ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Состояние систем и превращения в них из "Термодинамика" В механике состояние системы в данный момент времени полностью определяется, если известны положение и скорость каждой из ее точечных масс. Для системы, состоящей из N точечных масс, необходимо знать 67У переменных. [c.9] В термодинамике вводится другое и более простое понятие состояния системы. Действительно, использовать динамическое определение состояния неудобно, так как все системы, с которыми имеют дело в термодинамике, содержат очень много точечных масс (атомов или молекул), поэтому практически невозможно определить бТУ переменных. Кроме того, в этом нет необходимости, потому что величины, с которыми приходится иметь дело в термодинамике, описывают средние свойства системы, следовательно, точное знание движения каждой точечной массы было бы излишним. [c.9] Для того, чтобы объяснить термодинамическое понятие состояния системы, рассмотрим сначала простые примеры. [c.9] Система, состоящая из химически однородной жидкости. В такой системе можно измерять температуру t, объем V и давление р. Температура может быть измерена термометром, соприкасающимся с системой в течение времени, достаточного для наступления теплового равновесия. Как известно, температура, определенная каким-либо специальным термометром (например, ртутным), зависит от индивидуальных свойств использованного в нем вещества. В данном случае условимся проводить все измерения температуры однотипными термометрами, чтобы результаты можно было сравнивать. [c.9] Геометрия нашей системы, очевидно, характеризуется не только объемом, но и формой. Однако большинство термодинамических свойств в значительной мере не зависит от формы, поэтому обычно объем является единственной заданной геометрической величиной. [c.9] Только в тех случаях, когда отношение поверхности к объему очень велико (например, мелкозернистые вещества), следует также рассматривать и поверхность. [c.10] Часто эти две величины удобно представить графически в прямоугольной системе координат. Например, можно представить (У,р), вычерчивая V по оси абсцисс и р по оси ординат. Точка на плоскости (У,р) определит, таким образом, состояние системы. Точки, характеризующие состояния при одинаковой температуре, лежат на кривой, которая называется изотермой. [c.10] Система, состоящая из химически однородного твердого тела. В этой системе для определения состояния, кроме температуры Ь и объема V, мы должны задать напряжения, различные по различным направлениям. Однако обычно предполагается, что твердое тело подвергается всестороннему сжатию. Поэтому необходимо, как и в жидкости, определить лишь величину давления. [c.10] Система, состоящая из однородной смеси различных химических соединений. Здесь переменными, определяющими состояние системы, являются не только температура, объем и давление, но и концентрации различных химических составляющих, образующих смесь. [c.10] Гетерогенные (неоднородные) системы. Чтобы определить состояние неоднородных систем, необходимо разделить их на ряд однородных частей. Число частей в одних случаях может быть конечным, в других — бесконечным. [c.10] Очевидно, что не все переменные являются независимыми. Например, суммарное количество каждого химического элемента, содержащегося в различных однородных частях, должно быть постоянным и равняться общему количеству элемента в системе. Кроме того, объем, давление и температура каждой однородной части, имеющей заданную массу и химический состав, связаны уравнением состояния. [c.11] Система, содержащая движущиеся части. Обычно предполагается, что различные части термодинамической системы или находятся в покое, или движутся так медленно, что их кинетической энергией можно пренебречь. Если в действительности этого не происходит, то, чтобы полностью определить состояние системы, следует задать скорости различных ее частей. [c.11] Отсюда, как мы уже указывали, очевидно, что недостаточно для определения динамического состояния знать одно лишь термодинамическое состояние. Изучая термодинамическое состояние однородной жидкости при заданном объеме и температуре (давление определяется в этом случае из уравнения состояния), мы видим, что имеется бесконечное число соответствующих ему состояний молекулярного движения. С течением времени система последовательно проходит все динамические состояния, соответствующие данному термодинамическому состоянию. Исходя из этого, можно сказать, что термодинамическое состояние есть совокупность динамических состояний, через которые в результате молекулярного движения система быстро проходит. Это определение состояния скорее абстрактное и отнюдь не единственное, а потому мы в каждом отдельном случае будем указывать, какими переменными величинами описывается состояние. [c.11] Очень часто мы будем рассматривать преобразование системы от начального к конечному состоянию через непрерывную последовательность промежуточных состояний. Если состояние системы может быть изображено на диаграмме (У,р), то переход можно изобразить кривой, соединяющей две точки, которые представляют начальное и конечное состояние. [c.12] Говорят, что преобразование обратимо, когда последовательно проходимые промежуточные состояния бесконечно близки равновесным состояниям. Поэтому обратимые процессы могут соединять только такие начальные и конечные состояния, которые сами являются состояниями равновесия. Обратимые процессы можно осуществить на практике, если изменять внешние условия так медленно, что система успеет постепенно прийти в соответствие с изменившимися условиями. Например, мы можем произвести обратимое расширение газа, заключая его в цилиндр с подвижным поршнем, и очень медленно выдвигая поршень. Если бы мы быстро подняли поршень, то в расширяющейся массе газа образовались бы потоки, и переходное состояние не было бы состоянием равновесия. [c.12] Если мы перевели систему обратимо из начального состояния А в конечное состояние В, то тогда можно перевести систему посредством обратимого превращения от В к А, проходя через те же самые промежуточные состояния, но в обратном порядке. Чтобы сделать это, мы просто должны изменять внешние условия так же медленно, как и при начальном превращении, однако двигаясь в обратном направлении. [c.12] В рассмотренном в предыдущем абзаце случае мы можем снова сжать газ до начального объема и привести его к начальному состоянию, медленно перемещая поршень внутрь цилиндра. Сжатие оказывается обратимым, и газ проходит через те же самые промежуточные состояния, через которые он проходил при расширении. [c.12] Сравнивая эти два уравнения, опять приходим к уравнению (3). [c.13] Особенно важны такие процессы, в которых начальное и конечное состояния одинаковы. Они называются циклическими процессами, или циклами. Цикл — процесс, при котором система возвращается к своему начальному состоянию. Если состояние системы представить на диаграмме (У,р), то цикл можно изобразить такой замкнутой кривой, как кривая АВСО (рис. 4). [c.14] Следует подчеркнуть, что проделанная работа является положительной, так как цикл протекал по направлению хода часовой стрел- р ки. Если же он совершается в направлении против хода часовой стрелки, то работа, которая на этот раз является отрицательной, снова будет представлена площадью, ограниченной кривой, описывающей цикл. [c.15] Вернуться к основной статье