3.2 Термодинамика

3.2.1 Термодинамическая система и её параметры

Термодинамическая система – совокупностью макроскопических тел, которые могут обмениваться между собой и с внешней средой (т. е. с телами, не принадлежащими системе) энергией и веществом.

Параметры состояния бывают двух родов: экстенсивные, пропорциональные количеству вещества; интенсивные – непропорциональные количеству вещества.

Возьмём две порции идеального газа с температурой Т объёмом V и количеством вещества , находящихся в равновесии. Соединим их. При этом количество молей удвоится (2). Удвоится и объем (2V), а так же увеличится внутренняя энергия (2U). При этом у новой системы температура Т и давление Р имеют те же значения, что и в исходных порциях. Таким образом параметры (V, U) ~   и являются экстенсивными, а (Т и Р)  – интенсивными.

Равновесное состояние – такое макросостояние системы, в котором все параметры состояния имеют определённые значения, не изменяющиеся со временем, до тех пор, пока не изменятся внешние условия.

Если система находится в равновесном состоянии, то ее параметры состояния имеют определенные значения, которые зависят только от состояния и не зависят от «прошлого» системы.

При термодинамическом равновесии интенсивные параметры сохраняют постоянные значения во всей системе.

Термодинамический процесс – переход из одного равновесного состояния в другое.

Политропический процесс – термодинамический процесс, в котором теплоемкость тела С постоянная величина:

Адиабатический – процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой: количество тепла или элементарное количество тепла .

3.2.2 Первое начало термодинамики

Существует две возможности изменить внутреннюю энергию термодинамической системы:

• сообщить ей некоторое количество тепла;

• совершить над ней работу.

Первое начало термодинамики. Количество теплоты, сообщенное системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы против внешних сил

По существу это закон сохранения энергии для тепловых процессов.

Формулировка закона в интегральной форме

, (3.2.1)

где Q – количество теплоты, подводимое к системе; U  изменение внутренней энергии; A – работа системы против внешних сил.

Формулировка закона в дифференциальной форме

(3.2.2)

или

, (3.2.3)

где dU – изменение внутренней энергии, – элементарная работа, совершаемая системой, – элементарная работа, совершаемая внешними силами, – элементарное количество теплоты, переданное системе.

Полное количество теплоты при нагревании вещества системы и её переходе из состояния 1 в состояние 2:

, (3.2.4)

где c – удельная теплоемкость вещества, С_м – молярная теплоемкость вещества.

Работа системы против внешних сил:

. (3.2.5)

Внутренняя энергия идеального газа:

, (3.2.6)

где  – средняя кинетическая энергия молекулы, N – количество молекул газа;  – количество вещества.

Изменение внутренней энергии:

, (3.2.7)

В отличие от внутренней энергии, которая является функцией состояния, работа и тепло являются функцией процесса.