Wprowadzenie. Przedmiot ciepłownictwo. Podstawowe pojęcia i definicje. Układ termodynamiczny. Opcje stanu. Temperatura. Nacisk. Określona objętość. Równanie stanu. Równanie Van der Waalsa .
Stosunek jednostek:
1 bar = 10 5 Pa
1 kg / cm 2 (atmosfera) \u003d 9,8067 10 4 Pa
1mmHg st (milimetr słupa rtęci) = 133 Pa
1 mm wc Sztuka. (milimetr słupa wody) = 9,8067 Pa
Gęstość - stosunek masy substancji do zajmowanej przez nią objętości.
Określona objętość - odwrotność gęstości, tj. stosunek objętości zajmowanej przez substancję do jej masy.
Definicja: Jeśli co najmniej jeden z parametrów dowolnego ciała wchodzącego do układu zmienia się w układzie termodynamicznym, to wtedy proces termodynamiczny .
Podstawowe parametry termodynamiczne stanu P, V, T ciała jednorodne zależą od siebie i są wzajemnie powiązane równaniem stanu:
F(P, V, T)
Dla gazu doskonałego równanie stanu można zapisać jako:
P- nacisk
w- określona objętość
T- temperatura
R- stała gazowa (każdy gaz ma swoją wartość)
Jeśli znane jest równanie stanu, to do wyznaczenia stanu najprostszych układów wystarczy znać dwie zmienne niezależne z 3
P. \u003d f1 (v, t); v = f2 (P, T); T = f3(v, P).
Procesy termodynamiczne są często przedstawiane na wykresach stanu, gdzie parametry stanu są wykreślane wzdłuż osi. Punkty na płaszczyźnie takiego wykresu odpowiadają określonemu stanowi układu, linie na wykresie odpowiadają procesom termodynamicznym, które przenoszą układ z jednego stanu do drugiego.
Rozważmy układ termodynamiczny składający się z jednego ciała pewnego gazu w naczyniu z tłokiem, a naczynie i tłok w tym przypadku są środowiskiem zewnętrznym.
Niech na przykład gaz w naczyniu zostanie ogrzany, możliwe są dwa przypadki:
1) Jeśli tłok jest nieruchomy, a objętość się nie zmienia, nastąpi wzrost ciśnienia w naczyniu. Taki proces nazywa się izochoryczny(v = const) przy stałej objętości;
Ryż. 1.1. Procesy izochoryczne w P-T współrzędne: v1 > v2 > v3
2) Jeśli tłok jest wolny, wówczas ogrzany gaz rozszerzy się, przy stałym ciśnieniu, proces ten nazywa się izobaryczny (P= const), przy stałym ciśnieniu.
Ryż. 1.2 Procesy izobaryczne w v - T współrzędne: P1>P2>P3
Jeżeli poruszając tłokiem zmienimy objętość gazu w naczyniu, to zmieni się również temperatura gazu, jednak ochładzając naczynie podczas sprężania gazu i ogrzewając podczas rozprężania można osiągnąć, że temperatura być stały ze zmianami objętości i ciśnienia, taki proces nazywa się izotermiczny (T= stała).
Ryż. 1.3 Procesy izotermiczne w Pv współrzędne: T 1 > T 2 > T 3
Proces, w którym nie dochodzi do wymiany ciepła między układem a otoczeniem nazywa się adiabatyczny, podczas gdy ilość ciepła w układzie pozostaje stała ( Q= stała). W rzeczywistości procesy adiabatyczne nie istnieją, ponieważ nie jest możliwe całkowite odizolowanie układu od otoczenia. Często jednak zachodzą procesy, w których wymiana ciepła z otoczeniem jest bardzo mała, np. gwałtowne sprężanie gazu w naczyniu przez tłok, gdy ciepło nie ma czasu na odprowadzenie z powodu nagrzewania się tłoka i naczynia.
Ryż. 1.4 Przybliżony wykres procesu adiabatycznego w Pv współrzędne.
Definicja: proces okrężny (cykl) - to zestaw procesów, które przywracają system do pierwotnego stanu. Liczba oddzielnych procesów może być dowolną liczbą w pętli.
Koncepcja procesu okrężnego jest dla nas kluczowa w termodynamice, ponieważ działanie elektrowni jądrowej opiera się na obiegu pary wodnej, czyli możemy rozpatrywać parowanie wody w rdzeniu, obrót turbiny wirnik przez parę, skraplanie pary i przepływ wody do rdzenia jako rodzaj zamkniętego procesu lub cyklu termodynamicznego.
Definicja: Ciało robocze - pewna ilość substancji, która uczestnicząc w cyklu termodynamicznym wykonuje użyteczną pracę. Czynnikiem roboczym w reaktorze RBMK jest woda, która po odparowaniu w rdzeniu w postaci pary pracuje w turbinie, obracając wirnik.
Definicja: Nazywa się przeniesienie energii w procesie termodynamicznym z jednego ciała na drugie, związane ze zmianą objętości płynu roboczego, jego ruchem w przestrzeni zewnętrznej lub zmianą jego położenia praca procesowa .
