1.1.3. Уравнение состояния и термодинамический процесс.

Основные термодинамические параметры состояния системы p, v, Т

зависят друг от друга и взаимно связаны между собой определенным уравне-

нием, которое называется уравнением состояния:

f (p, v, Т) = 0 . (1.6)

Равновесным состоянием называется состояние системы, при котором

во всех ее точках объема значения p, v и Т и других физических свойств

одинаковы.

Совокупность изменений состояния термодинамической системы при

переходе из одного состояния в другое называется термодинамическим

процессом. Термодинамические процессы бывают равновесные и неравно-

весные.

Если процесс проходит через ряд равновесных состояний, то он назы-

вается равновесным. После проведения равновесного процесса в прямом, а

затем в обратном направлении в системе и в окружающей среде не происхо-

дит никаких изменений. Поэтому такие процессы называют также обрати-

мыми.

Обратимый процесс является идеальным. В реальных условиях все

процессы являются неравновесными. Следовательно, все реальные процессы

необратимы. Однако понятие равновесного процесса позволяет использовать

теорию термодинамического равновесия для исследования реальных

процессов. Практически, процесс, близкий к обратимому можно получить

при очень медленном изменении состояния системы, происходящем под

действием очень малых разностей температур или давлений.

Если при любом термодинамическом процессе изменение параметра

состояния не зависит от вида процесса, а определяется лишь начальным и

конечным состоянием системы, то такой параметр состояния называется

функцией состояния. Примерами таких параметров, как будет видно далее,

7

служат внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и др.

Интенсивные параметры – это параметры, не зависящие от массы

системы (давление, температура).

Экстенсивные параметры – параметры, значения которых пропор-

циональны массе системы (объем, энергия, энтропия и др.).

1.1.4. Внутренняя энергия, теплота и работа.

Тела, участвующие в термодинамическом процессе, обмениваются

энергией. Передача тепловой энергии от одного тела к другому происходит

двумя способами.

1-й способ реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих

различную температуру, путем обмена кинетической энергией между моле-

кулами соприкасающихся тел, либо лучистым переносом энергии излучаю-

щих тел путем передачи электромагнитных волн. При этом энергия самопро-

извольно передается от более нагретого тела к менее нагретому.

Количество энергии, переданной этим способом, называется теплотой

– Q [Дж], а способ – передача энергии в форме теплоты.

В технической термодинамике принято считать теплоту положитель-

ной, если система получает энергию, и отрицательной, если она отдает часть

своей энергии в окружающую среду.

2-й способ связан с наличием силовых полей или внешнего давления.

Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в

силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления.

При этом количество переданной энергии называют работой – L [Дж].

Количество энергии, полученное телом в форме работы, называется

работой, совершенной над телом (отрицательная работа), а отданную

энергию – затраченной телом работой (положительная работа).

Количество теплоты, полученное (отданное) телом и работа, совер-

шенная (затраченная) телом, зависят от условий перехода тела из начального

состояния в конечное, т.е. зависят от характера термодинамического процес-

са. Поэтому их принято называть функциями перехода.

Внутренняя энергия термодинамической системы включает

совокупность всех видов энергий, заключенной в ней. Эту энергию можно

представить как сумму отдельных видов энергий: кинетической энергии пос-

тупательного и вращательного движения молекул; колебательного движения

атомов в молекулах; энергии электронов; внутриядерной __________энергии; энергии

взаимодействия между ядром молекулы и электронами; потенциальной

энергии молекул.

В технической термодинамике рассматриваются процессы, в которых

изменяются кинетическая и потенциальная составляющие внутренней

энергии. Так внутренней энергией идеальных газов является кинетическая

энергия молекул, а для реальных газов она дополнительно включают потен-

циальную энергию молекул.

8

Внутреннею энергию (U) можно представить в виде функции двух

основных параметров состояния газа: U = f (p,T), U = f (v ,T), U= f (p,v).

Любому равновесному состоянию термодинамической системы соот-

ветствует определенное значение параметров состояния, поэтому каждому

состоянию системы характерна однозначная, вполне определенная величина

внутренней энергии. Таким образом U является функцией состояния

термодинамической системы. Поэтому разность значений внутренней

энергии двух каких-либо состояний рабочего тела или системы тел не будет

зависеть от пути перехода из первого состояния во второе.

В различных технических устройствах, в частности, в тепловых дви-

гателях, широко распространены процессы, в которых система получает из

окружающей среды (от источника тепла) энергию в форме теплоты, а возвра-

щает в окружающую среду (потребителю) энергию в форме работы. Такие

процессы называют для краткости превращением теплоты в работу. Это

превращение может быть осуществлено с помощью тела, способного расши-

ряться и, следовательно, совершать работу в процессе получения энергии в

форме теплоты. Такие тела принято называть рабочими телами. Обычно

при этом имеют в виду газы или пары различных веществ.