1.3. Основные понятия, характеризующие термодинамическую систему

1.3.1. Равновесные и неравновесные состояния

Термодинамических тел и систем

Термодинамически равновесное состояние тела или системы – это такое состояние теплового и механического равновесий элементов тела или системы, которое без внешнего воздействия может сохраняться сколь угодно долго.

Равновесная система – это система тел, находящихся в термодинамическом равновесии, в противном случае она будет называться неравновесной системой.

Так, без учета гравитационных сил равновесное состояние тела или системы есть такое их состояние, при котором по всему их объему давления и температуры имеют одни значения. Равенство только давления во всех точках обусловливает механическое равновесие, равенство температур – термическое равновесие.

При неравновесном состоянии тела (системы) в разных его частях могут быть различны и температуры, и давления. Однако в неравновесной системе могут быть точки, в которых некоторые термические параметры одинаковы. Геометрическое место точек в пространстве, занимаемом системой (телом), с одинаковыми температурами представляет собой изотермическую поверхность, а с одинаковым давлением – изобарическую поверхность. Такие поверхности называются изопотенциальными. Изопотенциальные поверхности не могут пересекаться. Изопотенциальные поверхности могут быть и при равновесном состоянии тела. Например, в высоком цилиндре с жидкостью на различных уровнях от его дна будут различные изобарные поверхности, обусловленные действием гравитационного поля Земли. Поэтому равенство параметров в равновесной системе делается с оговоркой – без учета гравитационных сил.

1.3.2. Уравнение состояния термодинамической системы

Все термодинамические параметры гомогенной сисемы (однородной – с одинаковыми физическими свойствами), находящейся в равновесном состоянии, имеют определенную функциональную связь. При отсутствии действия внешних полей термодинамически равновесное состояние любого однородного реального тела определяется всего лишь двумя независимыми параметрами. Для неоднородных систем могут два параметра взаимно определять друг друга (например, давление и температура влажного насыщенного пара), в этом случае необходим третий параметр.

В качестве независимых параметров могут быть выбраны: давление и температура, давление и удельный объём или любая пара независимых свойств (температура и энтропия, давление и энтальпия и т.п.).

При заданных значениях двух параметров термодинмически равновесной системы можно определить любые другие ее параметры. Связь между параметрами такой системы описывается уравнениями состояния. Например, связь между параметрами p, v, T может быть выражена термическими уравнениями состояния системы:

- в неявной форме f(p,v,T) = 0 , (1.12)

- в явной форме p = F(v,T); v = f(p,T); T = j(p,v). (1.13)

В системе координат P,v,T эти уравнения описывают поверхность, называемую термодинамической (рис. 1.8).

Вид функциональной зависимости между параметрами различен для различных веществ и может быть получен либо из опыта, либо на базе микрофизических теорий. Методами самой термодинамики эта связь определена быть не может.