ЛЕКЦИЯ 1-АЯ.
ВВЕДЕНИЕ
Термодинамика - наука, изучающая законы взаимного преобразования различных видов энергии и обмена ею в физических, химических биологических и других процессах, протекающих в макроскопическихсистемах, то есть в материальных объектах, состоящих из бесконечно большого числа слагающих их микроскопических частиц, а в более общей постановке и физических полей (электрического, магнитного, гравитационного и т. д.). Микрочастица – частица, масса которой сравнима с массой атомов и молекул веществ.
Термодинамика есть логическое развитие трёх законов, получивших название 1-го, 2-го и 3-го начал термодинамики, лежащих в её основе и являющихся обобщением огромного человеческого опыта. Первое начало термодинамики представляет собой приложение к тепловым явлениям всеобщего закона природы - закона превращения и сохранения энергии. Второе начало термодинамики определяет условия протекания и направленность термодинамических процессов в макроскопических системах. Третье начало термодинамики характеризует принцип недостижимости абсолютного нуля температуры.
Для описания закономерностей обмена энергией в термодинамике применяются различного рода уравнения и соотношения, выражающие связи между соответствующими физическими величинами. При этом в термодинамике, в отличие от общей физики, используются только такие физические понятия и величины, смысл которых не зависит от наших представлений о молекулярном строении вещества. Поэтому такие физические величины получили название термодинамических величин. Благодаря этому общие термодинамические уравнения можно применять для описания поведения любых веществ – газов, паров жидкостей, жидких и твёрдых тел. Справедливость этих уравнений не нарушается, если в результате развития физики изменяются или углубляются представления о строении веществ.
Примерами таких термодинамических величин могут служить: температура, давление, плотность и тому подобное. Эти величины нельзя применять для характеристики свойств и поведения отдельных микроскопических частиц. Как и второе начало термодинамики, термодинамические величины характеризуют свойства макроскопических тел.
Термодинамика не вскрывает механизма описываемых и изучаемых ею явлений и не отвечает на вопрос, почему данные процессы происходят именно таким образом. Она только отвечает на вопрос, как протекает данный процесс.
1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
В термодинамике объектами исследований являются т ермодинамические системы и протекающие в них термодинамические процессы.
Термодинамической системой (далее ТС) называется выделенная из материального мира совокупность макроскопических объектов (в общем случае физических тел и полей), являющихся объектом изучения и находящихся во взаимодействии как друг с другом, так и с окружающей их средой (далее ОС), то есть с внешними по отношению к ТС телами и физическими полями. ТС имеют определённые границы, отделяющие их от ОС. Границы могут быть реальными, например стенки какого-либо сосуда, либо условными в виде некоторой контрольной поверхности.
ТС бывают гомогенными, гетерогенными, открытыми. Закрытыми и так далее. Что представляет собой каждая из них вы прочитаете в учебном пособии Часть 1.
Состояние ТС может быть определено совокупностью ряда физических величин, характеризующих макроскопические свойства ТС (плотность, температура, давление, поляризация, вязкость, намагниченность и так далее). Эти свойства получили название термодинамических параметров состояния (часто называют просто параметрами состояния). Два состояния ТС считаются разными, если у них численные значения хотя бы одного из этих параметров неодинаковы.
Таким образом, термодинамический параметр – это одна из совокупностей физических величин, характеризующих ТС. Параметры состояния ТС, поддаются непосредственному измерению, при этом их значения не зависят от того, каким образом ТС пришла в данное состояние, а определяются только самим состоянием.
Состояния ТС бывает равновесным и неравновесным. В первом состоянии все параметры состояния и физические свойства во всех частях системы с течением времени не изменяются. Если это не соблюдается, то состояние ТС будет неравновесным. Более подробно вы должны прочитать в учебном пособии Часть 1.
Поэтому в классической термодинамике, которую мы будем изучать, рассматриваются только равновесные
В термодинамике установлено, что равновесное состояние гомогенной ТС (химически однородные газы, жидкости, изотропные твёрдые тела) при отсутствии воздействия внешних физических полей (гравитационного, электрического, магнитного) однозначно может быть описано с помощью всего трёх основных термодинамических параметров: абсолютного давления Р, абсолютной термодинамической температуры Т и удельного объёма v (вместо удельного объёма иногда используют молярный объём Vm или просто объём V ТС). В более сложных случаях для полной характеристики равновесного состояния ТС требуются и другие параметры, например концентрация компонентов в ТС, напряжённость электрического поля и так далее. Основные термодинамические параметры гомогенной ТС в равновесном состоянии зависят один от другого и взаимно связаны определённым соотношением, которое в общем виде записывается как
F (Р, v, Т) = 0. (1.1.1)
Это уравнение в термодинамике получило название термодинамического (термического) уравнения состояния. Исследования показали, что в этом уравнении два любых параметра можно рассматривать как независимые, а третий их функцией, то есть уравнение состояния можно представить и в более простом виде:
Р = f1(v, Т); v = f2(Р, Т); Т = f3(Р, v). (1.1.2)
Точные уравнения (1.1.1) и (1.1.2) в настоящее время получены лишь для идеального газа (это известное вам уравнение Клапейрона и его модификации).
