1.1.2. Макроскопічні параметри і їх мікроскопічна трактовка
Під системою розуміють велику кількість елементів, що знаходяться у відношенні і зв’язках однин з одним, які утворюють певну цілісність або єдинство. Під системою тіл слід розуміти сукупність взаємодіючих тіл, для яких розглядаються деякі загальні властивості. Одне макроскопічне тіло можна назвати системою, вважаючи, що воно складається з великої кількості взаємодіючих між собою атомів або молекул. Усі тіла, які не входять у таку систему і які не здатні діяти на неї, називаються зовнішнім середовищем або просто середовищем.
Система тіл, які не можуть обмінюватися енергією і речовиною з зовнішнім середовищем – ізольована або замкнена система. Така система в дійсності ніколи не реалізується, тобто таке поняття – ідеалізація.
Сукупність фізичних тіл, що можуть взаємодіяти між собою і зовнішнім середовищем, обмінюючись енергією і речовиною – термодинамічна система. Термодинамічна система складається з великого числа структурних частинок так, що її стан можна характеризувати макроскопічними параметрами. (Параметр – фізична величина, що характеризує яку-небудь властивість процесу, явища, системи, наприклад об’єм, що займає газ, температура тіла, кінетична енергія тіла, напруженість електричного поля). Параметр може бути виміряний або розрахований. Під процесом розуміють послідовну зміну станів стадій розвитку.
Кожна система в будь-який момент часу знаходиться в якомусь стані. Стан цієї системи описаний за допомогою макроскопічних параметрів – макроскопічний стан або макростан. Саме в такому змісті поняття стану використовується в термодинаміці.
Рис. 1
Тиск газу на стінки посудини – результат удару частинок на стінки посудини, які перебувають в постійному русі об площину S. Позначимо F – результуючу силу, з якою в кожен момент часу діють на дану величину молекули, тоді:
,
Р– тиск на стінку посудини. Ця величина не є строго постійною в часі, тобто вона змінюється і коливається біля деякого середнього значення P.
В термодинаміці розглядається не миттєве значення тиску, а середнє за великий проміжок часу, який великий порівняно з часом одного удару або з часом проміжку між двома ударами молекул. Це середнє значення при макроскопічному розгляді приймають за тиск газу. З досліду видно, що макроскопічні параметри мають середнє значення за великий проміжок часу.
Рис. 2
Всі макропараметри можна розділити на:
внутрішні (визначають внутрішній стан системи);
зовнішні (характеризують зовнішні тіла і силові поля, що діють на систему).
Розглянемо приклад: нехай газ знаходиться в посудині з жорсткими стінками. Об’єм, який займає газ є зовнішнім параметром, оскільки він визначає положення зовнішніх тіл (стінок посудини). Тиск, з яким газ діє на стінки посудини, залежить від швидкості теплового руху молекул. В даному випадку тиск є внутрішнім параметром. Уявимо, що цей самий газ знаходиться у вертикальному циліндрі під поршнем, який може вільно переміщуватися. Якщо площа поршня S, а сила тяжіння поршня дорівнює Q, то за третім законом Ньютона газ діє на поршень з силою Q, а тиск газу на поршень і стінки циліндра
,
він визначається масою поршня і є зовнішнім параметром.
Об’єм газу в циліндрі під поршнем є внутрішнім параметром так, як положення поршня визначається внутрішніми властивостями газу.
Якщо параметр в системі довго не змінюється, то кажуть, що система у термодинамічній рівновазі.
Досліди показують, що будь-яка нерівновісна термодинамічна система, представлена сама собі, самовільно переходить в стан рівновісної системи. Самовільний процес переходу системи в рівновісний стан – релаксація, а час який витрачається на такий перехід – час релаксації.
Процеси, що складаються з неперервно послідовних станів рівноваги – квазістатичні або квазірівновісні. Такі процеси протікають досить повільно і в природі майже не існують, але ряд процесів протікає подібно до квазіврівноваженого.
Для рівновісних термодинамічних систем вводиться поняття температури як макроскопічного параметру стану, що має однакове значення для усіх макроскопічних частинок системи.