Układ termodynamiczny
Termodynamika techniczna (t / d) uwzględnia prawa wzajemnego przekształcania ciepła w pracę. Ustala zależności między procesami cieplnymi, mechanicznymi i chemicznymi zachodzącymi w maszynach cieplnych i chłodniczych, bada procesy zachodzące w gazach i parach oraz właściwości tych ciał w różnych warunkach fizycznych.
Termodynamika opiera się na dwóch podstawowych prawach (początkach) termodynamiki:
I zasada termodynamiki- prawo przemian i zachowania energii;
II zasada termodynamiki- ustala warunki przebiegu i kierunku procesów makroskopowych w układach składających się z dużej liczby cząstek.
Techniczne t/d, stosując podstawowe prawa do procesów zamiany ciepła na pracę mechaniczną i odwrotnie, umożliwia rozwijanie teorii silników cieplnych, badanie zachodzących w nich procesów itp.
Przedmiotem badania jest układ termodynamiczny, którym może być grupa ciał, ciało lub część ciała. To, co jest poza systemem, nazywa się środowisko. Układ T/D to zbiór makroskopowych ciał wymieniających energię między sobą oraz z otoczeniem. Na przykład: układ t/d – gaz umieszczony w cylindrze z tłokiem, a otoczenie – cylinder, tłok, powietrze, ściany pomieszczenia.
system izolowany - system t/d, który nie wchodzi w interakcje z otoczeniem.
System adiabatyczny (izolowany termicznie). - układ posiada powłokę adiabatyczną, która wyklucza wymianę ciepła (wymianę ciepła) z otoczeniem.
układ jednorodny - system, który ma taki sam skład i właściwości fizyczne we wszystkich swoich częściach.
układ jednorodny - system jednorodny pod względem składu i struktury fizycznej, wewnątrz którego nie ma interfejsów (lód, woda, gazy).
układ heterogeniczny
- układ składający się z kilku jednorodnych części (faz) o różnych właściwościach fizycznych, oddzielonych od siebie widocznymi granicami faz (lód i woda, woda i para).
W silnikach cieplnych (silnikach) prace mechaniczne wykonywane są za pomocą płynów roboczych - gazu, pary.
Właściwości każdego układu charakteryzują się szeregiem wielkości, które potocznie nazywane są parametrami termodynamicznymi. Rozważmy niektóre z nich, wykorzystując znane z toku fizyki koncepcje molekularno-kinetyczne dotyczące gazu doskonałego jako zbioru cząsteczek, które mają znikomo małe rozmiary, są w losowym ruchu termicznym i oddziałują ze sobą tylko podczas zderzeń.
Ciśnienie wynika z interakcji cząsteczek płynu roboczego z powierzchnią i jest liczbowo równe sile działającej na jednostkę powierzchni ciała wzdłuż normalnej do tej ostatniej. Zgodnie z teorią kinetyki molekularnej ciśnienie gazu jest określone zależnością
Gdzie n to liczba cząsteczek na jednostkę objętości;
t jest masą cząsteczki; od 2 jest średnią kwadratową prędkości ruchu translacyjnego cząsteczek.
W Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI) ciśnienie wyraża się w paskalach (1 Pa = 1 N/m2). Ponieważ ta jednostka jest mała, wygodniej jest użyć 1 kPa = 1000 Pa i 1 MPa = 10 6 Pa.
Ciśnienie mierzy się za pomocą manometrów, barometrów i próżniomierzy.
Ciśnieniomierze cieczowe i sprężynowe mierzą ciśnienie manometryczne, które jest różnicą między ciśnieniem całkowitym a bezwzględnym. R mierzone medium i ciśnienie atmosferyczne
p bankomat, tj.
Urządzenia do pomiaru ciśnień poniżej atmosferycznego nazywane są próżniomierzami; ich odczyty podają wartość próżni (lub próżni):
tj. nadwyżka ciśnienia atmosferycznego nad ciśnieniem bezwzględnym.
Należy zauważyć, że parametrem stanu jest ciśnienie bezwzględne. To właśnie wchodzi w równania termodynamiczne.
temperaturanazywamy wielkością fizyczną charakteryzujący stopień nagrzania ciała. Pojęcie temperatury wynika z następującego stwierdzenia: jeśli dwa układy są w kontakcie termicznym, to jeśli ich temperatury nie są równe, będą wymieniać między sobą ciepło, ale jeśli ich temperatury są równe, to wymiany ciepła nie będzie.
Z punktu widzenia koncepcji kinetyki molekularnej temperatura jest miarą intensywności ruchu termicznego cząsteczek. Jego wartość liczbowa jest związana z wartością średniej energii kinetycznej cząsteczek substancji:
gdzie k czy stała Boltzmanna jest równa 1,380662,10? 23 J/K. Zdefiniowana w ten sposób temperatura T nazywana jest absolutną.
