Термодинамическая система. Понятие термодинамической системы

Cтраница 1

Термодинамическая система, как и любая другая физическая система, обладает некоторым запасом энергии, который обычно называют внутренней энергией системы.  

Термодинамическая система называется изолированной, если она не может обмениваться с внешней средой ни энергией, ни веществом. Примером такой системы может служить газ, заключенный в сосуд постоянного объема. Термодинамическая система называется адиабатной, если она не может обмениваться с другими системами энергией путем теплообмена.  

Термодинамическая система - это совокупность тел, которые в той или иной степени могут обмениваться между собой и окружающей средой энергией и веществом.  

Термодинамические системы подразделяются на закрытые, не обменивающиеся веществом с другими системами, и открытые, обменивающиеся веществом и энергией с другими системами. В тех случаях, когда система не обменивается энергией и веществом с другими системами, она называется изолированной, а когда не происходит теплообмена, система называется адиабатной.  

Термодинамические системы могут состоять из смесей чистых веществ. Смесь (раствор) называется гомогенной, когда химический состав и физические свойства в любых малых частицах одинаковы или изменяются непрерывно от одной точки системы к другой. Плотность, давление и температура гомогенной смеси в любой точке идентичны. Примером гомогенной системы может служить некоторый объем воды, химический состав которой одинаков, а физические свойства меняются от одной точки к другой.  

Термодинамическая система с определенным количественным соотношением компонентов называется единичной физико-химической системой.  

Термодинамические системы (макроскопические тела) наряду с механической энергией Е обладают еще и внутренней энергией U, зависящей от температуры, объема, давления и других термодинамических параметров.  

Термодинамическая система называется неизолированной, или незамкнутой, если она может получать или отдавать тепло в окружающую среду и производить работу, а внешняя среда - совершать работу над системой. Система является изолированной, или замкнутой, если она не имеет обмена теплом с окружающей средой, а изменение давления внутри системы не влияет на окружающую среду и последняя не может произвести работу над системой.  

Термодинамические системы состоят из статистически большого числа частиц.  

Термодинамическая система при определенных внешних условиях (или изолированная система) приходит в состояние, которое характеризуется постоянством ее параметров во времени и отсутствием в системе потоков вещества и теплоты. Такое состояние системы называется равновесным или состоянием равновесия. Самопроизвольно из этого состояния система выйти не может. Состояние системы, в которой отсутствует равновесие, называется неравновесным. Процесс постепенного перехода системы из неравновесного состояния, вызванного внешними воздействиями, в состояние равновесия называется релаксацией, а промежуток времени возвращения системы в равновесное состояние - временем релаксации.  

Термодинамическая система в этом случае совершает работу расширения за счет уменьшения внутренней энергии системы.  

Термодинамическая система является объектом изучения в термодинамике и представляет собой совокупность тел, энергетически взаимодействующих между собой и окружающей средой и обменивающихся с ней веществом.  

Термодинамическая система, предоставленная самой себе при неизменных внешних условиях, приходит в состояние равновесия, характеризуемое постоянством всех параметров и отсутствием макроскопических движений. Такое состояние системы называется состоянием термодинамического равновесия.  

Термодинамическая система характеризуется конечным числом независимых переменных - макроскопических величин, называемых термодинамическими параметрами. Одним из независимых макроскопических параметров термодинамической системы, отличающим ее от механической, является температура как мера интенсивности теплового движения. Температура тела может изменяться вследствие теплообмена с окружающей средой и действия источников тепла и в результате самого процесса деформирования. Связь деформации с температурой устанавливается с помощью термодинамики.  

Термодинамика – это наука, изучающая общие закономерности протекания процессов, сопровождающихся выделением, поглощением и превращением энергии. Химическая термодинамика изучает взаимные превращения химической энергии и других ее форм – тепловой, световой, электрической и т.д., устанавливает количественные законы этих переходов, а также позволяет предсказать устойчивость веществ при заданных условиях и их способность вступать в те или иные химические реакции. Объект термодинамического рассмотрения называют термодинамической системой или просто системой.

