§ 3. Термодинамическая система, окружающая среда и взаимодействие между нмми

Объектом изучения в термодинамике является термодинами­ческая система, представляющая собой совокупность взаимо­действующих макроскопических тел. ■

В метеоро-логи-и«такой системой, например, является земная атмо­сфера, в энергетике — весь комплекс машин и устройств электри­ческой станции или отдельный узел теплового двигателя и т. д.

Объектам научения в техни­ческой термодинамике весьма часто является какое-либо ве­щество, выполняющее главную функцию в тепловой машине: пар, продукты сгорания топли­ва, сжатый газ и т. п. Такое ве­щество также является термоди­намической системой и назы­вается рабочим телом машины или термодинамической системы.

Все тела, ие входящие в со­став изучаемой термодинамиче­ской системы, объединяются об­щим понятием «окружающая среда». Границу между термо­динамической системой и окру­жающей средой часто называют контрольной поверх­ностью. Это условное поня- Рис. 1. Термодинамические системы:

тие, которое в ряде случаев мо ^Хр^ческоГТ ЖДГиоГойГ Т-

жет геометрически совпадать С открытая проточная (газ в канале между ло-

„„«. „„,», j,„„„„ латками турбины); в — сложная с четырьмя

некоторой реальной физическои степенями свободы (термической, деформаци- поверхностыо. Например, КОНТ- ^{011 иой}- электрической И магиитиой)

рольная поверхность для газа

совпадает с внутренними поверхностями поршня и цилиндра (рис. 1, а). Контрольная поверхность системы 5 на рис, I, б частично проходит через сечения А—А и Б—Б_г и на этих участках она яв­ляется условной, воображаемой.

На контрольной поверхности происходит взаимодействие термодинамической системы и окружающей среды, которое может сос­тоять в передаче энергии или вещества в систему или из нее. Конкрет­ный способ или форму передачи энергии называют родом взаи­модействия, а количество различающихся между собой родов взаимодействия, к которым по своей физической структуре способна данная система, — числом термодинамических сте­пеней свободы системы. Примером термодинамической систе­мы с двумя степенями свободы является газ 1, заключенный в.цилинд­

ре 3 с подвижным поршнем 4 (рис. 1, а). Энергию газа можно увели­чить, передавая ему некоторое количество механической работы, ис­пользуя механическую или деформационную степень свободы (пере­мещение вниз поршня 4 внешней силой). Вторая степень свободы (теп­ловая или термическая) проявляется при изменении энергии за счет подвода некоторого количества теплоты от нагревателя 2 через стен­ку цилиидра 3. Системы, обладающие двумя степенями свободы (тер­мической и деформационной), называют простыми или термодеформа- цивнными. На рис. 1, в представлена схема сложной термодинамичес­кой системы с четырьмя степенями свободы: деформационной, терми­ческой, электрической и магнитной. Рабочим телом этой системы слу­жит газ с диэлектрическими и парамагнитными свойствами (например, кислород). Его энергию можно изменить сжатием, подводом теплоты, изменением электрического заряда на поршнях 4, являющихся од­новременно обкладками конденсатора, и намагничиванием во внеш­нем магнитном поле.

В технической термодинамике обычно рассматриваются простые системы.

Характер взаимодействия между термодинамической системой и окружающей средой зависит также от свойств контрольной поверх­ности. Система называется закрытой (замкнутой), если контрольная поверхность непроницаема для вещества, т. е. между системой- и сре­дой отсутствует обмен массой (рис. 1, а, в). Открытой система называ­ется в том случае, когда при взаимодействии через контрольную поверх­ность переходит вещество. Частным случаем открытой системы явля­ется так называемая проточная система, когда на одних участках контрольной поверхности вещество входит в систему, а на других — выходит из нее (рис. 1,6).

Термодинамическая система называется изолированной, если конт­рольную поверхность не могут пересекать ни потоки вещества, ни потоки энергии. Понятие изоляции является научной абстракцией, т. е. изоляция считается идеальной. Практически идеальной является только деформационная изоляция газа от обмен а. механической рабо­той (при заключении его в жесткий сосуд или в цилиндр с закреплен­ным поршнем). Существуют также способы создания весьма совершен­ной тепловой изоляции. Иногда, говорят о частично изолированных системах. Прй этом имеется в виду наличие обмена энергией лишь по некоторым из присущих системе степеней свободы. Системы, находя­щиеся в тепловой изоляции и не-обменивающиеся с окружающей сре­дой теплотой, называются адиабатными.