W układzie SI jednostką temperatury jest kelwin (K); w praktyce powszechnie stosuje się stopień Celsjusza (°C). Stosunek między absolutem T i stopni Celsjusza I temperatury ma postać
W warunkach przemysłowych i laboratoryjnych do pomiaru temperatury służą termometry cieczowe, pirometry, termopary i inne przyrządy.
Określona objętość w— to objętość na jednostkę masy substancji. Jeśli jednorodne ciało o masie M zajmuje objętość v, wtedy z definicji
w= V/M.
W układzie SI jednostką objętości właściwej jest 1 m 3 /kg. Istnieje oczywisty związek między objętością właściwą substancji a jej gęstością:
Aby porównać wielkości charakteryzujące układy w tych samych stanach, wprowadza się pojęcie „normalnych warunków fizycznych”:
p= 760 mmHg = 101,325 kPa; T= 273,15 k.
W odmiennych gałęziach techniki i różnych krajach wprowadzają oni swoje własne, nieco odmienne od powyższych "normalne warunki", przykładowo "techniczne" ( p= 735,6 mmHg = 98 kPa, t= 15°C) lub normalne warunki szacowania wydajności sprężarek ( p= 101,325 kPa, t\u003d 20? C) itp.
Jeśli wszystkie parametry termodynamiczne są stałe w czasie i takie same we wszystkich punktach układu, to ten stan układu nazywa się zrównoważona sprężyna.
Jeśli występują różnice w temperaturze, ciśnieniu i innych parametrach między różnymi punktami w systemie, to tak brak równowagi. W takim układzie pod wpływem gradientów parametrów powstają przepływy ciepła, substancji i innych, zmierzające do przywrócenia go do stanu równowagi. Pokazuje to doświadczenie izolowany system zawsze dochodzi w czasie do stanu równowagi i nigdy nie może się z niego spontanicznie wydostać. W klasycznej termodynamice rozważane są tylko układy równowagowe.
Równanie stanu. Dla równowagowego układu termodynamicznego istnieje funkcjonalna zależność między parametrami stanu, która jest nazywana równanie stanu. Doświadczenie pokazuje, że specyficzna objętość, temperatura i ciśnienie najprostszych układów, jakimi są gazy, pary lub ciecze, są ze sobą powiązane równanie termiczne stan widoku:
Równaniu stanu można nadać inną postać:
Z równań tych wynika, że spośród trzech głównych parametrów określających stan układu dowolne dwa są niezależne.
Aby rozwiązywać problemy metodami termodynamicznymi, niezbędna jest znajomość równania stanu. Nie można go jednak uzyskać w ramach termodynamiki i należy go znaleźć eksperymentalnie lub metodami fizyki statystycznej. Konkretna postać równania stanu zależy od indywidualnych właściwości substancji.
Definicja 1
Układ termodynamiczny to zbiór i stałość makroskopowych ciał fizycznych, które zawsze oddziałują ze sobą iz innymi elementami, wymieniając z nimi energię.
Przez system w termodynamice zwykle rozumieją makroskopowe formy fizyczne, które składają się z ogromnej liczby cząstek, które nie wymagają użycia makroskopowych wskaźników do opisania każdego pojedynczego elementu. W naturze ciał materialnych, które są składnikami składowymi takich pojęć, nie ma określonych ograniczeń. Można je przedstawić jako atomy, cząsteczki, elektrony, jony i fotony.
Istnieją trzy główne typy systemów termodynamicznych:
- izolowany - nie odbywa się wymiana z materią lub energią z otoczeniem;
- zamknięte - ciało nie jest połączone z otoczeniem;
- otwarty - zachodzi zarówno wymiana energii, jak i masy z przestrzenią zewnętrzną.
Energię dowolnego układu termodynamicznego można podzielić na energię zależną od położenia i ruchu układu oraz energię określoną przez ruch i interakcję mikrocząstek tworzących to pojęcie. Druga część nazywana jest w fizyce energią wewnętrzną układu.
Cechy układów termodynamicznych
Rysunek 1. Typy układów termodynamicznych. Author24 - internetowa wymiana prac studenckich
Uwaga 1
Każdy obiekt obserwowany bez użycia mikroskopów i teleskopów można przytoczyć jako charakterystyczne cechy układów w termodynamice.
Do pełnego opisu takiego pojęcia niezbędny jest dobór szczegółów makroskopowych, dzięki którym możliwe jest dokładne określenie ciśnienia, objętości, temperatury, wielkości indukcji magnetycznej, polaryzacji elektrycznej, składu chemicznego, masy ruchomych elementów.
Dla dowolnych układów termodynamicznych istnieją warunkowe lub rzeczywiste granice oddzielające je od otoczenia. Zamiast tego często rozważają koncepcję termostatu, który charakteryzuje się tak dużą pojemnością cieplną, że w przypadku wymiany ciepła z analizowaną koncepcją parametr temperatury pozostaje niezmieniony.
