Основные понятия термодинамики

Данная статья предназначена для подготовки к изучению термодинамики, здесь даны общие сведения, которые не требуют запоминания, но обязательны для понимания

Термодинамика

В термодинамике всего три основных закона, на которых строится данная наука. Термодинамика это фундаментальный предмет, который изучает процессы преобразования энергии. В законах термодинамики нет исключений, как, например, в химии. Для того, что бы работать с термодинамикой, необходимо изучить базовые понятия, которые используются для исследования всего, что нас окружает. Термодинамика используется для изучения некоторого объекта, первое что необходимо сделать - это определиться, что мы будем изучать.

Термодинамическая система

Итак, первое понятие, термодинамическая система - это объект изучения, часть пространства, ограниченная физически или воображаемой границей, которая будет подвергнута изучению. Если мы берёмся изучать обмен энергией в человеке, то весь человек - это термодинамическая система. Если мы изучаем обмен теплом с солнцем, то солнце - это термодинамическая система. Если мы изучаем обмен тепла между печкой и домом, то и печка и дом - это термодинамическая система.

Границы системы

Важно обозначить, где заканчивается система, граница термодинамической системы - это физический или воображаемый объект, например, если мы изучаем кофе в термокружке как термодинамическую систему, то кофе - это система, а внутренние стенки кружки и нижняя часть крышки - это границы системы. Также мы можем изучать участок трубы, по которой течёт жидкость: внутренняя поверхность трубы и определённые нами (воображаемые) границы участка будут являться границей термодинамической системы.

Окружающая среда

Всё, что находится за пределами границы системы - это окружающая среда. Подразумевается, что окружающая среда не изменяется в течение времени, т.е. все её параметры постоянны независимо от того, что происходит в системе (например, система может отдавать или принимать тепло от окружающей среды, что никак не влияет на среду).

Типы термодинамической системы

Открытая система

Открытой называется такая система, которая обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Это может быть, например, камера сгорания в двигателе или паровая турбина.

Закрытая система

В закрытой системе невозможно ни изменение массы вещества, ни обмен веществом с окружающей средой. Например, вакуумная упаковка - пока упаковка цела, масса продукта внутри постоянна (если, конечно, там не протекают сложные химические процессы, которые не имеют интерес в данной ситуации).

Адиабатическая система

Может быть открытой или закрытой, но в любом случае отсутствует обмен энергией в виде тепла.

Свойства термодинамической системы

Термодинамическая система описывается набором величин, которые не зависят от предыдущих состояний системы. Каждое состояние может быть описано термодинамическими величинами. Любая характеристика системы является интенсивной или аддитивной. Интенсивная характеристика (с латинского intensive - принадлежащий объекту) не зависит от размера системы, т.е. её величина одинакова для всей системы (или части системы) независимо от размеров, например температура или концентрация. Аддитивная характеристика (с латинского - возможность присоединяться) зависит от размера выбранного объекта и для всей системы будет являться суммой значений для всех её элементов, например, масса.

Удельный объем и плотность ν, ρ

ν = V/m удельный объём
ρ_m = m/V плотность

Давление P

P = F/A нормаль силы на единицу площади

Давление различают абсолютное и манометрическое. Манометрическое - это давление избыточное по отношению к атмосферному (для вакуума манометрическое давление отрицательно). Абсолютное давление - это давление относительно полного вакуума.

Единицы измерения давления:
Паскаль (Па) = 1 Н/м²
Бар (бар) = 10⁵ Н/м² = 10⁵ Па
Атмосфера (атм) = 1,013 бар = 760 мм ртутного столба
Фунт на квадратный дюйм - lbs или psi ≈ 6894,8 Па

Термодинамический обмен каким он бывает?

Термодинамические системы обмениваются энергией изменяя свои свойства. Различают следующие формы энергии: механическая, электрическая, магнитная, термическая, химическая и ядерная.

Обмен энергией происходит двумя способами: работа (макроскопический обмен) и тепло (микроскопический обмен). С помощью работы изменяется аддитивные параметры системы. Посредством тепла изменяется внутренняя энергия системы.

Термодинамическое равновесие

Мы говорим, что система находится в темродинамическом равновесии, когда результирующая взаимодействия любого вида энергии или вещества между системой и окружающей средой равна нулю.

Уравнение состояния идеального газа

Под идеальным газом подразумеваются следующие допущения: молекулы представляются в виде точек, соударения между ними абсолютно упруги (т.е. при столкновении не выделяется тепло) и отсутствует силы притяжения и отталкивания между молекулами. Такая модель пригодна только для теоретических расчётов и для реального газа значительно усложняется.

Уравнение состояния идеального газа
P V = N R T
где P - давление [Па], V - объём газа [м³], N - количество молей газа, R - универсальная газовая постоянная (константа, равная работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 К), T - абсолютная температура [К]
Общий вид уравнения состояния:
P = P (T,ν)

Процессы в термодинамике

Для упрощения расчётов, в термодинамике используются идеализированные системы и типы процессов.

Квазистатический процесс

Такой процесс, в котором каждое последующее состояние системы является равновесным, называется квазистатическим. Это означает, что все изменения в системе происходят достаточно медленно для того, что бы не возникало переходных процессов. Представьте, что Вы завариваете кофе во френч-прессе: если Вы будете нажимать медленно на поршень, то кофе осядет вниз, если Вы попробуете резко с большой силой нажать на поршень то, во-первых, суммарно Вам потребуется больше энергии, а во-вторых, весь кофе выльется, из-за резкого повышения давления и несжимаемости жидкости. Квазистатический процесс - это процесс медленный, в котором все части системы находятся в одинаковом состоянии.

Обратимый и необратимый процессы

Обратимым называется такой процесс, который может происходить в направлении обратном нормальному развитию, восстанавливая произошедшие обмены энергией. Такой процесс является квазистатическим и не может быть реальным. В обратимом процессе не существует неравновесных сил между системой и окружающей средой. Необратимым процессом - называется любой реальный процесс.

Политропный процесс

Ещё одна модель идеальной системы, отвечающая уравнению «Pvⁿ = cte» (при n=cte). Используется для таких систем, поведение которых похоже на поведение идеального газа. Такой процесс достаточно хорошо описывает поведение газа и результат близок к реальности.

Нередко рассматриваются частные случаи политропного процесса: изобарный (постоянное давление), изотермический (постоянная температура), адиабатный (отсутствует теплообмен с окружающей средой) и изохорный (постоянный объём).