Система – любой объект природы, состоящий из большого числа молекул (структурных единиц) и отделённый от других объектов природы реальной или воображаемой граничной поверхностью (границей раздела).

Состояние системы – совокупность свойств системы, позволяющих определить систему с точки зрения термодинамики.

Типы термодинамических систем :

I. По характеру обмена веществом и энергией с окружающей средой :

1. Изолированная система – не обменивается со средой ни веществом, ни энергией (Δm = 0; ΔE = 0) - термос.

2. Закрытая система – не обменивается со средой веществом, но может обмениваться энергией (закрытая колба с реагентами).

3. Открытая система – может обмениваться со средой, как веществом, так и энергией (человеческое тело).

II. По агрегатному состоянию :

1. Гомогенная – отсутствие резких изменений физических и химических свойств при переходе от одних областей системы к другим (состоят из одной фазы).

2. Гетерогенная – две или более гомогенные системы в одной (состоит из двух или нескольких фаз).

Фаза – это часть системы, однородная во всех точках по составу и свойствам и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Примером гомогенной системы может служить водный раствор. Но если раствор насыщен и на дне сосуда есть кристаллы солей, то рассматриваемая система – гетерогенна (есть граница раздела фаз). Другим примером гомогенной системы может служить простая вода, но вода с плавающим в ней льдом – система гетерогенная.

Фазовый переход - превращения фаз (таяние льда, кипение воды).

Термодинамический процесс - переход термодинамической системы из одного состояния в другое, который всегда связан с нарушением равновесия системы.

Классификация термодинамических процессов :

7. Изотермический - постоянная температура – T = const

8. Изобарный - постоянное давление – p = const

9. Изохорный - постоянный объем – V = const

Стандартное состояние - это состояние системы, условно выбранное в качестве стандарта для сравнения.

Для газовой фазы - это состояние химически чистого вещества в газовой фазе под стандартным давлением 100 кПа (до 1982 года - 1 стандартная атмосфера, 101 325 Па, 760 мм ртутного столба), подразумевая наличие свойств идеального газа.

Для беспримесной фазы , смеси или растворителя в жидком или твёрдом агрегатном состоянии - это состояние химически чистого вещества в жидкой или твёрдой фазе под стандартным давлением.

Для раствора - это состояние растворённого вещества со стандартной моляльностью 1 моль/кг, под стандартным давлением или стандартной концентрации, исходя из условий, что раствор неограниченно разбавлен.

Для химически чистого вещества - это вещество в чётко определённом агрегатном состоянии под чётко определённым, но произвольным, стандартным давлением.

В определение стандартного состояния не входит стандартная температура , хотя часто говорят о стандартной температуре, которая равна 25°C (298,15 К).

2.2. Основные понятия термодинамики: внутренняя энергия, работа, теплота

Внутренняя энергия U - общий запас энергии, включая движение молекул, колебания связей, движение электронов, ядер и др., т.е. все виды энергии кроме кинетической и потенциальной энергии системы в целом.

Нельзя определить величину внутренней энергии какой-либо системы, но можно определить изменение внутренней энергии ΔU, происходящее в том или ином процессе при переходе системы из одного состояния (с энергией U 1) в другое (с энергией U 2):

ΔU зависит от вида и количества рассматриваемого вещества и условий его существования.

Суммарная внутренняя энергия продуктов реакции отличается от суммарной внутренней энергии исходных веществ, т.к. в ходе реакции происходит перестройка электронных оболочек атомов взаимодействующих молекул.

Введение. 2

Термодинамика. Общее понятие. 3

Понятие термодинамической системы.. 4

Виды термодинамических систем.. 6

Термодинамические процессы.. 7

Обратимые и необратимые процессы.. 7

Внутренняя энергия системы.. 10

Нулевое начало термодинамики.. 11

Первое начало термодинамики.. 12

Второе начало термодинамики.. 14

Третье начало термодинамики.. 16

Следствия. 17

Недостижимость абсолютного нуля температур. 17

Поведение термодинамических коэффициентов. 17

Введение

Мы постоянно сталкиваемся не только с механическим движением, но и с тепловыми явлениями, которые связаны с изменением температуры тела или переходом веществ в различное агрегатное состояние - жидкое, газообразное или твердое.

