1.2. Термодинамическая система

В любом явлении участвуют множество различных тел, связанных между собой. При термодинамическом изучении какого-либо явления в качестве объекта изучения выделяется группа тел, или единичное тело, или даже отдельные его части. Объект изучения называется термодинамической системой. Все, что окружает термодинамическую систему, называется окружающей средой. Термодинамическая система – совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией как друг с другом, так и с окружающей средой. Пример: газ, находящийся в цилиндре с поршнем, – термодинамическая система. Цилиндр и поршень, воздух, который окружает их, стены помещения, где находится цилиндр с поршнем и т. д. – окружающая среда.

Виды систем

По степени обмена веществом и энергией:

1) изолированная – нет взаимодействия с окружающей средой. Пример: термос;

2) закрытая – обменивается только энергией. Пример: батарея;

3) открытая – обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией. Пример: стакан, наполненный водным раствором соли.

Фаза – совокупность гомогенных частей гетерогенной системы, одинаковых по физическим и химическим свойствам, отделенная от других частей системы видимой поверхностью раздела. Фаза может быть твердой, жидкой и газообразной.

По наличию границы раздела фаз:

1) гомогенная – система, внутри которой нет поверхностей, разделяющих отличающиеся по своим свойствам части системы (фазы). Пример: идеальный газ или раствор поваренной соли.

Если во всех точках система имеет одинаковый состав и физические свойства одинаковы, то система называется физически однородной.

2) гетерогенная – система, внутри которой присутствует поверхность, разделяющая отличающиеся по свойствам части системы. Пример: вода и бензол, взвешенные частицы в жидкости, система из воды и льда.

1.3. Термодинамический процесс

Основные термодинамические параметры состояния р, υ и Т однородного тела зависят друг от друга и связаны соотношением

F (p, , T) = 0 – уравнение состояния.

Если известно уравнение состояния, то для определения состояния простейших систем – однородных и постоянных по времени, по массе и по составу (состоящих из одной фазы и не изменяющихся химически) – достаточно знать две независимые переменные из трех: p = f₁ (, T);  = f₂ (p, T); T = f₃ (, p).

Если внешние условия меняются, то меняется и состояние системы. Совокупность изменений состояния термодинамической системы при переходе из одного равновесного состояния в другое называется термодинамическим процессом.

Равновесное состояние – состояние системы, в котором во всех ее точках давление, температура, удельный объем и другие физические параметры одинаковы.

Равновесный термодинамический процесс – процесс, проходящий через равновесные состояния.

Термодинамика в первую очередь рассматривает равновесные состояния и процессы изменения состояния термодинамической системы. Равновесный процесс осуществляется только в случае бесконечно медленного изменения параметров внешней среды или когда изменения параметров системы малы по сравнению со значениями этих параметров. Реальные процессы – неравновесные, поскольку под влиянием внешних условий они протекают с конечными скоростями, и равновесное состояние не успевает устанавливаться.

С математической точки зрения, уравнение состояния выражает некоторую поверхность – термодинамическую поверхность. Произвольно взятое равновесное состояние – это точка на термодинамической поверхности, а совокупность этих точек при непрерывном изменении состояния – кривая, которая является графическим отображением равновесного процесса.

Параметры состояния системы могут быть:

1) экстенсивные – параметры, значения которых пропорциональны массе системы (объем, энергия, энтропия и др.);

2) интенсивные – параметры, не зависящие от массы системы (р, Т и др.).

Экстенсивные параметры подчиняются закону аддитивности, а интенсивные нет. Измерение экстенсивной величины – это сравнение ее с другой, однородной с ней величиной (длины с длиной, объема с объемом). Измерение интенсивной величины состоит в использовании объективной связи между изменением интенсивной и экстенсивной величины (для измерения температуры используется термометр, который фиксирует интенсивную величину – температуру путем измерения экстенсивной величины – объема ртути).