Основные понятия и определения термодинамики

Термодинамическая система

Макроскопическое тело (или совокупность макроскопических тел), выделенное (фактически или мысленно) в какой-либо ограниченной области пространства из окружающего нас мира с целью термодинамического анализа, принято называть термодинамической системой или просто системой.

Иногда термодинамическую систему называют термодинамическим телом или просто телом. Всё, что находится вне системы, называется внешней средой, или окружающей средой (ОС). Часть окружающей среды также может быть выделена как другая система.

В качестве термодинамической системы можно рассматривать только макроскопические тела, т. е. тела, состоящие из огромного количества частиц. Наличие огромного количества частиц в термодинамических системах обусловливает второстепенность механических закономерностей для отдельных частиц и — первичность закономерностей их совокупного движения, которые и являются объектом изучения термодинамики.

Система отделяется от внешней среды материальной или воображаемой ограничивающей поверхностью — границей системы, которую называют контрольной поверхностью; граница выбирается таким образом, чтобы обеспечить чёткое (однозначное) определение системы. Границам часто приписывают идеализированные свойства, особенно с точки зрения их проницаемости для вещества (атомов или молекул) и движения (энергии).

Если границы системы непроницаемы для атомов и молекул, то система называется закрытой. В закрытой системе сохраняется масса вещества, однако объём системы может изменяться, если границы системы подвижны. Например, газ в цилиндре с подвижным поршнем образует закрытую систему переменного объёма.

Если перенос движения (энергии) связан с макроскопическим переносом вещества (атомов или молекул) через границы системы, то система называется открытой. Примером открытой системы может служить контрольное пространство цилиндра в момент открытия впускных и выпускных клапанов, когда непрерывно меняется как состав газа (макротела), так и его количество (масса). В случае открытой системы на первое место выдвигается не конкретно исследуемое макротело (вещество), а область пространства, для которой и составляются соответствующие уравнения сохранения массы и энергии.

Если через границу системы передача движения (энергии) не происходит (ни за счёт переноса вещества, ни за счёт взаимодействия микрочастиц системы на её границе с ОС), т. е., если система совершенно не взаимодействует с окружающей средой, то такая система называется изолированной. Каждая изолированная система (ИС) является закрытой, но закрытая система может быть и неизолированной.

Метод исследования состояния подвижного элемента вещества (закрытой системы) в гидромеханике принято называть методом Лагранжа, а метод исследования состояния жидких тел, занимающих контрольное пространство (находящихся внутри открытой системы) в тот или иной момент времени — методом Эйлера.

В термодинамике макроскопические тела, входящие в состав системы, по их роли делят на горячие и холодные тела (источники тепла, или теплоотдатчики и теплоприёмники), рабочие тела (РТ) и источники работы (ИР) и потребители (приёмники) работы (ПР) (рисунок 1.1).

Горячим телом (источником тепла, теплоотдатчиком) называется тело, имеющее, как правило, наиболее высокую температуру и отдающее своё хаотическое движение (тепло) рабочим телам системы в процессе теплообмена.

Холодным телом (теплоприёмником) называется тело, к которому подводится хаотическое движение (тепло) рабочего тела в процессе теплообмена. В технических системах в качестве холодного тела, как правило, используется окружающая среда — воздух (атмосфера) и вода в открытых водоёмах (гидросфера).

Рисунок 1.1 — К понятию термодинамической системы Рабочим телом является вещество, выполняющее главную роль в тепловой машине — преобразование хаотического движения (тепла), получаемого от горячего тела, в упорядоченное движение поршня (в работу). Для осуществления такого процесса преобразования хаотического движения в упорядоченное рабочее тело должно хорошо расширяться и сжиматься. Этому требованию удовлетворяют газы и пары: водяной пар, продукты сгорания топлива, гелий, водород, сжатый воздух и т. п.

В качестве источников и приёмников работы (упорядоченного движения) в простейшем случае могут рассматриваться механические системы (пружина, груз, маховик), но могут быть и термодинамические системы, например, источником работы, необходимой для сжатия рабочего тела в одном цилиндре многоцилиндрового двигателя может быть рабочее тело, совершающее процесс расширения в другом цилиндре, а приёмником работы может быть жидкость в термостате, температура которой повышается только за счёт вращения вертушки (опыт Джоуля).