Тепловые процессы имеют огромное значение для существования жизни на Земле, поскольку белок способен к жизнедеятельности только в определенном интервале температур. Жизнь на Земле зависит от температуры окружающей среды.

Люди добились относительной независимости от окружающей среды после того, как научились добывать огонь. Это было одним из величайших открытий на заре человечества.

Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которых не учитывается молекулярное строение тел. Законы термодинамики и их применение будут рассмотрены в этом реферате.

Термодинамика. Общее понятие

Начала термодинамики - совокупность постулатов, лежащих в основе термодинамики. Эти положения были установлены в результате научных исследований и были доказаны экспериментально. В качестве постулатов они принимаются для того, чтобы термодинамику можно было построить аксиоматически.

Необходимость начал термодинамики связана с тем, что термодинамика описывает макроскопические параметры систем без конкретных предположений относительно их микроскопического устройства. Вопросами внутреннего устройства занимается статистическая физика.

Начала термодинамики независимы, то есть ни одно из них не может быть выведено из других начал.

Перечень начал термодинамики

· Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии в применении к термодинамическим системам.

· Второе начало термодинамики накладывает ограничения на направление термодинамических процессов, запрещая самопроизвольную передачу тепла от менее нагретых тел к более нагретым. Также формулируется как закон возрастания энтропии.

· Третье начало термодинамики говорит о том, как энтропия ведет себя вблизи абсолютного нуля температур.

· Нулевым (или общим) началом термодинамики иногда называют принцип, согласно которому замкнутая система независимо от начального состояния, в конце концов, приходит к состоянию термодинамического равновесия и самостоятельно выйти из него не может.

Понятие термодинамической системы

Термодинамической системой называется всякая физическая система, состоящая из большого числа частиц-атомов и молекул, которые совершают бесконечное тепловое движение и, взаимодействуют друг с другом, обмениваются энергиями. Такими термодинамическими системами, и притом простейшими, являются газы, молекулы которых совершают беспорядочное поступательное и вращательное движение и при столкновениях обмениваются кинетическими энергиями. Термодинамическими системами являются также твердые и жидкие вещества.

Молекулы твердых тел совершают беспорядочные колебания вокруг своих положений равновесия, обмен энергиями между молекулами происходит благодаря их непрерывному взаимодействию, вследствие чего смещение одной молекулы от своего положения равновесия немедленно отражается на расположении и скорости движения соседних молекул. Так как средняя энергия теплового движения молекул связана с температурой, то температура является важнейшей физической величиной, характеризующей различные состояния термодинамических систем. Кроме температуры состояние таких систем определяется также и объемом, которые они занимают, и внешним давлением или внешними силами, действующими на систему.

Важным свойством термодинамических систем является существование у них равновесных состояний, в которых они могут пребывать сколько угодно долго. Если на термодинамическую систему, находящуюся в одном из равновесных состояний, оказать некоторое внешнее воздействие и затем прекратить его, то система самопроизвольно переходит в новое равновесное состояние. Однако следует подчеркнуть, что тенденция к переходу в равновесное состояние действует всегда и непрерывно, даже вне того времени, когда система подвергается внешнему воздействию.

Эта тенденция или, точнее, постоянное существование процессов, ведущих к достижению равновесного состояния, является важнейшей особенностью термодинамических систем.

Состояния изолированной термодинамической системы, которые, несмотря на отсутствие внешних воздействий, не сохраняются в течение конечных промежутков времени, называется неравновесными. Система, первоначально находящаяся в неравновесном состоянии, с течением времени переходит в равновесное состояние. Время перехода из неравновесного состояния в равновесное называется временем релаксации. Обратный переход из равновесного состояния в неравновесное может быть осуществлен при помощи внешних воздействий на систему.

