Термодинамічна система. Робоче тіло. Зовнішнє середовище

Термодинамічною системою називають сукупність матеріальних тіл, (а також полів), які знаходяться у механічній і тепловій взаємодії, а також обмінюються один з одним речовиною.

Термодинамічна система має границі, які відокремлюють її від навколишнього середовища. Тіла, не вхідні в термодинамічну систему, звуться навколишнім середовищем.

Термодинамічну систему відокремлюють від навколишнього середовища контрольною поверхнею або оболонкою.

У самому загальному випадку система може обмінюватися із навколишнім середовищем речовиною (масообмінні взаємодії) і здійснювати теплові взаємодії, які містять у собі передачу теплоти між окремими тілами системи і між системою і навколишнім середовищем. Така система зветься відкритою.

Системи, у яких обмін речовин не відбувається, звуться закритимисистемами .

Система, яка не може обмінюватися теплотою з іншими системами (навколишнім середовищем) зветься теплоізольованою, або адіабатною .

Система, яка не обмінюється з зовнішнім середовищем або з іншими системами ні енергією, ні речовиною, називається ізольованою чи замкнутою.

Обмін енергією у формі теплоти або роботи здійснюється між макроскопічними тілами, які прийнято називати робочими тілами. Звичайно, це пари і гази.

 

Термодинамічні параметри стану

Властивості кожної термодинамічної системи характеризуються величинами, які прийнято називати термодинамічними параметрами стану. До них відносяться: абсолютна температура, абсолютний тиск, питомий об’єм, внутрішня енергія, энтальпия й ентропія. Перші три є основними.

Термічні параметри стану

Абсолютна температура, (Т) характеризує тепловий стан тіла, або, як іноді говорять, ступінь нагріву тіла.

З погляду молекулярно-кінетичної теорії температура є мірою інтенсивності теплового руху молекул, її чисельна величина однозначно зв'язана з величиною середньої кінетичної енергії молекул речовини. Для ідеального газу ця функціональна залежність визначається з рівняння

, (1.1)

де m - маса молекули; Т - абсолютна температура, К; k - постійна Больцмана, рівна 1,38054×10^- Дж / К; - середня квадратична швидкість поступального руху молекул,

c₁, c₂, c_n - швидкості окремих молекул, що утворюють газ.

З (1.1) видно, що абсолютна температура завжди позитивна, а нульове значення її відповідає стану повного спокою молекул.

У системі СІ одиницею виміру температур є градус Кельвіна (К).

В даний час приймаються і шкали Цельсія ^оС, Фаренгейта ^оF, Реомюра ^oR, Ранкіна ^oRa.

Абсолютний тиск, (p) обумовлений взаємодією молекул робочого тіла з поверхнею, чисельно дорівнює силі, яка діє на одиницю площі поверхні тіла по нормалях до останнього.

Кінетична теорія газу зв'язує тиск тіла, який знаходиться в рівновазі, наприклад газу або рідини, безпосередньо із середньою кінетичною енергією mc²/2 поступального руху молекул тіла і середнім числом їх n в одиниці об'єму, тобто розглядає р, як статистичну величину.

, (1.2)

де n - число молекул в одиниці об'єму; a - коефіцієнт стискальності.

Розрізняють атмосферний, чи барометричний тиск р_б; абсолютний тиск р_а, манометричний, чи надлишковий р_изб тиск, розрідження, або вакуум р_вак.

Слід зазначити, що параметром стану є абсолютний тиск. Саме він входить у термодинамічні рівняння.

р_а = р_над^.+ р_атм; р_а = р_атм. – р_вак., (1.3)

У системы СІ розмірність абсолютного тиску є Па = Н / м². В данний час зустрічаються і позасистемні одиниці вимірювання: ат, атм, мм рт. ст., мм вод. ст.

Питомий об’єм – фізична величина, рівна відношенню об’єму речовини до його маси V = V / m, (1.4)

Величина, зворотна питомому об’єму, називається густиноюречовини і являє собою масу 1 м³ робочого тіла. , (1.5)

 

Термічні коефіцієнти

Мал. 1.1

Як відомо, кожний з основних параметрів стану системи р, v, T є функцією інших її параметрів: ; ; , (1.6)

Рівняння (1.6) стану в диференціальній формі мають вид:

; ;

, (1.7)

У рівняння (1.7) входить шість часток похідних, які попарно оборотні одна одній, наприклад: ;

, (1.8)

Коефіцієнти при диференціалах dp, dТ, dv у рівняннях (1.7) називають термодинамічними характеристиками робочого тіла. Із шести часток похідних ( /дТ)_v, (дv/ )_T, (дv/дТ)_p, (дТ/ )_v, ( /дv)_T, (д/дv)_p, приймають самостійний сенс.

У якості незалежних вибирають часткові похідні:

Часткова похідна (дv/ )_T характеризує інтенсивність зміни об’єму при зміні тиску в умовах постійної температури. Відношення цієї величини до початкового об’єму газу V_о, узяте зі зворотним знаком, називається коефіцієнтом стиску, тобто:

, (1.9)

Термічний коефіцієнт (дv/дТ)_p характеризує інтенсивність збільшення об’єму при нагріванні при постійному тиску. Відношення цієї величини до початкового об’єму V_о, узяте зі зворотним знаком, називають коефіцієнтом об'ємного розширення, тобто , (1.10)

Термічний коефіцієнт ( /дТ)_v характеризує інтенсивність зміни тиску при ізохорному нагріванні тіла. Відношення цієї величини до початкового тиску p_о, називають коефіцієнтом тиску або коефіцієнтом термічної пружності, тобто

, (1.11)

Ці коефіцієнти зв'язані між собою в такий спосіб:

, (1.12) або , (1.13)

Далі, з огляду на те, що ; ;

знаходимо: , (1.14)

або остаточно: або , (1.15)