Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В., страница 4

Основными законами или началами термодинамики являются; ° первый закон, или закон сохранения энергии; ° второй закон, или закон рассеяния (обесценивания) энергии; ° третий закон, или закон о неисчерпаемости энергии (абсолютный нуль температуры недостижим). Наиболее широко распространенными рабочими методами термодинамики являются метод циклов и метод термодинамических потенциалов. 1.2. Термодинамическая система Объектом изучения термодинамики является термодинамическая система (ТС). Под термодинамической системой понимается выделенная из окружающего мира условной замкнутой поверхностью часть пространства вместе с находящимися в нем телами и полями.

Эти тела и поля могут взаимодействовать как между собой, так и с окружающей средой, в том числе трансформироваться (изменять размеры и свойства) и обмениваться как энергией, так и веществом. Под окружающей средой понимается все, что не включено в ТС. В системе могут присутствовать несколько тел, одно тело или его часть. Ограничивающую систему поверхность называют также границей ТС или ее контпропьной поверхностью. Примеры ТС вЂ” 1 мз воздуха, авиационный двигатель, космический носитель, живой организм, государство, земная цивилизация. В настоящее время именно вид ТС определяет деление термодинамики как науки на множество ее конкретных приложений: ° техническая термодинамика (изучает эффективность технических систем); 18 К2.

Термодинамическая система химическая термодинамика (изучает поведение ТС с уче- том химических реакций); статистическая термодинамика (изучает законы распре- деления параметров частиц и квазичастиц в термодина- мическом рабочем теле (ТРТ), с помощью которых рас- четным путем, без проведения экспериментов, получает все феноменологические параметры)„' биологическая термодинамика (изучает биологические процессы и явления); социальная термодинамика (изучает социальные и эко- номические ТС). одинамика как раздел теоретической физики под- разделяется на: классическую термодинамику, пренебрегающую про- странственными координатами и временем; Терм термостатику, т.

е. термодинамику, изучающую ста- тические ТС без учета времени, но с учетом координат; термокинетику, т, е. термодинамику, изучающую ТС с учетом времени и координат, но в бессиловом поле (движение по инерции, сверхтекучесть и сверхпроводи- мость); линейную неравновесную термодинамику, изучаю- щую ТС с учетом координат и времени, но вблизи равно- весия, когда термодинамические потоки зависят ли- нейно от тпермодинамических сил; нелинейную неравновесную термодинамику (наибо- лее общий случай термодинамики). Нередко и линейную, и нелинейную неравновесную термодинамику именуют общим термином термодинамика необратимых процессов.

В инженерной практике используется техническая термодинамика, которая год от года совершенствуется из-за усложнения ТС вЂ” инженерных объектов ее исследования. Материю, составляющую ТС, удобно разделить на вещество и поле. Под веществом понимается материя, обладающая массой покоя..Поле может быть электростатическим, магнитным„электромагнитным (излучение), гравитационным и внутриядерным. Глава 1. Основные понятия и определения Изолированная термодинамическая система никак не взаимодействует с окружающей средой, однако в такой системе отдельные части (подсистемы) могут взаимодействовать между собой. Неизояированная термодинамическая систпема взаимодействует с окружающей средой, причем число возможных взаимодействий (механическое, тепловое, электростатическое и др.) определяет число степеней свободы ТС. Термодинамическая система называется закрытой, если она не может обмениваться веществом с другими системами.

Термодинамическая система может быть закрытой, но масса отдельных ее частей может изменяться (например, при фазовом переходе жидкость — пар), поэтому такие системы получили название неоднородных. Термодинамические системы, которые могут обмениваться веществом с другими системами, называются открытыми. Неравновесное состояние термодинамической системы характеризуется наличием в ней или в объеме ТРТ потоков экстенсивных величин (теплоты, электричества, массы жидкости и т.

д.), вызванных термодинамическими силами — градиентами соответствующих интенсивных параметров (температуры, электрического потенциала, давления, концентрации и т. д.). При этом ТС определяется пространственно-временным полем значений каждого термодинамического параметра. Изотронной (еомоеенной) термодинамической системой называется система, у которой свойства по всем направлениям одинаковы. Такие ТС используются для термодинамического анализа химических реакций и явлений релаксации (возбуждение, внутреннее превращение и т. д.), которые протекают медленно и не нарушают гомогенности ТРТ. Основным параметром анализа служит время, а работа процесса зависит только от объема системы.