Неравновесным является, в частности, состояние системы с различными температурами в различных местах, выравнивание t 0 в газах, твердых и жидких телах есть переход этих тел в равновесное состояние с одинаковой t 0 в пределах объема тела. Другой пример неравновесного состояния можно привести, рассматривая двухфазные системы, состоящие из жидкости и ее пара. Если над поверхностью жидкости, находящейся в закрытом сосуде, имеется ненасыщенный пар, то состояние системы неравновесное: число молекул, вылетающих в единицу времени из жидкости, больше чем число молекул, возвращающихся за это же время из пара в жидкость. Вследствие этого с течением времени число молекул в парообразном состоянии увеличивается до тех пор, пока не установится равновесное состояние.

Переход от равновесного состояния в равновесное в большинстве случаев происходит непрерывно, причем скорость этого перехода можно при помощи соответственного внешнего воздействия плавно регулировать, сделав процесс релаксации либо очень быстрым, либо очень медленным. Так, например, путем механического перемешивания можно заметно повысить скорость выравнивания температуры в жидкостях или газах, охлаждая жидкость, можно сделать очень медленным процесс диффузии растворенного в ней вещества.

Термодинамическая система – совокупность макроскопических тел, которые могут взаимо-действовать между собой и с другими телами (внешней средой) – обмениваться с ними энергией и веществом. Обмен энергией и веществом может происходить как внутри самой системы между ее частями, так и между системой и внешней средой. В зависимости от возможных способов изоляции системы от внешней среды различают несколько видов термодинамических систем.

Открытой системой называется термодинамическая система, которая может обмениваться веществом и энергией с внешней средой. Типичными примерами таких систем могут служить все живые организмы, а также жидкость, масса которой непрерывно уменьшается вследствие испарения или кипения.

Термодинамическая система называется закрытой , если она не может обмениваться с внешней средой ни энергией, ни веществом. Замкнутой системой будем называть термодина-мическую систему, изолированную в механическом отношении, т.е. не способную к обмену энергией с внешней средой путем совершения работы. Примером такой системы может служить газ, заключенный в сосуд постоянного объема. Термодинамическая система называется адиабатной , если она не может обмениваться с другими системами энергией путем теплообмена.

Термодинамическими параметрами (параметрами состояния) называются физические величины, служащие для характеристики состояния термодинамической системы.

Примерами термодинамических параметров являются давление, объем, температура, концентрация. Различают два типа термодинамических параметров: экстенсивные и интенсивные . Первые пропорциональны количеству вещества в данной термодинамической системе, вторые не зависят от количества вещества в системе. Простейшим экстенсивным параметром является объем V системы. Величину v , равную отношению объема системы к ее массе, называют удельным объе-мом системы. Простейшими интенсивными параметрами являются давление р и температура Т .

Давлением называется физическая величина

где dFn – модуль нормальной силы, действующей на малый участок поверхности тела пло-
щадью dS .

Если давление и удельный объем имеют ясный и простой физический смысл, то гораздо более сложным и менее наглядным является понятие температуры. Заметим прежде всего, что понятие температуры, строго говоря, имеет смысл только для равновесных состояний системы.

Равновесное состояние термодинамической системы – состояние системы, при котором все параметры имеют определенные значения и в котором система может оставаться сколько угодно долго. Температура во всех частях термодинамической системы, находящейся в равно-весном состоянии, одинакова.

При теплообмене между двумя телами с различной температурой происходит передача теплоты от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Этот процесс прекра-щается, когда температуры обоих тел выравниваются.

Температура системы, находящейся в равновесном состоянии, служит мерой интенсивности теплового движения атомов, молекул и других частиц, образующих систему. В системе частиц, описываемых законами классической статистической физики и находящихся в равновесном состоянии, средняя кинетическая энергия теплового движения частиц прямо пропорциональна термодинамической температуре системы. Поэтому иногда говорят, что температура характе-ризует степень нагретости тела.

