1. Общие определения и понятия

1.1. Термодинамическая система

Термодинамическая система – это тот объект, который изучает техническая термодинамика. Термодинамической системой называется любая совокупность материальных тел, заключенная внутри заданных или произвольно выбранных границ. Все, что находится вне границ термодинамической системы, называется внешней средой. Термодинамические системы подразделяются:

- на гомогенные – однородные по составу и физическим свойствам во всем объеме. Например, воздух, вода, металл и т.п., находящиеся в заданном объеме (рис.1.1, а);

-гетерогенные – состоящие из разнородных тел, отделенных друг от друга поверхностями раздела. Например, кислород и азот в газообразном состоянии, находящиеся в емкости с непроницаемой перегородкой (рис.1.1, б). Если эту перегородку убрать и газы перемешаются, то система будет уже гомогенной;

- открытые или закрытые – с проницаемыми для вещества границами или нет. Например, завязанный и развязанный воздушный шарик (рис.1.2);

-неизолированные или изолированные – находящиеся в энергетическом взаимодействии с внешней средой или нет. Полностью изолированных систем в природе не бывает. Бывают только частично изолированные системы: теплоизолированные – адиабатные (рис.1.3), механически изолированные – в жесткой оболочке и т.д.

Предметом изучения сначала будет являться закрытая термодинамическая система, энергетические взаимодействия между частями которой (или с другими системами) ограничиваются механической работой или теплообменом (тепловой работой). Открытые термодинамические системы будут рассматриваться после изучения закрытах систем, т.к. закрытые системы более простые, а основные положения термодинамики справедливы для обоих типов систем.

Наряду с понятием термодинамической системы, часто используется понятие рабочего тела – это тело, способное воспринимать теплоту и совершать механическую работу (пример: в тепловых двигателях это вода и водяной пар, газы и т.п.).

1.2. Термодинамические параметры состояния

Термодинамическая система характеризуется определенными значениями ее свойств. Эти свойства термодинамического тела (системы) называются параметрами состояния.

Параметры состояния – любая величина, присущая телу, изменение которой определяется только начальным и конечным состоянием тела и не зависит от характера процесса изменения его состояния, при переходе тела из первого состояния во второе.

Параметры можно разделить на две группы:

интенсивные – которые не зависят от количества вещества и при взаимодействии тел выравниваются (температура, давление и т.п.);

экстенсивные – зависящие от количества вещества, следующие закону сложения или, как говорят математики, закону аддитивности (масса, объем, внутренняя энергия и т.п.).

Измерение экстенсивной величины производится сравнением ее с такой же по природе величиной, выбранной за единицу – эталон (метр, килограмм и т.п.). Измерение интенсивной величины основано на использовании объективной связи между изменениями этой интенсивной величины и какой-либо экстенсивной величины. Например, связь температуры и объема жидкости в термометре приводит к измерению температуры с помощью длины столбика жидкости в термометре.

Некоторые экстенсивные величины приобретают свойства интенсивных, если их рассматривают применительно к единице массы данного вещества (удельные объем, энтальпия и т.п.).

Все термодинамические параметры введены человеком для удобства изучения окружающего мира. Однако не все параметры поддаются измерению приборами. Ряд параметров, не поддающихся измерению, человек ввел для удобства расчета термодинамических процессов. Эти параметры получаются расчетным путем и имеют единицы измерения работы (энергии) джоуль или калория. Например, к ним относятся энтальпия и энтропия. Такие параметры получили название энергетических или калорических параметров или функций состояния. Параметры, которые возможно измерить приборами, называются термическими. Например, к этим параметрам относятся температура и давление.

Общая схема разделения термодинамических параметров состояния на основые виды дана на рис. 1.4.