Вопрос №1
1) Понятие термодинамической системы.
Термодинамическая система — совокупность макроскопических тел, которые могут взаимодействовать между собой и с др. Телами (внешней средой) — обмениваться с ними энергией и веществом.
2) Виды термодинамических систем
Термодинамические системы бывают трех видов:
Изолированные (нет обмена ни веществом, ни энергией с окружающей средой).
Закрытые (замкнутые) (нет обмена веществом с окружающей средой).
Открытые (есть и энерго- и массообмен с окружающей средой)
3) Внутренняя энергия тел.
Энергию любой системы можно разделить на две части:
1) энергия, зависящая от положения и движения системы, как целого.
2) энергия, определяемая движением и взаимодействием микрочастиц, образующих систему.
Вторую часть называют внутренней энергией системы u.
Внутренняя энергия u включает в себя:
Кинетическую энергию теплового движения частиц;
Потенциальную энергию, заключенную в химических связях;
Внутриядерную энергию.
В системах, химический состав которых в ходе энергетических преобразований остается неизменным, при вычислении внутренней энергии можно учитывать только энергию теплового движения частиц. Примером такой системы является идеальный газ.
Внутренняя энергия идеального газа:
i – Число степеней свободы молекулы,
m – Масса, μ - молекулярная масса,
R = 8,32.103 Дж.К-1.кмоль-1 - универсальная газовая постоянная,
Т - абсолютная температура.
4) Свободная и связанная энергии.
Свободная энергия G – это та часть внутренней энергии, которую в принципе можно полностью использовать для совершения работы (слова в принципе означают, что хотя на практике обычно не удаётся всю свободную энергию использовать для получения работы, но в принципе это возможно).
Связанная энергия WСВЯЗ, которую в данных условиях вообще нельзя превратить в работу. В большинстве случаев связанная энергия – это часть энергии теплового движения составляющих систему частиц.
Сказанное можно выразить в виде формулы: U = G + WСВЯЗ
При одной и той же температуре связанная энергия тем больше, чем больше энтропия. Таким образом, энтропия системы есть мера обесцененности ее энергии (т.е. Мера той энергии, которая не может быть превращена в работу).
5) Обратимые и необратимые процессы.
Ранее было сказано, что свободную энергию на практике удаётся использовать для получения работы только частично, что можно выразить простым соотношением: А ≤ ΔG, то есть полученная работа обычно меньше, чем изменение свободной энергии.
Процессы, при которых А = ΔG, называются обратимыми, потому что затратив работу А мы можем вернуть систему в исходное состояние.
Все процессы, в которых А <ΔG являются необратимыми; чтобы в этом случае вернуть систему в исходное состояние надо затратить
работы больше, чем было получено. В любом реальном процессе часть свободной энергии обязательно превращается в тепло, то есть в связанную энергию.
Переход свободной энергии в тепло называют диссипацией свободной энергии (слово „диссипация “по-русски значит „рассеяние “). Однако, в некоторых случаях, когда диссипация незначительна, можно условно считать процесс обратимым (как, например, мы считаем воздух идеальным газом).
Обратимый процесс (то есть равновесный) — термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений.
Обратимые процессы дают наибольшую работу. Большую работу от системы вообще получить невозможно. Это придает обратимым процессам теоретическую важность. На практике обратимый процесс реализовать невозможно. Он протекает бесконечно медленно, и можно только приблизиться к нему.
Необратимым процесс, который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния. Все реальные процессы необратимы. Примеры необратимых процессов: диффузия, термодиффузия, теплопроводность, вязкое течение и др. Переход кинетической энергии макроскопического движения через трение в теплоту, то есть во внутреннюю энергию системы, является необратимым процессом