов является то, что они характеризуются не скоростями изменения свойств, а величинами изменений. Процесс в термодинамике – это последовательность состояний системы, ведущая от начального набора термодинамических параметров к - конечному. Различают следующие термодинамические процессы:
- самопроизвольные, для осуществления которых не надо затрачивать энергию;
- несамопроизвольные, происходящие только при затрате энергии;
- необратимые (или неравновесные) – когда в результате процесса невозможно возвратить систему к первоначальному состоянию.
- обратимые – это идеализированные процессы, которые проходят в прямом и обратном направлении через одни и те же промежуточные состояния, и после завершения цикла ни в системе, ни в окружающей среде не наблюдается никаких изменений.
Функции состояния – это характеристики системы, которые зависят только от параметров состояния, но не зависят от способа его достижения.
Функции состояния характеризуются следующими свойствами:
- бесконечно малое изменение функции f является полным дифференциалом df;
- изменение функции при переходе из состояния 1 в состояние 2 определяется только этими состояниями ∫ df = f2 – f1
- в результате любого циклического процесса функция состояния не изменяется, т.е. равна нулю.
Теплота и работа – способы обмена энергией между ТДС и окружающей средой. Теплота и работа характеристики процесса, они не являются функциями состояния.
Работа - форма обмена энергией на макроскопическом уровне, когда происходят направленное перемещение объекта. Работа считается положительной, если ее совершает система против внешних сил.
Теплота – форма обмена энергией на микроскопическом уровне, т.е. в форме изменения хаотического движения молекул. Принято считать положительной теплоту, полученную системой, и работу, совершенную над ней, т.е. действует “эгоистический принцип”.
Наиболее часто используемыми единицами измерения энергии и работы, в частности, в термодинамике являются джоуль (Дж) в системе СИ и внесистемная единица – калория (1 кал = 4,18 Дж).
В зависимости от характера объекта различают разные виды работы:
1. Механическая - перемещение тела
dАмех = - F ехdl. (2.1)
Работа – скалярное произведение 2-х векторов силы и перемещения, т.е.
|dАмех| = F dl cos α. Если направление внешней силы противоположно перемещению, совершаемому внутренними силами, то cos α < 0.
2. Работа расширения (чаще всего рассматривается расширение газа)
dА = - р dV (1.7)
Однако нужно иметь в виду, что это выражение справедливо только для обратимого протекания процесса.
3. Электрическая – перемещение электрических зарядов
dАэл = -jdq, (2.2)
где j - электрический потенциал.
4. Поверхностная – изменение площади поверхности,
dАповерхн. = -sdS, (2.3)
где s -поверхностное натяжение.
5. Общее выражение для работы
dА = - Ydx, (2.4)
Y – обобщенная сила, dx - обобщенная координата, таким образом работа может рассматриваться как произведение интенсивного фактора на изменение экстенсивного.
6. Все виды работы, кроме работы расширения, называются полезной работой (dА’). dА = рdV + dА’ (2.5)