Массообмен такой термодинамической системы с внешней средой допустим, т. е. ТС может быть неизолированной. В гомогенных системах отсутствуют электризация, намагниченность и диссипативные эффекты, так как нет градиентов и потоков, хотя концентрация, температура и давление с течением времени могут изотропно изменяться.

20 ! .2. Термодинамическая система Гетерозенной (неоднородной ияи прерывной) термодинамической системой называется сис- тема, состоящая из нескольких гомо- генных ТС. В неравновесной термодинамике больпше распространение Рис. 1.1 получила модель (рис. 1.1), состоящая из двух 1, 3 гомогенных ТС (термодинамическая пара), разделенных мембраной, поверхностью раздела фаз или в общем случае — перегородкой, которая позволяет осуществлять между этими ТС тот или иной вид термодинамического взаимодействия 3. Протяженностью и объемом соединительной Фазы 3, например капилляром в разделительной мембране, часто пренебрегают. Различают, как правило, четыре класса неоднородных термодинамических систем: ТС жидкость— пар, ТС жидкость — жидкость с неоднородными свойствами, ТС вентильного типа первого рода, когда два вещества одинакового агрегатного состоянтия разделены проницаемой перегородкой (вентилем) и ТС вентильного типа второго рода.

Она отличается от предыдущей ТС тем, что перегородка (вентиль) полупроницаема, т. е. может пропускать лишь частицы с определенными свойствами и задерживать остальные. Стационарное состояние термодинамической системы возникает тогда, когда определяющие ее свойства термодинамические параметры не зависят от времени. Стационаряое состояние может быть как равновесным, так и неравновесным. Термодинамическое равновесие — состояние термодинамической системы или термодинамического рабочего тела, при котором никакие термодинамические процессы в них невозможны, в том числе и процессы переноса, поскольку термодинамические воздействия на ТС или ТРТ уравновешены. Термодинамическое равновесие — это наиболее вероятное состояние термодинамической системы, устойчивое по отношению к возмущениям (принцип Ле Шателье — Брауна).

Равновесие ТС может быть частичным, например в случае механического равновесия, когда ускорения частей ТС равны нулю. Однако если в термодинамической системе происходит хотя был один необратимый процесс, например имеются тепловые потоки, то такая ТС равновесной названа быть не может. 21 Глава Ь Основные поня1ия и определения | Термодинамическое равновесие — фундаментальное понятие классической термодинамики, позволяющее изучать обратимые термодинамические процессы.

Противоположное понятие — термодинамическое неравновесие — основа для изучения необратимых процессов или процессов, идущих с рассеянием энергии, а для изолированных (замкнутых) ТС вЂ” с выравниванием физико-химических свойств и параметров состояния. Но если равновесие и обратимость в смысле термодинамической идеализации (квазиравновесие) могут считаться синонимами, то неравновесие и необратимость — понятия более сложные и с точки зрения термодинамической идеализации не эквивалентны. При этом понятие неравновесности, как это ни парадоксально, шире понятия необратимости, поскольку известны потоки, признаки необратимости для которых пренебрежимо малы (потоки фотонов в вакууме, сверхтекучесть гелия, сверхпроводимость и т.

д.). Термодинамическое мвазиравновесие — плавное, бесконечно медленное протекание термодинамического процесса, вызванное бесконечно малыми вынуждающими силами и связанное с изменением хотя бы одного из термодинамических параметров состояния равномерно по всему объему ТРТ при отсутствии каких-либо процессов переноса в ТРТ, вызванных неоднородностью его свойств. Термодинамическая система — совокупность любых материальных тел и полей, находящихся в энергетическом взаимодействии и отделенных от окружающей (внешней) среды реальной или условной замкнутой контрольной поверхностью, называемой границей гермодннамической системы. При этом каждое материальное тело внутри термодинамической системы может иметь собственную контрольную поверхность.