§ 3. Термодинамическая система

Для термодинамического изучения какого-либо явления природы из множества макроскопических тел материального мира с помощью контрольной поверхности выделяется термодинамическая система. Тела, остающиеся за пределами контрольной поверхности, называются окружающей средой. В общем случае термодинамическая система представляет собой совокупность тел, способных энергетически взаимодействовать между собой и с окружающей средой, а также обмениваться с последней веществом. В частном случае как термодинамическую систему можно рассматривать и отдельно взятое тело, например объем газа, заключенный в цилиндре с поршнем или движущийся по какому-либо каналу. В технической термодинамике среди тел, входящих в систему, различают рабочие тела, источники теплоты и приемники теплоты. Под энергетическим взаимодействием в общем случае подразумевают обмен энергией в форме работы и теплоты.

Классификацию термодинамических систем проводят в зависимости от свойств самой системы и контрольной поверхности.

Неизолированная система может обмениваться с окружающей средой и работой, и теплотой (контрольная поверхность обладает свойствами деформируемости и теплопроводности).

Адиабатная система не может обмениваться теплотой с окружающей средой (контрольная поверхность имеет идеальную тепловую изоляцию).

Изолированная система не может обмениваться ни теплотой, ни работой с окружающей средой (абсолютно жесткая контрольная поверхность с идеальной тепловой изоляцией).

Закрытая система не может обмениваться веществом с окружающей средой. Примером такой системы является объем газа в цилиндре двигателя в процессах сжатия и расширения.

Открытая система может обмениваться веществом с окружающей средой. Следовательно, для открытой системы возможен обмен энергией с окружающей средой не только в форме работы и теплоты, но и перенос энергии с массой вещества, называемый массообменом. Примером открытой системы является поток рабочего тела в турбомашинах.

Однородная система имеет во всех своих точках одинаковый состав и одинаковые свойства. Любой физически однородный вид системы называется фазой.

Гомогенная система состоит из одной фазы вещества.

Гетерогенная система состоит из нескольких гомогенных частей, отделенных друг от друга поверхностями раздела.

§ 4. Термодинамические параметры. Термическое уравнение состояния

Термодинамическое состояние системы определяется совокупностью некоторых ее физических свойств, называемых термодинамическими параметрами состояния. Различают интенсивные и экстенсивные (аддитивные) свойства вещества. Интенсивные свойства (например, температура) не зависят от массы вещества в отличие от экстенсивных свойств, пропорциональных массе (например, объем V, м³). Удельные, т. е. отнесенные к массе вещества, экстенсивные свойства приобретают смысл интенсивных свойств (например, удельный объем). Интенсивные свойства вещества и являются термодинамическими параметрами состояния.

Для однозначного определения термодинамического состояния системы нужно знать лишь ограниченное число термодинамических параметров, называемых независимыми. Все другие термодинамические параметры или свойства системы являются зависимыми и могут быть выражены через независимые параметры.

Термодинамические параметры называются внутренними, если они определяют состояние самой системы, и внешними, если они определяют состояние окружающей среды. В дальнейшем внешние параметры будут обозначаться символами со штрихом.

Если параметры термодинамической системы в любой момент времени одинаковы во всех точках, то система находится в равновесном состоянии. Неравновесное состояние характеризуется неодинаковостью параметров в различных точках системы.

Из всех термодинамических параметров наиболее важными для технической термодинамики являются термические и калорические параметры, которые характеризуют состояние системы в процессах взаимного превращения тепловой и механической энергии. (В литературе для простоты чаще всего употребляется словосочетание "взаимного превращения теплоты и работы").

Основными термическими параметрами являются: абсолютная температура Т, абсолютное давление р и удельный объем v

Температура является мерой нагретости тела и определяет направление передачи теплоты. Абсолютная температура отсчитывается от абсолютного нуля температур по термодинамической температурной шкале и измеряется в Кельвинах (К). На практике часто используется международная стоградусная шкала температур. Температура по стоградусной шкале (t) измеряется в градусах Цельсия (°С). По размеру градус Цельсия равен кельвину, а абсолютный нуль температур соответствует минус 273,15 °С. Таким образом, связь между двумя этими шкалами определяется уравнением

Абсолютное давление - это сила, действующая на единицу площади поверхности по нормали, измеряющаяся в паскалях (Па). Соотношение между единицами измерения давления в системе СИ и других системах выражается следующим образом:

1 Па = 1 H/м² = 10^-6 МПа = 10^-5 бар = 1,02 10^-5 ат = 0,102 мм вод. ст. = 7,5 10^-3 мм рт. ст.

Избыточное давление, измеряемое манометрами и представляющее собой избыток абсолютного давления над барометрическим (р_и = р - p_бар), а также вакуум, измеряемый вакуумметрами и представляющий собой избыток барометрического давления над абсолютным (р_в = p_бар - p), термодинамическими параметрами состояния не являются.

Удельный объем представляет собой объем единицы массы v = V/т и измеряется в м³/кг. Обратной ему величиной является плотность, представляющая собой массу единицы объема, ρ = m/V. Плотность измеряется в кг/м³; ρv = 1.

Из опыта известно, что равновесное состояние термодинамической системы может быть однозначно определено всего лишь двумя независимыми параметрами. Если в качестве определяющих выбрать любую пару независимых термических параметров, то все остальные термодинамические параметры системы можно представить как функции этих параметров. Например, удельный объем однородного тела в состоянии равновесия можно представить в зависимости от давления и температуры v = f(p, Т). При независимых v и Т получим р = f(v, T), а при независимых p и v T = f(p, v).

Таким образом, между тремя термическими параметрами р, v и Т в состоянии равновесия существует однозначная зависимость, которую в неявном виде можно представить уравнением

Эта зависимость называется термическим уравнением состояния. Она индивидуальна для каждого вещества.

В системе координат p, v и T уравнение (1.3) может быть представлено в виде так называемой термодинамической поверхности. Каждое равновесное состояние вещества изображается на этой поверхности точкой.

К основным калорическим параметрам относятся: удельная внутренняя энергия u, удельная энтальпия i и удельная энтропия s. Их свойства будут рассмотрены ниже.