W zależności od ogólnego charakteru interakcji układu termodynamicznego z otoczeniem, zwykle wyróżnia się:
- izolowane gatunki, które nie wymieniają ani materii, ani energii ze środowiskiem;
- izolowane adiabatycznie - układy, które nie wymieniają materii ze środowiskiem zewnętrznym, ale wchodzą w wymianę energii;
- układy zamknięte - takie, które nie mają wymiany z materią, dopuszczalna jest tylko niewielka zmiana wartości energii wewnętrznej;
- układy otwarte – takie, które charakteryzują się pełnym przepływem energii, materii;
- częściowo otwarte – posiadają przegrody półprzepuszczalne, przez co nie uczestniczą w pełni w wymianie materiałowej.
W zależności od sformułowania znaczenia pojęcia termodynamicznego można podzielić na warianty proste i złożone.
Energia wewnętrzna układów w termodynamice
Rysunek 2. Energia wewnętrzna układu termodynamicznego. Author24 - internetowa wymiana prac studenckich
Uwaga 2
Główne wskaźniki termodynamiczne, które bezpośrednio zależą od masy układu, obejmują energię wewnętrzną.
Obejmuje energię kinetyczną wynikającą z ruchu elementarnych cząstek materii, a także energię potencjalną, która pojawia się podczas wzajemnego oddziaływania cząsteczek. Ten parametr jest zawsze jednoznaczny. Oznacza to, że znaczenie i realizacja energii wewnętrznej jest stała zawsze, gdy pojęcie znajduje się w pożądanym stanie, niezależnie od metody, za pomocą której osiągnięto to położenie.
W układach, których skład chemiczny pozostaje niezmieniony podczas przemian energetycznych, przy wyznaczaniu energii wewnętrznej należy brać pod uwagę jedynie energię ruchu termicznego cząstek materiału.
Dobrym przykładem takiego układu w termodynamice jest gaz doskonały. Energia swobodna to pewna praca, którą ciało fizyczne mogłoby wykonać w odwracalnym procesie izotermicznym lub energia swobodna to maksymalny możliwy funkcjonał, jaki może wykonać koncepcja, mając znaczny zapas energii wewnętrznej. Energia wewnętrzna układu jest równa sumie napięcia związanego i swobodnego.
Definicja 2
Energia związana to ta część energii wewnętrznej, która nie jest w stanie samodzielnie zamienić się w pracę - jest to zdewaluowany element energii wewnętrznej.
W tej samej temperaturze parametr ten rośnie wraz z entropią. Zatem entropia układu termodynamicznego jest miarą bezpieczeństwa jego energii początkowej. W termodynamice istnieje inna definicja - strata energii w stabilnym układzie izolowanym
Proces odwracalny to proces termodynamiczny, który może szybko przebiegać zarówno w kierunku przeciwnym, jak i do przodu, przechodząc przez te same pozycje pośrednie, a koncept ostatecznie powraca do swojego pierwotnego stanu bez wydatkowania energii wewnętrznej i nie ma makroskopowych zmian w otaczającą przestrzeń.
Procesy odwracalne zapewniają maksymalną wydajność. W praktyce niemożliwe jest uzyskanie najlepszego wyniku z systemu. To nadaje zjawiskom odwracalnym teoretyczne znaczenie, które przebiega nieskończenie wolno i można się do niego zbliżyć tylko na krótkie odległości.
Definicja 3
Nieodwracalny w nauce to proces, którego nie można przeprowadzić w przeciwnym kierunku przez wszystkie te same stany pośrednie.
Wszystkie rzeczywiste zjawiska są w każdym przypadku nieodwracalne. Przykładami takich efektów są dyfuzja termiczna, dyfuzja, przepływ lepki i przewodzenie ciepła. Przejście energii kinetycznej i wewnętrznej ruchu makroskopowego poprzez stałe tarcie w ciepło, czyli w sam układ, jest procesem nieodwracalnym.
Zmienne stanu systemu
Stan dowolnego układu termodynamicznego można określić na podstawie aktualnej kombinacji jego cech lub właściwości. Wszystkie nowe zmienne, które są w pełni określone tylko w określonym momencie i nie zależą od tego, jak dokładnie koncepcja doszła do tej pozycji, nazywane są parametrami stanu termodynamicznego lub podstawowymi funkcjami przestrzeni.
System w termodynamice jest uważany za stacjonarny, jeśli zmienne pozostają stabilne i nie zmieniają się w czasie. Jedną z wersji stanu ustalonego jest równowaga termodynamiczna. Każda, nawet najmniej znacząca zmiana w koncepcji jest już procesem fizycznym, więc może mieć od jednego do kilku wskaźników stanu zmiennego. Sekwencja, w której stany systemu systematycznie przechodzą jeden w drugi, nazywana jest ścieżką procesu.
Niestety nadal istnieje zamieszanie z terminami i szczegółowym opisem, ponieważ ta sama zmienna w termodynamice może być zarówno niezależna, jak i wynikiem dodania kilku funkcji układu naraz. Dlatego terminy takie jak „parametr stanu”, „funkcja stanu”, „zmienna stanu” można czasem uznać za synonimy.
