4 Элементы термодинамики сплошных сред

4.1 Термодинамические системы и параметры состояния

Напомним известные из курса физики некоторые основные понятия термодинамики.

Термодинамическая система – это являющаяся объектом исследований часть физического мира, отделенная от его остальных частей контрольной поверхностью.

Все, что лежит вне контрольной поверхности системы называется окружающей средой. Способ построения замкнутой контрольной поверхности определяется задачами исследования, но требуется, чтобы:

1) система допускала описание макрофизическими терминами;

2) наблюдаемые макрофизические свойства по обе стороны контрольной поверхности в каком-то отношении были бы различны.

В общем случае поверхность термодинамической системы проницаема для всевозможных воздействий окружающей среды. Однако при выполнении некоторых физических условий и пренебрежении слабыми эффектами возникает возможность рассматривать такие поверхности, которые проницаемы только для некоторых воздействий или вообще непроницаемы. В последнем случае имеем дело с абсолютно изолированными системами. Абсолютно изолированная система приходит в состояние внутреннего равновесия, в котором она остается неограниченно долгое время. Выход из состояния равновесия возможен только при снятии абсолютной изоляции и осуществлении определенных воздействий окружающей среды.

Состояние некоторой термодинамической системы (например, объема

сплошной среды) задано, если известны значения некоторых парамет-

ров μ₁ , μ₂ ,μ₃ … μ_n, называемых параметрами состояния. Наборы параметров состояния для различных термодинамических систем раз-личны.

Изменение состояния термодинамической системы, вызванное воздействиями окружающей среды, называется термодинамическим процессом.

Если однородные встречные воздействия среды на систему и системы на среду взаимно уравновешиваются, то система находится в состоянии термодинамического равновесия. Если такую систему изолировать, то ее состояние не изменится.

Для систематического описания и наглядного представления используется пространство состояний или фазовое пространство, координатами которого являются параметры состояния. Например, давление P и объем V (рис. 4.1):

Рисунок 4.1− Фазовое пространство Р-V

Разным состояниям системы соответствуют разные точки фазового пространства.Термодинамическим процессам соответствуют линии фазового пространства.

Процессы, в результате которых система возвращается в свое исходное состояние, называются циклами.

В фазовом пространстве циклы изображаются замкнутыми кривыми (рис. 4.1).

Различают обратимые и необратимые процессы. Между состояниями А и В возможны два процесса, происходящие по одному и тому же пути: прямой А → В и обратный В → А.

Обратимыми называют те процессы, в результате совершения которых в прямом и обратном направлениях система возвращается в исходное состояние не вызывая при этом изменения состояния окружающей среды.

Обратимые процессы являются идеализацией действительности. Все реальные процессы необратимы, т.к. сопровождаются изменениями в окружающей среде. Например, при пластической деформации энергия деформирования рассеивается в теле в виде тепла.

Бесконечно медленные процессы, в которых каждое промежуточное состояние является состоянием равновесия, называются равновесными. Процессы, протекающие с конечными скоростями, называются неравновесными.

Т.о. квазистатические процессы деформации следует рассматривать как процессы равновесные в отношении механических параметров состояния.

Обычно между параметрами состояния систем существуют функциональные связи (например, закон PV = cоnst для идеального газа), которые выражаются т.н. уравнениями состояния. Если параметр состояния можно представить как функцию других параметров, то он называется функцией состояния.