Если внешние условия, в которых находится ТС, изменяются, то изменяется и её состояние. Происходящее последовательное изменение состояния ТС во времени называется термодинамическим процессом (далее ТП). Так как ТС может быть только в равновесном или неравновесном состояниях, то, следовательно, и ТП могут быть также равновесными (обратимые) и неравновесными (необратимые). Равновесными ТП являются такие, в ходе которых ТС проходит ряд последовательных равновесных состояний. При этих процессах нет обмена энергии между ТС и ОС. Поэтому ТС в ходе обратного процесса может вернуться в исходное состояние, при этом состояние ОС не изменится. Если в ходе ТП будет обмен энергией между ТС и ОС, то такие ТП являются неравновесными или необратимыми. Все реальные ТП в принципе являются неравновесными.
Передача энергии от ТС к ОС, или наоборот, в ходе равновесных ТП может происходить двумя способами – посредством механической работы (далее просто работа) или теплообмена. В последнем случае переданная энергия называется теплом. Для передачи работы необходима либо деформация ТС, либо её движение в пространстве. Для передачи энергии в виде тепла необходима разность температур между ТС и ОС.
Уравнения состояния ТС в принципе дают возможность получить уравнения происходящих в этих системах ТП. Между тем, поскольку эти уравнения действительны только для равновесных состояний ТС, то, применяя их к ТП на всём их протяжении, мы тем самым как бы устанавливаем, что ТП состоят из непрерывного ряда равновесных состояний. Для этого условно принято, что изменение внешних условий, приводящих к изменению состояний ТС, происходит бесконечно медленно, например, при бесконечно малых перепадах, например температуры между ТС и ОС.
Поэтому и изменение состояний ТС в каждый момент времени осуществляется также бесконечно медленно, то есть система практически не выходит из состояния равновесия. В этом случае можно считать, что ТП представляют собой непрерывный ряд равновесных состояний ТС, и применять к этим процессам на всём их протяжении соответствующие уравнения состояний. Процессы, происходящие при бесконечно малых изменениях внешних условий, называются равновесными, а так как они протекают бесконечно медленно, то их иногда называют квазистатическими (дословный перевод с латинского языка - почти не изменяющиеся во времени).
 |
Рис. 1.2.1. Изображение изопроцессов на Рv-диаграмме
Классическая термодинамика рассматривает только равновесные ТП, не приводящие к изменению массы ТС. Все ТП разделены в термодинамике на три основные группы: изопроцессы, адиабатный (адиабатический) и политропный. Изопроцессами называются ТП, протекающие при неизменном значении какого-либо основного термодинамического параметра. Это: изохорный (изохорический) ТП, протекающий при постоянном объёме ТС (v = const), изобарный (изобарический) ТП, протекающий при постоянном давлении в ТС (Р = const), и изотермический (изотермный) ТП, протекающий при постоянной температуре в ТС (Т = const). Адиабатный ТП – это процесс, осуществляемый ТС без теплообмена с ОС. Политропный ТП - это процесс, при осуществлении которого происходит изменение всех термодинамических параметров. Он наиболее близок к реальным ТП и является обобщающим для всех остальных ТП.
Графическое изучение равновесных ТП, широко применяемое в термодинамике, естественно, было бы затруднено при необходимости применения пространственной системы координат. Поэтому это осуществляется обычно в прямоугольной системе координат на плоскости. В термодинамике для исследования равновесных ТП чаще всего применяют двухосную систему координат Р - v, в которой ось ординат есть абсолютное давление Р, а ось абсцисс – удельный объём v вещества (иногда его объём V или молярный объём Vm). В этой системе координат (рис. 1.2.1), получившей название Рv-диаграммы или рабочей диаграммы, вертикаль изображает изохорныйТП, горизонталь – изобарный ТП, кривая вида равнобокой гиперболы – изотермическийТП.
ТП, переводящий ТС из начального состояния (точка 1) в конечное (точка 2) в общем случае выразится некоторой, кривой. Эту кривую называют кривой (путём) ТП. Если в конечном равновесном состоянии ТС её v увеличился, то такой процесс называют расширением и характеризуют неравенством dv > 0. Если же при изменении состояния объём её уменьшается, то такой процесс называется сжатием. Он характеризуется неравенством dv < 0. ТП, при котором происходит расширение ТС называют прямым процессом, а при котором происходит её сжатие – обратным процессом.
Более подробно о ТП и основных способах обмена энергией в равновесных ТП вы узнаете из учебного пособия.