UKŁAD TERMODYNAMICZNY
UKŁAD TERMODYNAMICZNY
Zestaw makroskopowy ciała, to-rye mogą oddziaływać ze sobą oraz z innymi ciałami (środowiskiem zewnętrznym) - wymieniać z nimi energię i materię. T. s. składa się z tak dużej liczby cząstek strukturalnych (atomów, cząsteczek), że jego stan można scharakteryzować makroskopowo. parametry: gęstość, ciśnienie, stężenie v-in, formowanie T. s. itp.
RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA), jeżeli parametry układu nie zmieniają się w czasie i nie ma k.-l w układzie. przepływy stacjonarne (ciepło, in-va itp.). Dla równowagi T. z. wprowadzono pojęcie temperatury jako parametru, który ma taką samą wartość dla wszystkich makroskopowych. części systemu. Liczba parametrów stanu niezależnego jest równa liczbie stopni swobody T. s. Pozostałe parametry można wyrazić jako parametry niezależne za pomocą równania stanu. Święta Wyspa równowagi T. s. bada procesy równowagi (termostatyka); Święte wyspy systemów nierównowagowych -.
W termodynamice brane są pod uwagę: termopary zamknięte, które nie wymieniają materii z innymi układami, ale wymieniają materię i energię z innymi układami; adiabatyczny T. s., w którym nie występuje w innych systemach; izolowane T. s., które nie wymieniają ani energii, ani materii z innymi układami. Jeśli system nie jest izolowany, jego stan może się zmienić; zmiana stanu T. s. zwany proces termodynamiczny. T. s. może być fizycznie jednorodny (układ jednorodny) i niejednorodny (układ heterogeniczny), składający się z kilku. jednorodne części o różnych właściwościach fizycznych. Św. ty. W wyniku fazy i chemii. przemiany (patrz PRZEJŚCIE FAZY) jednorodny T. s. mogą stać się heterogeniczne i odwrotnie.
Fizyczny słownik encyklopedyczny. - M .: Sowiecka encyklopedia. . 1983 .
UKŁAD TERMODYNAMICZNY
Zestaw makroskopowy ciała, to-rye mogą oddziaływać ze sobą oraz z innymi ciałami (środowiskiem zewnętrznym) - wymieniać z nimi energię i materię. T. s. składa się z tak dużej liczby cząstek strukturalnych (atomów, cząsteczek), że jego stan można scharakteryzować makroskopowo. parametry: gęstość, ciśnienie, stężenie substancji tworzących T. s. itp.
T. s. w równowadze (por. równowaga termodynamiczna) jeśli parametry układu nie zmieniają się w czasie i nie ma k.-l. przepływy stacjonarne (ciepło, materia itp.). Dla równowagi T. z. Koncepcja temperatura Jak parametr stanu, mający tę samą wartość dla wszystkich makroskopowych. części systemu. Liczba parametrów stanu niezależnego jest równa liczbie stopnie swobody T. s. pozostałe parametry można wyrazić za pomocą niezależnych równania stanu. Własności równowagi T. s. studia termodynamika procesy równowagowe (termostatyka), własności układów nierównowagowych - termodynamika procesów nierównowagowych.
W termodynamice brane są pod uwagę: zamknięte układy termiczne, które nie wymieniają materii z innymi układami; systemy otwarte wymiana materii i energii z innymi systemami; adiabatyczny T. s., w którym nie ma wymiany ciepła z innymi systemami; izolowany system jednorodny T.) i heterogeniczny ( układ heterogeniczny) składający się z kilku jednorodnych części o różnej fizyczności. nieruchomości. W wyniku fazy i chemii. przekształcenia (zob przejście fazowe) jednorodny T. s. mogą stać się heterogeniczne i odwrotnie.
Oświetlony.: Epshtein PS, Kurs termodynamiki, przeł. z angielskiego, M.-L., 1948; Leontovich MA, Wprowadzenie do termodynamiki, wyd. 2, M.-L., 1951; Samojłowicz A, G., Termodynamika I, wyd. 2, M., 1955.
Encyklopedia fizyczna. W 5 tomach. - M .: Sowiecka encyklopedia. Redaktor naczelny AM Prochorow. 1988 .
