3. Термодинамічна система

Термодинамічною системою називають сукупність матеріальних тіл, що знаходяться в тепловій і механічній взаємодії одне з іншим і з оточуючими цю систему зовнішніми тілами (останні утворюють навколишнє середовище). Тобто, термодинамічними системами прийнято називати макроскопічні системи, що знаходяться в термодинамічній рівновазі.

Систему, що не обмінюється з навколишнім середовищем ні енергією, ні речовиною, називають ізольованою (закритою). Якщо система не обмінюється з зовнішнім середовищем теплотою, її називають тепюізольованою, або адіабатною. Відкриті системи характерні тим, що між ними і оточуючим середовищем відбувається обмін речовиною (масообмінна взаємодія).

Термодинамічна система містить робочі тіла (гази, повітря, пару) і джерела теплоти.

Розрізняють рівноважний (стаціонарний) і нерівноважний (нестаціонарний) стани термодинамічної системи.

Стан термодинамічної системи, при якому значення параметрів у всіх частинах її залишаються незмінними в часі завдяки зовнішній дії потоків речовини, енергії, імпульсу, заряду і т. п., називається стаціонарним. Якщо значення параметрів змінюються у часі, то стан термодинамічної системи називається нестаціонарним.

Макроскопічні величини (тобто величини, які характеризують тіло в цілому), що характеризують фізичні властивості тіла в даний момент, називаються термодинамічними параметрами стану. Останні розділяються на інтенсивні (не залежні від маси тіла) і на екстенсивні (пропорційні масі тіла).

Термодинамічні параметри стану тіла поділяються на термічні та калоричні.

До основних параметрів стану, що піддаються безпосередньому виміру простими технічними засобами, відносяться абсолютний тиск, питомий об'єм і абсолютна температура . Ці три параметри носять назву термічних параметрів стану.

До параметрів стани відносяться також внутрішня енергія, ентальпія і ентропія, які носять назву калоричних параметрів стану.

Термічні параметри.

Тиск – це сила, яка припадає на одиницю площі. Тиск буває: абсолютний, атмосферний, надлишковий, вакуумметричний.

Тиск газу: [Н/м²] (4.1)

Де w – середня квадратична швидкість руху молекул,м/с (4.2)

Абсолютний тиск ідеального газу дорівнює 2/3 кінетичної енергії всіх молекул, що є в 1 м³ газу.

1. Абсолютним тиском називаєтся тиск, відлічуваний від нуля (абсолютного вакууму. (4.3)

Атмосферний тиск — величина змінна, тому в техніці приме­няется нормальне атмосферний тиск (760 мм рт. ст.).

Якщо - виникає надлишковий тиск; якщо виникає розрідження – вакуум.

У термодинаміці розглядають температуру як середньостатистичну величину, яка характеризує систему, що складається з дуже великого числа молекул, що знаходяться в хаотичному (тепловом) русі Тому до одиничних молекул поняття температури не застосовне. . Температура є мірою інтенсивності теплового руху молекул. При температурі абсолютного нуля тепловий рух молекул відсутній. Ця гранична мінімальна температура називаєтся абсолютним нулем і є початком для відліку температур. Абсолютна температура завжди позитивна.

2. Температура, відлічувана від абсолютного нуля, називається абсолютною, а шкала температур називається шкалою Кельвіна. 1^оК=-273^оС

Для шкали Т характерні дві точки відліку: Т=0К – припинення теплового руху молекул. Т=273,15К (+0,01^оС) – температура потрійної точки води – характеризує стан рівноваги між трьома фазами: льодом, водою і парою.

(4.4)

3. Питомий об'єм речовини — це об'єм, займаний одиницею маси даної речовини.

Щільність речовини — величина, зворотна питомому об'єму і яка визначає кількість речовини, заключеної в одиниці об'єму.

Молярною масою речовини називают відношення маси речовини до його кількості:

(4.5)

Калоричні параметри

Будь-яка термодинамічна система (робоче тіло) володіє запасом внутрішньої енергії (u), яка складається з енергії хаотичного (теплового) руху і взаємодії молекул. Розглядаючи тепловий рух, можна виділити такі складові частини внутрішньої енергії газу:

а) енергія поступального руху молекул;

б) енергія обертального руху молекул;

в) енергія коливного руху атомів, що утворюють молекули газу, тобто внутрішньомолекулярні коливання. Ці складові являють кіне­тичну енергію молекул газу.

Крім кінетичцої енергії, молекули газу мають ще потенщальну енергію, що виникає від сил міжмолекулярного притягання. За да­ної температури сили міжмолекулярного притягання, а отже, й потен­ціальна енергія, зумовлена ними, залежать від відстані між молеку­лами,, тобто від питомого об'єму v або від тиску р.

Оскільки внутрішня енергія робочого тіла залежить від його маси, зазвичай цікавляться значенням внутрішньої енергії, віднесеної до 1 кг маси тіла – питомою внутрішньою енергією. 1. Внутрішня енергія – сума всіх видів кінетичної та потенційної енергії молекул; позначають u для 1кг газу, U для М кг та μu для 1 кмоль газу. З фізичних міркувань внутрішня енергія – це функція абсолютної температури Т (кінетична енергія) і тиску р або питомого об’єму v (потенційна енергія). - внутрішня енергія залежить від двох параметрів стану газу і тому сама є його параметром. Оскільки в ідеальному газі міжмолекулярної взаємодії немає, то й потенційної енергії немає - - внутрішня енергія ідеального газу залежить від температури, тобто є функцією стану робочого тіла й не залежить від характеру процесу. Зміна внутрішньої енергії для будь-якого довільного процесу в диференційній формі має вигляд:

2. Ентропія — в термодинаміці міра енергії у термодинамічній системі, яка не може бути використана для виконання роботи; величина частки тепла, що не перетворюється в роботу циклу за даного перепаду температур. Вона також є мірою безладдя, невизначеності, присутнього в системі. Збільшення ентропії веде до деградації тепла, тобто до збільшення частки тепла, що не перетворюється в роботу циклу.

3. Ентальпія (або теплова функція, від грец. enthalpo — «нагріваю») — термодинамічний потенціал, що характеризує стан термодинамічної системи при виборі основних незалежних змінних ентропії (S) і тиску (P); сума внутрішньої енергії u та потенційної енергії pv газу (i).

Для рівноважної термодинамічної системи існує детермінований функціональний зв'язок між термічними параметрами, який називають термічнім рівнянням стану. Рівняння, що зв'язує температуру Т, зовнішні параметри і внутрішню енергію, називається калоричним рівнянням стану. Якщо відомі термічне і калоричне рівняння стану, то за допомогою першого і другого законів термодинаміки можна визначити всі термодинамічні властивості системи.