При измерении температуры, которое можно производить только косвенным путем, исполь-зуется зависимость от температуры целого ряда физических свойств тела, поддающихся прямому или косвенному измерению. Например, при изменении температуры тела изменяются его длина и объем, плотность, упругие свойства, электрическое сопротивление и т.д. Изменение любого из этих свойств является основой для измерений температуры. Для этого необходимо, чтобы для одного (выбранного) тела, называемого термометрическим телом, была известна функциональная зависимость данного свойства от температуры. Для практических измерений температуры применяются температурные шкалы, установленные с помощью термометрических тел. В Международной стоградусной температурной шкале температура выражается в градусах Цельсия (°С) [А. Цельсий (1701–1744) – шведский ученый] и обозначается t , причем принимается, что при нормальном давлении 1,01325 × 10 5 Па температуры плавления льда и кипения воды равны, соответственно, 0 и 100 °С. В термодинамической температурной шкале температура выражается в Кельвинах (К) [У. Томсон, лорд Кельвин (1821–1907) – английский физик], обозначается Т и называется термодинамической температурой. Связь между термодинамической температурой Т и температурой по стоградусной шкале имеет вид T = t + 273,15.

Температура T = 0 К (по стоградусной шкале t = –273,15 °С) называется абсолютным нулем температуры, или нулем по термодинамической шкале температур.

Параметры состояния системы разделяются на внешние и внутренние. Внешними парамет-рами системы называются физические величины, зависящие от положения в пространстве и различных свойств (например электрических зарядов) тел, которые являются внешними по отношению к данной системе. Например, для газа таким параметром является объем V сосуда,
в котором находится газ, ибо объем зависит от расположения внешних тел – стенок сосуда. Атмосферное давление является внешним параметром для жидкости в открытом сосуде. Внутренними параметрами системы называются физические величины, зависящие как от положения внешних по отношению к системе тел, так и от координат и скоростей частиц, образующих данную систему. Например, внутренними параметрами газа являются его давление и энергия, которые зависят от координат и скоростей движущихся молекул и от плотности газа.

Под термодинамическим процессом понимают всякое изменение состояния рассматривае-мой термодинамической системы, характеризующееся изменением ее термодинамических параметров. Термодинамический процесс называется равновесным , если в этом процессе система проходит непрерывный ряд бесконечно близких термодинамически равновесных состояний. Реальные процессы изменения состояния системы всегда происходят с конечной скоростью и поэтому не могут быть равновесными. Очевидно, однако, что реальный процесс изменения состояния системы будет тем ближе к равновесному, чем медленнее он совершается, поэтому такие процессы называют квазистатическими .

Примерами простейших термодинамических процессов могут служить следующие процессы:

а) изотермический процесс, при котором температура системы не изменяется (T = const);

б) изохорный процесс, происходящий при постоянном объеме системы (V = const);

в) изобарный процесс, происходящий при постоянном давлении в системе (p = const);

г) адиабатный процесс, происходящий без теплообмена между системой и внешней средой.

Рассмотрим особенности термодинамических систем. Под ними принято понимать физические макроскопические формы, состоящие из значительного количества частиц, которые не предполагают использования для описания макроскопических показателей каждой отдельной частицы.

Нет ограничений в природе материальных частиц, которые являются составными компонентами таких систем. Они могут быть представлены в виде молекул, атомов, ионов, электронов, фотонов.

Особенности

Проанализируем отличительные характеристики термодинамических систем. В качестве примера можно привести любой предмет, который можно наблюдать без использования телескопов, микроскопов. Чтобы дать полноценное описание такой системе, подбирают макроскопические детали, благодаря которым можно определить объем, давление, температуру, электрическую поляризацию, величину магнитной индукции, химический состав, массу компонентов.

Для любых термодинамических систем существуют условные либо реальные границы, которые отделяют их от окружающей среды. Вместо нее часто используют понятие термостата, характеризующегося такой высокой величиной теплоемкости, что в случае теплообмена с анализируемой системой температурный показатель сохраняет неизменное значение.