Zobacz, czym jest „SYSTEM TERMODYNAMICZNY” w innych słownikach:
Ciało makroskopowe odizolowane od otoczenia za pomocą przegród lub skorup (mogą być również mentalne, warunkowe) i scharakteryzowane makroskopowymi parametrami: objętość, temperatura, ciśnienie itp. Do tego ... ... Wielki słownik encyklopedyczny
układ termodynamiczny- układ termodynamiczny; system Układ ciał, które mogą energetycznie oddziaływać ze sobą oraz z innymi ciałami i wymieniać z nimi materię... Politechniczny słownik objaśniający terminologię
UKŁAD TERMODYNAMICZNY- zestaw fizyczny ciała, które mogą wymieniać energię i materię między sobą oraz z innymi ciałami (środowisko zewnętrzne). T. s. to dowolny system składający się z bardzo dużej liczby cząsteczek, atomów, elektronów i innych cząstek, które mają wiele ... ... Wielka encyklopedia politechniczna
układ termodynamiczny- Ciało (zbiór ciał) zdolne do wymiany energii i (lub) materii z innymi ciałami (między sobą). [Zbiór zalecanych terminów. Wydanie 103. Termodynamika. Akademia Nauk ZSRR. Komitet Terminologii Naukowo-Technicznej. 1984 ... Podręcznik tłumacza technicznego
układ termodynamiczny- - dowolnie wybrana część przestrzeni zawierająca jedną lub więcej substancji i oddzielona od środowiska zewnętrznego powłoką rzeczywistą lub warunkową. Chemia ogólna: podręcznik / A. V. Zholnin ... Terminy chemiczne
układ termodynamiczny- ciało makroskopowe oddzielone od otoczenia rzeczywistymi lub urojonymi granicami, które można scharakteryzować za pomocą parametrów termodynamicznych: objętości, temperatury, ciśnienia itp. Są izolowane, ... ... Słownik encyklopedyczny metalurgii
Ciało makroskopowe odizolowane od otoczenia za pomocą przegród lub skorup (mogą być również mentalne, warunkowe), które można scharakteryzować za pomocą parametrów makroskopowych: objętości, temperatury, ciśnienia itp. Dla ... ... słownik encyklopedyczny
Termodynamika ... Wikipedia
układ termodynamiczny- termodinaminė sistema statusas T sritis chemija apibrėžtis Kūnas (kūnų visuma), kurį nuo aplinkos skiria reali ar įsivaizduojama riba. atitikmenys: ang. układ termodynamiczny ros. układ termodynamiczny... Chemijos terminų aiskinamasis žodynas
układ termodynamiczny- termodinaminė sistema statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. układ termodynamiczny pok. system termodynamiczny, n rus. układ termodynamiczny, f pranc. system termodynamiczny, m … Fizikos terminų žodynas
Rozważ cechy układów termodynamicznych. Są one zwykle rozumiane jako fizyczne formy makroskopowe, składające się ze znacznej liczby cząstek, które nie oznaczają użycia każdej pojedynczej cząstki do opisu wskaźników makroskopowych.
Nie ma ograniczeń co do natury cząstek materiału, które są składnikami składowymi takich systemów. Można je przedstawić jako cząsteczki, atomy, jony, elektrony, fotony.
Osobliwości
Przeanalizujmy charakterystyczne cechy układów termodynamicznych. Przykładem jest dowolny obiekt, który można obserwować bez użycia teleskopów, mikroskopów. Aby dać pełny opis takiego układu, wybiera się szczegóły makroskopowe, dzięki którym można określić objętość, ciśnienie, temperaturę, polaryzację elektryczną, indukcję magnetyczną, skład chemiczny, masę składników.
W przypadku dowolnych układów termodynamicznych istnieją warunkowe lub rzeczywiste granice, które oddzielają je od otoczenia. Zamiast tego często stosuje się pojęcie termostatu, który charakteryzuje się tak dużą pojemnością cieplną, że w przypadku wymiany ciepła z analizowanym układem wskaźnik temperatury pozostaje niezmieniony.
Klasyfikacja systemu
Zastanów się, jaka jest klasyfikacja układów termodynamicznych. W zależności od charakteru jego interakcji ze środowiskiem zwyczajowo wyróżnia się:
- izolowane gatunki, które nie wymieniają ani materii, ani energii ze środowiskiem;
- izolowane adiabatycznie, nie wymieniające materii ze środowiskiem zewnętrznym, ale wchodzące w wymianę pracy lub energii;
- zamknięte układy termodynamiczne nie mają wymiany materii, dozwolona jest jedynie zmiana wielkości energii;
- systemy otwarte charakteryzują się całkowitym transferem energii, materii;
- częściowo otwarte mogą mieć przegrody półprzepuszczalne, więc nie w pełni uczestniczą w wymianie materiałowej.
W zależności od opisu parametry układu termodynamicznego można podzielić na złożone i proste.
Cechy prostych systemów
Proste układy nazywane są stanami równowagi, których stan fizyczny można określić za pomocą określonej objętości, temperatury, ciśnienia. Przykładami układów termodynamicznych tego typu są ciała izotropowe, które mają jednakowe właściwości w różnych kierunkach i punktach. Tak więc na ciecze, substancje gazowe, ciała stałe, które znajdują się w stanie równowagi termodynamicznej, nie mają wpływu siły elektromagnetyczne i grawitacyjne, napięcie powierzchniowe, przemiany chemiczne. Analiza ciał prostych jest uznawana w termodynamice za ważną i istotną z praktycznego i teoretycznego punktu widzenia.
Energia wewnętrzna takiego układu termodynamicznego jest związana z otaczającym światem. Przy opisie stosuje się liczbę cząstek, masę substancji każdego pojedynczego składnika.
Złożone systemy
Układy złożone obejmują układy termodynamiczne, które nie należą do typów prostych. Na przykład są to magnesy, dielektryki, ciała stałe sprężyste, nadprzewodniki, interfejsy fazowe, promieniowanie cieplne, układy elektrochemiczne. Jako parametry służące do ich opisu odnotowujemy sprężystość sprężyny lub pręta, powierzchnię rozdziału faz oraz promieniowanie cieplne.