Источники работы, в отличие от рабочего тела, могут обмениваться с другими телами только работой (упорядоченным движением). Поэтому в качестве источников работы следует рассматривать не все термодинамические системы, а только адиабатные системы — системы, которые могут обмениваться с ОС только работой (УД).

Необходимость введения источников работы появляется при рассмотрении второго начала термодинамики. Именно источники (приёмники) работы позволяют накопить работу, совершаемую адиабатной системой при её переходе в равновесное состояние, и вернуть эту адиабатную систему из равновесного в первоначальное неравновесное состояние в случае протекания обратимого процесса [16].

В качестве адиабатных систем (адиабатных источников работы) могут рассматриваться как отдельное рабочее тело, находящееся в равновесном состоянии внутри цилиндра с адиабатными (теплоизолирующими) стенками, так и неравновесная система, состоящая из РТ, ГТ, ХТ и так называемой «жидкой окружающей среды» (ЖОС), под которой понимают атмосферу и гидросферу (см. рис. 1.1).

Чаще всего под термином «система» следует понимать рабочее тело, например, газ в цилиндре двигателя. Все остальные тела образуют окружающую среду. Атмосферу и гидросферу можно назвать «жидкой окружающей средой» (ЖОС). Тогда состав ОС для РТ можно представить в виде (см. рис. 1.1).

ОС = ЖОС + ГТ + ХТ + ИР + ПР.

Под расширенной (обобщённой) системой будем понимать неравновесную адиабатную систему (НРАС), состоящую из рабочего тела, источников тепла и жидкой окружающей среды:

НРАС = РТ + ЖОС + ГТ + ХТ.

Неравновесная адиабатная система совместно с источниками (приёмниками) работы образуют изолированную систему:

ИС = НРАС + ИР.

На рисунке 1.1 граница НРАС обозначена пунктирной линией, а граница ИС — сплошной линией.

Состояние термодинамической системы, параметры состояния. Термодинамическое состояние системы — это состояние хаотического движения всей совокупности микрочастиц системы.

Задать термодинамическое состояние тела — значит указать скорости и положения всех микрочастиц тела. Что практически осуществить невозможно, так как число параметров состояния будет чрезвычайно велико. Так, для задания состояния воздуха объёмом 1 см³ потребуется 32 710¹⁹ функций (микропараметров) от времени и координат молекул, содержащихся в этом объёме [18].

Макроскопические величины, однозначно характеризующие термодинамическое состояние тела (состояние хаотического движения микрочастиц системы), называются параметрами состояния (макропараметрами, так как они характеризуют состояние всего тела в целом). Макропараметры отражают собой некоторое усреднённое состояние сложной молекулярной системы. Поэтому число таких параметров небольшое. Например, для описания состояния газа требуется всего три параметра — давление, температура и плотность.

Параметры состояния подразделяются на интенсивные и экстенсивные, термические и калорические.

Интенсивными называются величины (параметры состояния), значения которых не зависят от того, сколько вещества в системе (следовательно, они характеризуют состояние движения отдельных частиц или неизменных порций частиц системы). Например, плотность, давление p и температура T системы не изменяются, если систему разделить на несколько частей.

Экстенсивными или аддитивными (суммируемыми) называются величины, значения которых зависят от запаса (количества) вещества в системе (следовательно, они характеризуют состояние движения всех частиц системы или её отдельных частей). Например, масса m (внутренняя энергия U, энтропия S) системы складывается из масс отдельных частей системы.

К интенсивным параметрам можно отнести и величины, получаемые путём деления экстенсивных величин на массу или количество вещества. Следовательно, к интенсивным величинам следует отнести все удельные (удельные внутренняя энергия u, энтальпия h и энтропия s) и молярные (молярные внутренняя энергия, энтальпия и энтропия) величины, характеризующие состояние движения неизменных порций микрочастиц, содержащихся в телах единичной массы (1 кг), или равных числу Авогадро.

