Состояние термодинамической системы

Состоянием термодинамической системы называется возможный способ существования системы. Из этого определения следует, что состояний у системы может быть несколько. С точки зрения числа состояний, в которых может пребывать система, различают системы с конечным (дискретным) и бесконечным числом состояний. В технической термодинамике в основном рассматриваются системы последнего типа.

Каждое состояние термодинамической системы характеризуется набором значений некоторых физических величин, называемых параметрами состояния системы или термодинамическими параметрами. В теплоэнергетике и технике низких температур применяются в основном технические системы, в которых в качестве рабочего вещества используется пар или жидкость. В этом случае состояние рабочего вещества однозначно задаётся такими параметрами как давление Р, температура Т и объём V (или плотность ρ).

Обычно рабочее вещество занимает какую-либо часть пространства. При этом в различных пространственных точках системы вещество может обладать одинаковыми или различными значениями параметров. В соответствии с этим различаю два типа термодинамических систем – равновесные и неравновесные.

Равновесной термодинамической системой называют систему, которая во всех своих пространственных точках характеризуется одним и тем же набором значений термодинамических параметров. Иначе говоря, состояние равновесной системы задаётся одним значением давления, одним значением температуры и одним значением плотности.

Примером равновесной системы может служить воздух в комнате летом.

Неравновесной термодинамической системой называют систему, у которой существуют хотя бы две различные пространственные точки, обладающие различными наборами значений термодинамических параметров. Примером неравновесной системы может служить воздух в комнате зимой. В этом случае температура воздуха возле батарей будет выше температуры воздуха вдали от них.

Состояние системы можно изображать в декартовой системе координат, по осям которых откладываются значения параметров состояние систем. Состояние равновесной системы изображается пространственной точкой в P-T-V системе координат (см. рис. 1).

Рис. 1

Состояние неравновесной системы изображается в P-T-ρ системе координат (ρ – плотность вещества) пространственной областью (см. рис. 2).

Рис. 2

А и В - две различные точки системы, которые характеризуются различными наборами значений параметров системы. Точка А характеризуется значениями температуры, давления и плотности Т_А, Р_А и ρ_А, а точка В - значениями Т_В, Р_В и ρ_В.

Чаще же графически состояние системы изображают на одной или нескольких координатных плоскостях. Так, рисунок 1 можно представить как совокупность трёх проекций состояния A на плоскости P-V, P-T и V-T (см. рис. 3)

Рис. 3

Такие проекции на координатные плоскости, по осям которых откладываются значения параметров состояния, называются диаграммами состояния.

Имеет место следующий экспериментальный факт. Если неравновесную термодинамическую систему изолировать от окружающей среды, то через некоторое время система самопроизвольно перейдёт в равновесное состояние и будет находиться в равновесии до тех пор, пока не будет снята с системы изоляция. Этот самопроизвольный переход неравновесной изолированной системы в состояние равновесия называется релаксацией, а время, в течении которого протекает релаксация, называется временем релаксации. Время релаксации зависит от размеров термодинамической системы, от скорости распространения возмущений в системе, а так же от максимальной разности значений термодинамических параметров в разных частях системы.

Все термодинамические величины или термодинамические параметры делятся на экстенсивные и интенсивные. Под экстенсивной величиной подразумевается термодинамический параметр, значение которого при прочих равных условиях зависит от массы вещества в системе. Из упомянутых параметров термодинамической системы к экстенсивным величинам относится объём системы V.

Интенсивной величиной называется термодинамический параметр, значение которого при прочих равных условиях не зависит от массы вещества в системе. К интенсивным величинам относятся давление Р и температура Т.

Для того, чтобы в явном виде выразить зависимость экстенсивной величины от массы, в рассмотрение вводят соответствующую удельную величину. Так, в рассмотрение вводят удельный объём, который определяется как объём, занимаемый единицей массы вещества, в частности, одним килограммом. Если масса вещества равномерно распределена по объёму, который занимает система, то в этом случае удельный объём определяется выражением

,

где v – удельный объём;

V – полный объём системы;

m – масса вещества в системе.

Если масса вещества неравномерно распределена по объёму системы, то в этом случае удельный объём определяется как производная

.

В системе СИ единица измерения объёма – кубический метр (м³), единица измерения массы – килограмм (кг), поэтому единица измерения удельного объёма – кубический метр на килограмм ( ). Величиной, обратной удельному объёму является плотность ρ, определяемая как масса единицы объёма, или по формулам

, ,

в зависимости от того, равномерно или нет масса вещества распределена по объёму системы. Единица измерения плотности в системе СИ – килограмм на кубический метр ( ).

Рассмотрим основные термодинамические параметры подробнее.