Układ fizyczny to taki zbiór, w którym nie ma interakcji chemicznych między substancjami w zakresie wybranych do badania wskaźników temperatury i ciśnienia. A systemy chemiczne to te opcje, które obejmują interakcję między poszczególnymi składnikami.
Energia wewnętrzna układu termodynamicznego zależy od jego izolacji od świata zewnętrznego. Na przykład jako wariant powłoki adiabatycznej można sobie wyobrazić naczynie Dewara. Homogeniczny charakter przejawia się w układzie, w którym wszystkie składniki mają podobne właściwości. Ich przykładami są roztwory gazowe, stałe, ciekłe. Typowym przykładem jednorodnej fazy gazowej jest atmosfera ziemska.
Cechy termodynamiki
Ta dziedzina nauki zajmuje się badaniem podstawowych praw procesów, które są związane z uwalnianiem, pochłanianiem energii. W termodynamice chemicznej ma ona na celu badanie wzajemnych przemian części składowych układu, ustalenie praw rządzących przejściem jednego rodzaju energii w inny w danych warunkach (ciśnienie, temperatura, objętość).
System, który jest przedmiotem badań termodynamicznych, można przedstawić jako dowolny obiekt natury, który obejmuje dużą liczbę cząsteczek, które są oddzielone interfejsem od innych rzeczywistych obiektów. Pod stanem układu rozumie się całość jego właściwości, które umożliwiają jego określenie z punktu widzenia termodynamiki.
Wniosek
W każdym systemie następuje przejście jednego rodzaju energii na inny, ustala się równowaga termodynamiczna. Szczególne znaczenie ma dział fizyki, który zajmuje się szczegółowym badaniem przemian, zmian i zachowania energii. Na przykład w kinetyce chemicznej można nie tylko opisać stan układu, ale także obliczyć warunki, które ułatwiają jego przesunięcie w pożądanym kierunku.
Prawo Hessa, odnoszące się do entalpii, entropii rozważanej przemiany, pozwala zidentyfikować możliwość spontanicznej reakcji, obliczyć ilość ciepła oddanego (pochłoniętego) przez układ termodynamiczny.
Termochemia, oparta na podstawach termodynamiki, ma znaczenie praktyczne. Dzięki temu działowi chemii w produkcji przeprowadzane są wstępne obliczenia efektywności paliwowej oraz możliwości wprowadzenia określonych technologii do rzeczywistej produkcji. Informacje uzyskane z termodynamiki umożliwiają zastosowanie zjawisk sprężystości, termoelektryczności, lepkości i magnetyzacji do przemysłowej produkcji różnych materiałów.
Układ termodynamiczny- zespół makroskopowych ciał, które mogą oddziaływać ze sobą oraz z innymi ciałami (środowiskiem zewnętrznym) - wymieniać z nimi energię i materię. Wymiana energii i materii może zachodzić zarówno w samym systemie pomiędzy jego częściami, jak i pomiędzy systemem a środowiskiem zewnętrznym. W zależności od możliwych sposobów odizolowania układu od środowiska zewnętrznego wyróżnia się kilka typów układów termodynamicznych.
otwarty system zwany układem termodynamicznym, który może wymieniać materię i energię z otoczeniem. Typowymi przykładami takich układów są wszelkie organizmy żywe, a także ciecz, której masa stale się zmniejsza w wyniku parowania lub wrzenia.
Układ termodynamiczny zwany Zamknięte jeśli nie może wymieniać ani energii, ani materii z otoczeniem. Zamknięte układ będziemy nazywać układem termodynamicznym izolowanym mechanicznie, tj. niezdolny do wymiany energii z otoczeniem poprzez wykonywanie pracy. Przykładem takiego układu jest gaz zamknięty w naczyniu o stałej objętości. Nazywa się układ termodynamiczny adiabatyczny jeżeli nie może wymieniać energii z innymi systemami poprzez wymianę ciepła.
Parametry termodynamiczne (parametry stanu) zwane wielkościami fizycznymi, które służą do scharakteryzowania stanu układu termodynamicznego.
Przykładami parametrów termodynamicznych są ciśnienie, objętość, temperatura, stężenie. Istnieją dwa rodzaje parametrów termodynamicznych: rozległy oraz intensywny. Te pierwsze są proporcjonalne do ilości materii w danym układzie termodynamicznym, te drugie nie zależą od ilości materii w układzie. Najprostszym rozbudowanym parametrem jest głośność V systemy. wartość w, równa stosunkowi objętości układu do jego masy, nazywana jest objętością właściwą układu. Najprostszymi parametrami intensywnymi są ciśnienie R i temperatura T.
Ciśnienie jest wielkością fizyczną
gdzie dFn jest modułem siły normalnej działającej na mały obszar powierzchni ciała
zapasowy dS.