Калорическими называют величины, в состав единицы которых входит единица энергии — джоуль (калория). Такими величинами являются сама энергия, теплота (единица которой называлась раньше калорией — отсюда и название калорический), теплоёмкость и др.

К термическим параметрам относятся основные величины (параметры) термодинамической системы, поддающиеся непосредственному измерению простыми техническими средствами, — давление, температура и удельный объём.

Состояние, в которое переходит изолированная система за достаточно длительный промежуток времени, называется равновесным состоянием. Термодинамическое равновесие может быть охарактеризовано как динамическое равновесие. Например, динамическое равновесие наступает в закрытом сосуде между парами и жидкостью, когда жидкость испаряется, а пар конденсируется в равных количествах. Следовательно, при достижении равновесного состояния в системе отсутствуют результирующие потоки переноса вещества и движения (энергии), т. е. отсутствует термодинамическое взаимодействие между частями изолированной системы.

С понятием равновесное состояние тесно связано понятие «однородное состояние», когда во всех точках системы соответствующие параметры имеют одинаковые значения. Следовательно, понятие «равновесное состояние» шире понятия «однородное состояние», так как при наличии перегородок или гравитационного поля состояние системы может быть равновесным, но не однородным.

Тем не менее, в термодинамике в основном под равновесным состоянием понимается однородное состояние, так как чаще всего исследуется состояние отдельного тела сравнительно небольших размеров (рабочего тела). Если же в качестве системы берётся столб воздуха высотой несколько километров, то такую равновесную систему уже нельзя считать однородной, так как перепады давления и температуры по высоте получаются значительными. Только для описания однородных (равновесных) состояний достаточно нескольких параметров, характеризующих состояние системы. Поэтому в классической термодинамике ограничиваются описанием однородных (равновесных) состояний и переходов системы из одного равновесного состояния в другое.

Система называется гомогенной, если её химический состав и физические свойства в пределах границ системы всюду одинаковы. В гомогенных системах свойства изменяются непрерывно при переходе от одного места к другому. Частным случаем гомогенных систем является физически однородные системы (смеси различных газов и растворы). Отдельные гомогенные области системы называются по Гиббсу фазами. Гомогенная система состоит, таким образом, из единственной фазы.

Система из двух или более фаз (гомогенных областей) называется гетерогенной. На границах фаз свойства системы изменяются скачкообразно. Например, сосуд, наполненный водой и водяным паром, является гетерогенной двухфазной системой. Хотя здесь химический состав во всей системе одинаков, плотность и другие физические свойства воды (жидкой фазы) существенно отличаются от свойств водяного пара. Нельзя путать и отождествлять агрегатное состояние с фазами. В то время как агрегатных состояний всего четыре — твёрдое, жидкое, газообразное и плазменное, фаз — неограниченное число. Так, в жидком состоянии в равновесии может находиться несколько фаз, например, вода и масло, керосин и вода и др.

В большинстве случаев система в термодинамическом равновесии должна быть также гомогенной. Гетерогенная система при определённых условиях также может быть в состоянии равновесия. Например, для воды, водяного пара и льда — система из трёх фаз — имеется единственное равновесное состояние, называемое тройной точкой воды.

Квазистатический (квазиравновесный) процесс. Термодинамика изучает не только состояния систем, обусловленные хаотической формой движения (ХФД), но и взаимопреобразования хаотической и упорядоченной форм движения, т. е. термодинамические процессы.

Термодинамическим процессом называется последовательность взаимосвязанных изменений состояния системы. Процессы (изменения состояния системы), протекающие бесконечно медленно — так, что система всё время находится в равновесном состоянии, называются квазистатическими (почти неизменными во времени), или квазиравновесными (почти равновесными), сокращённо — равновесными. Для квазиравновесного процесса относительный перепад значений величин по длине системы должен быть малым:. Какпоказывает опыт для большинства поршневых машин (кроме двухтактных) это условие равновесности выполняется.

Условие медленности протекания процесса — условие квазистатичности процесса — является основным условием внутренней равновесности. Концепция внутренней равновесности позволяет во многих случаях однозначно охарактеризовать состояние всей системы заданием только одного значения соответствующего параметра и изобразить это состояние графически.