Классификация систем

Рассмотрим, что представляет собой классификация термодинамических систем. В зависимости от характера взаимодействия ее с окружающей средой, принято выделять:

• изолированные виды, которые не обмениваются ни веществом, ни энергией с внешней средой;
• адиабатически изолированные, не совершающие обмена с внешней средой веществом, но вступающие в обмен работой или энергией;
• у закрытых термодинамических систем нет обмена веществом, допускается только изменение величины энергии;
• открытые системы характеризуются полной передачей энергии, вещества;
• частично открытые могут иметь полупроницаемые перегородки, поэтому не в полной мере принимать участие в материальном обмене.

В зависимости от описания, параметры термодинамической системы, могут подразделяться на сложные и простые варианты.

Особенности простых систем

Простыми системами называют равновесные состояния, определить физическое состояние которых можно удельным объемом, температурой, давлением. Примеры термодинамических систем подобного типа - изотропные тела, имеющие равные характеристики в разных направлениях и точках. Так, жидкости, газообразные вещества, твердые тела, которые находятся в состоянии термодинамического равновесия, не подвергаются воздействию электромагнитных и гравитационных сил, поверхностному натяжению, химическим превращениям. Анализ простых тел признан в термодинамике важным и актуальным с практической и теоретической точки зрения.

Внутренняя энергия термодинамической системы такого вида связана с окружающим миром. При описании используют число частиц, массу вещества каждого отдельного компонента.

Сложные системы

К сложным относят термодинамические системы, которые не попадают под простые виды. Например, ими являются магнетики, диэлектрики, твердые упругие тела, сверхпроводники, поверхности раздела фаз, тепловое излучение, электрохимические системы. В качестве параметров, используемых для их описания, отметим упругость пружины или стержня, поверхность фазового раздела, тепловое излучение.

Физической системой называют такую совокупность, в которой нет химического взаимодействия между веществами в пределах показателей температуры, давления, выбранных для исследования. А химическими системами называют те варианты, которые подразумевают взаимодействие между ее отдельными компонентами.

Внутренняя энергия термодинамической системы зависит от наличия изоляции ее с окружающим миром. Например, в качестве варианта адиабатической оболочки, можно представить сосуд Дьюара. Гомогенный характер проявляется у системы, в которой все компоненты имеют сходные свойства. Примерами их служат газовые, твердые, жидкие растворы. Типичным примером газовой гомогенной фазы является атмосфера Земли.

Особенности термодинамики

Данный раздел науки занимается изучением основных закономерностей протекания процессов, которые связаны с выделением, поглощением энергии. В химической термодинамике предполагается изучение взаимных превращений составных частей системы, установление закономерностей перехода одного вида энергии в другой при заданных условиях (давлении, температуре, объеме).

Система, являющаяся объектом термодинамического исследования, может быть представлена в виде любого объекта природы, включающего в себя большое число молекул, которые отделены границей раздела с другими реальными объектами. Под состоянием системы подразумевают совокупность ее свойств, которые позволяют определять ее с позиций термодинамики.

Заключение

В любой системе наблюдается переход одного вида энергии в другой, устанавливается термодинамическое равновесие. Раздел физики, которые занимается детальным изучением превращений, изменений, сохранений энергии, имеет особое значение. Например, в химической кинетике можно не просто описать состояние системы, но и рассчитать условия, способствующие ее смещению в нужном направлении.

Закон Гесса, связывающий энтальпию, энтропию рассматриваемого превращения, дает возможность выявлять возможность самопроизвольного протекания реакции, рассчитывать количество теплоты, выделяемого (поглощаемого) термодинамической системой.

Термохимия, базирующаяся на основах термодинамики, имеет практическое значение. Благодаря данному разделу химии, на производстве проводят предварительные расчеты эффективности топлива и целесообразности внедрения определенных технологий в реальное производство. Сведения, получаемые из термодинамики, дают возможность применять явления упругости, термоэлектричества, вязкости, намагничивания для промышленного производства различных материалов.