Jeśli ciśnienie i objętość właściwa mają jasne i proste znaczenie fizyczne, to pojęcie temperatury jest znacznie bardziej złożone i mniej oczywiste. Przede wszystkim zauważamy, że pojęcie temperatury, ściśle mówiąc, ma sens tylko dla stanów równowagi układu.
Stan równowagi układu termodynamicznego- stan systemu, w którym wszystkie parametry mają określone wartości i w którym system może przebywać tak długo, jak sobie tego życzy. Temperatura we wszystkich częściach układu termodynamicznego w równowadze jest taka sama.
Podczas wymiany ciepła między dwoma ciałami o różnych temperaturach ciepło jest przekazywane z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Proces ten zatrzymuje się, gdy temperatury obu ciał się wyrównają.
Temperatura układu w równowadze służy jako miara intensywności ruchu termicznego atomów, cząsteczek i innych cząstek tworzących układ. W układzie cząstek opisanym prawami klasycznej fizyki statystycznej iw równowadze średnia energia kinetyczna ruchu termicznego cząstek jest wprost proporcjonalna do temperatury termodynamicznej układu. Dlatego czasami mówi się, że temperatura charakteryzuje stopień nagrzania ciała.
Podczas pomiaru temperatury, który można wykonać tylko pośrednio, wykorzystuje się zależność od temperatury szeregu właściwości fizycznych ciała, które można zmierzyć bezpośrednio lub pośrednio. Na przykład, gdy zmienia się temperatura ciała, zmienia się jego długość i objętość, gęstość, właściwości sprężyste, opór elektryczny itp. Zmiana którejkolwiek z tych właściwości jest podstawą do pomiarów temperatury. W tym celu konieczne jest, aby dla jednego (wybranego) ciała, zwanego ciałem termometrycznym, znana była funkcjonalna zależność tej właściwości od temperatury. Do praktycznych pomiarów temperatury stosuje się skale temperatury, ustalone za pomocą ciał termometrycznych. W Międzynarodowej Skali Temperatury w Celsjuszach temperaturę wyraża się w stopniach Celsjusza (°C) [A. Celsjusza (1701-1744) - szwedzki naukowiec] i jest oznaczony t i zakłada się, że przy normalnym ciśnieniu 1,01325 × 10 5 Pa temperatura topnienia lodu i temperatura wrzenia wody wynoszą odpowiednio 0 i 100 °C. W termodynamicznej skali temperatur temperaturę wyraża się w kelwinach (K) [W. Thomson, Lord Kelvin (1821-1907) - angielski fizyk], oznaczony T i nazywa się temperaturą termodynamiczną. Związek między temperaturą termodynamiczną T a temperatura w skali Celsjusza ma postać T = t + 273,15.
Temperatura T= 0 K (w skali Celsjusza t\u003d -273,15 ° С) nazywa się zero absolutne temperatura lub zero na termodynamicznej skali temperatur.
Parametry stanu systemu dzielą się na zewnętrzne i wewnętrzne. Parametry zewnętrzne układy nazywane są wielkościami fizycznymi, które zależą od położenia w przestrzeni i różnych właściwości (na przykład ładunków elektrycznych) ciał znajdujących się na zewnątrz danego układu. Na przykład dla gazu tym parametrem jest objętość V naczynie,
w którym znajduje się gaz, ponieważ objętość zależy od położenia ciał zewnętrznych - ścian naczynia. Ciśnienie atmosferyczne jest zewnętrznym parametrem cieczy w otwartym naczyniu. Parametry wewnętrzne układy nazywane są wielkościami fizycznymi, które zależą zarówno od położenia ciał zewnętrznych względem układu, jak i od współrzędnych i prędkości cząstek tworzących ten układ. Na przykład wewnętrznymi parametrami gazu są jego ciśnienie i energia, które zależą od współrzędnych i prędkości poruszających się cząsteczek oraz od gęstości gazu.
Pod proces termodynamiczny zrozumieć każdą zmianę stanu rozważanego układu termodynamicznego, charakteryzującą się zmianą jego parametrów termodynamicznych. Nazywa się proces termodynamiczny równowaga, jeśli w tym procesie układ przechodzi przez ciągłą serię nieskończenie bliskich stanów równowagi termodynamicznej. Rzeczywiste procesy zmiany stanu układu zawsze zachodzą ze skończoną szybkością i dlatego nie mogą być w równowadze. Oczywiste jest jednak, że rzeczywisty proces zmiany stanu układu będzie przebiegał im bliżej stanu równowagi, tym wolniej będzie przebiegał, dlatego takie procesy nazywane są quasi-statyczny.
Następujące procesy mogą służyć jako przykłady najprostszych procesów termodynamicznych:
a) proces izotermiczny, w którym temperatura układu się nie zmienia ( T= stała);
b) proces izochoryczny zachodzący przy stałej objętości układu ( V= stała);
c) proces izobaryczny zachodzący przy stałym ciśnieniu w układzie ( p= stała);
d) proces adiabatyczny, który zachodzi bez wymiany ciepła między układem a otoczeniem.
