3.Термодинамический процесс. Равновесные, неравновесные, обратимые и необратимые процессы.

Изменение состояния термодинами­ческой системы во времени называется термодинамическим процессом. Так, при перемещении поршня в цилиндре объём, а с ним давление и температура находящегося внутри газа будут изменяться, будет совершаться процесс расширения или сжатия газа.

Как уже отмечалось, система, выве­денная из состояния равновесия, и пре­доставленная при постоянных парамет­рах окружающей среды самой себе, че­рез некоторое время вновь придет в рав­новесное состояние, соответствующее этим параметрам. Такое самопроизволь­ное (без внешнего воздействия) возвра­щение системы в состояние равновесия

называется релаксацией, а промежуток времени, в течение которого система возвращается в состояние равновесия, называется временем релаксации. Для разных процессов он различно: если для установления равновесного давления в газе требуется всегда, то для выравнивания температуры в объеме того же газа нужны десяти; минут, а в объеме нагреваемого твердой тела — иногда несколько часов.

Термодинамический процесс называется равновесным, если все пара­метры системы при его протекании меня­ются достаточно медленно по сравнению с соответствующим процессом релакса­ции. В этом случае система фактически все время находится в состоянии равно­весия с окружающей средой, чем и опре­деляется название процесса.

Чтобы процесс был равновесным, скорость изменения параметров систе­мы должна удовлетворять соотно­шению

где А — параметр, наиболее быстро из­меняющийся в рассматриваемом процес­се; с_рел — скорость изменения этого па­раметра в релаксационном процессе; τрел — время релаксации.

Процессы, не удовлетворяющие усло­вию , протекают с нарушени­ем равновесия, т. е. являются неравновесными. Если, например, быстро увеличит температуру окружающей среды, то газ в цилиндре будет постепенно прогреваться через его стенки, релаксируя к состоянию равновесия, соответ­ствующему новым параметрам окружаю­щей среды. В процессе релаксации газ не находится в равновесии с окружаю­щей средой и его нельзя характеризовать уравнением состояния хотя бы потому, что в разных точках объема газа темпе­ратура имеет различные значения.

Обратимым процессом называют такой процесс, который может быть проведен в обратном направлении таким образом, что система будет проходить через те же состояния, что и при прямом ходе, но в обратной последовательности. Обратимым может быть только равновесный процесс.

В том случае, когда после завершения прямого и обратного процессов система вернулась в первоначальное состояние и в окружающей среде остались изменения, процесс является необратимым. Очевидно, что все процессы в природе необратимые.

4. Первый закон термодинамики. Энтальпия.

Первый закон термодинамики устанавливает взаимосвязь между внутренней энергией системы U, сообщаемой системе теплотой Q и совершаемой системой работой A, отражает пропорциональность механической работы и теплоты:

Q = U + A

Внутренняя энергия системы – это сумма всех видов энергии движения и взаимодействия частиц, составляющих систему (молекул, атомов, электронов, атомных ядер).

Работа, совершаемая системой, обусловлена взаимодействием системы с внешней средой, в результате которого преодолеваются внешние силы, нарушившие равновесие в системе. Работа не является функцией состояния системы. Величина совершаемой системой работы зависит от характера процесса, в результате которого система переходит из данного начального 1 в конечное состояние 2. Работа A – функция процесса, т.е. зависит от того, каким способом система перешла из данного начального состояния 1 в конечное состояние 2. В общем случае совершаемая системой работа равна сумме работы расширения ( ) и «полезной» работы ( ), совершение которой не связано с изменением объема системы . Полезная работа - это, например, работа, которая совершается при перегруппировке электронов при химических реакциях.

Теплота – форма передачи энергии путем теплообмена между телами с различной температурой, т.е. при взаимодействии системы с внешней средой. Более нагретое тело отдает часть теплоты менее нагретому телу. Теплота Q, как и работа, является функцией процесса.

Внутренняя энергия является функцией состояния системы, теплота и работа – функциями процесса (зависят от пути проведения процесса). Q = dU +  A или  Q = dU +

Некоторые формулировки первого закона термодинамики:

1.невозможно построить «вечный двигатель первого рода» - такое периодически действующее устройство, которое позволяло бы получать механическую работу без затраты соответствующего количества энергии;

2.тепло, подводимое к системе, расходуется на совершение работы против внешних сил и

увеличение внутренней энергии системы;

3.в закрытой (замкнутой) системе сумма всех видов энергии постоянна; при их взаимопревращениях энергия не теряется и не создается вновь;

4.внутренняя энергия изолированной системы постоянна.

ЭНТАЛЬПИЯ однозначная функция Н состояния термодинамической системы при независимых параметрах энтропии S и давлении p, связана с внутренней энергией U соотношением Н = U + pV, где V - объем системы. При постоянном p изменение энтальпии равно количеству теплоты, подведенной к системе, поэтому энтальпию называют часто тепловой функцией или теплосодержанием. В состоянии термодинамического равновесия (при постоянных p и S) энтальпия системы минимальна.