1. Основные положения термодинамики. Частные процессы

1.1. Основные понятия и определения

Термодинамическая система - тело или совокупность тел, полностью характеризующихся некоторым набором значений макроскопических параметров.

Термодинамические параметры - физические величины, характеризующие макроскопическое состояние тел. К ним относятся температура Т, давление р, объем V.

Температура ( t, ⁰С; Т, К)  термодинамический параметр характеризующий степень нагретости тел.

Объем (V, м³), удельный объем (v, м³/кг), молярный объем (v^мол, м³/моль)  соответственно, объем всего тела, объем, приходящийся на единицу массы или на один моль вещества.

Давление (р, Н/м², Па)  термодинамический параметр, характеризующий суммарное импульсное воздействие частиц тела на ограничивающую его поверхность.

Равновесное состояние системы  это, как правило, установившееся состояние системы, которое характеризуется определенным набором численных значений термодинамических параметров. Равновесное состояние системы характеризуется уравнением состояния  (р, Т, V) = 0.

Уравнение состояния системы  функциональная связь между термодинамическими параметрами системы, находящейся в равновесии: р = (Т, V); Т = f(р, V) или V = (Т, р).

Идеальный газ  газ, молекулы которого не обладают взаимным притяжением и взаимодействуют между собой соударяясь как абсолютно упругие тела. Реальные газы при сравнительно небольших избыточных давлениях (до 1010⁵ Па) разрежены и близки по свойствам к идеальным.

Уравнение состояния идеальных газов. В равновесных состояниях термодинамические параметры идеального газа взаимосвязаны уравнением, известным как уравнение Менделеева-Клапейрона (объединенный газовый закон):

, (1.1.1)

где n  количество киломолей газа,

М  масса газа (кг),

μ  молярная масса газа (кг/кмоль),

R  универсальная газовая постоянная, R = 8314 Дж/(кмоль·К).

Внутренняя энергия системы (U, Дж)  совокупность всех видов энергии в веществах системы, которая является функцией состояния системы. Внутренняя энергия идеального газа зависит только лишь от температуры и обусловлена его кинетической энергией, которая для одного моля равна:

U = (3/2)RТ для одноатомных газов (1.1.2)

U = (5/2)RТ для двухатомных газов (1.1.3)

Равновесный термодинамический процесс  процесс воздействия на систему, при котором изменение состояний системы проходит через равновесные состояния, в которых термодинамические параметры взаимосвязаны уравнением состояния.

Теплота процесса (Q, Дж)  количество энергии, переданной в процессе в микроскопической форме без заметных механических перемещений тел.

Работа процесса (L, Дж)  количество энергии, переданной в процессе в макроскопической форме при заметных механических перемещениях тел.

Первый закон термодинамики  закон сохранения энергии в процессах с участием теплоты. Теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и совершение работы:

Q = U + L (в интегральной форме), (1.1.4)

Q = dU +  L (в дифференциальной форме) (1.1.5)

Теплота и работа процесса зависят от пути его проведения и не являются функциями состояния системы.

Система знаков величин теплоты и работы.

Теплота, подводимая к термодинамической системе от окружающей среды  положительная величина. Наоборот, теплота, отданная системой в окружающую среду  отрицательна.

Работа, совершаемая расширяющейся системой  положительна. Работа, сжатия (ее совершает окружающая среда)  отрицательна.

В дальнейшем изложении расчетные формулы приведены в алгебраической форме, а отрицательность или положительность величин проявляется при подстановке в формулы значений конкретных величин.

Теплоемкость - характеризует свойство тел принимать (отдавать) определенное количество тепла и увеличивать (уменьшать) при этом свою температуру.

Удельная изохорная теплоемкость (с_v, Дж/(кг^.К))  количество теплоты, необходимое для изменения температуры одного килограмма вещества на один градус в изохорическом процессе.

Молярная изохорная теплоемкость (с_v, кДж/(кмоль^.К))  количество теплоты, необходимое для изменения температуры одного киломоля вещества на один градус в изохорическом процессе.

Удельная изобарная теплоемкость (с_р, кДж/(кг^.К))  количество теплоты, необходимое для нагрева одного килограмма вещества на один градус в изобарическом процессе.

Молярная изобарная теплоемкость (с_р, кДж/(кмоль^.К))  количество теплоты, необходимое для нагрева одного киломоля вещества на один градус в изобарическом процессе.

Теплоемкости взаимосвязаны выражением

с_v = (1/μ)с_v и с_р = (1/μ)с_р. (1.1.6)

Уравнение Роберта-Майера - выражает взаимосвязь между изобарной и изохорной теплоемкостями идеального газа:

с_р - с_v = R и с_р - с_v = R₀ , (1.1.7)

где R₀ = (1/μ)R.