Путилов К.А. Термодинамика (Путилов К.А. Термодинамика.djvu), страница 6

д. Если тело представляет смесь (именно смесь, а"не химическое соединение) нескольких веществ, то,— как бы тонка эта смесь ни была, будь то даже раствор или сплав,— мы говорим, что это тело химически неоднородно. Так, воздух химически неоднороден, так как представляет собой смесь кислорода с азотом, аргоном и другими газами. Раствор какой-либо соли в воде, ° латунь, бронза химически неоднородны. Очищенная вода, не содержащая воздуха, химически однородна, так как хотя она и состоит из водорода и кислорода, но здесь они находятся в химическом соединении, а не в смеси.

!8 Понятию о химическом соединении химия противопоставляет понятие о простом веществе и, далее, об элементе. Для термодинамики, однако, это разграничение веществ на химически сложные и простые несущественно. В термодинамике соединения и элементы фигурируют как вещества равноправные. Пока мы находимся в области термодинамики, об этом разграничении мы можем забыть.

Здесь соединения и элементы, если они чисты, беэ примеси, мы называем одним именем химически однородных тел. Если же они не чисты, т. е. взяты в виде смеси, раствора, сплава или просто содержат примеси в количестве, способном влиять на их физические свойства, мы выделяем их тогда в особый класс — химически неоднородных тел. Для целей термодинамики разграничение тел на химически однородные и неоднородные необходимо потому, что в химически неоднородных телах (и только в них) возможен особый и важный вид физической неоднородности — неоднородность состава. Говорят, что химически неоднородное тело имеет однородный состав, если во всех его участках разные вещества, из смеси которых оно слагается, содержатся в одинаковой пропорции.

Если же имеются такие участки тела, где вещества, входящие в смесь, содержатся в различных пропорциях, говорят, что состав тела неоднороден. Например, серый чугун существенно отличается от белого тем, что состав серого чугуна неоднороден: большая часть углерода находится в нем в виде листочков графита.

Все признаки, характеризующие тело и имеющие объективную меру, как-то: плотность, упругость, степень нагретости, степень наэлектризованности, степень намагниченности, процентное соотношение между количествами разных веществ, из которых слагается тело, и т. д.,— назьвают термодинамическиии параметрами состояния тела. Когда изменяется хотя бы один из признаков, хотя бы даже только в одном, небольшом, участке тела, говорят, что состояние тела меняется.

Таким образом, под словами термодинамическое состояние тела подразумевают совокупность в с е х признаков (параметров), характеризующих в с е, чем-либо различающиеся друг от друга участки тела. Состояние тела может быть изменено нагреванием, охлаждением, сжатием. изменением формы (если тело сопротивляется изменению формы), воздействием электрических и магнитных сил и т. д. Термодинамическое состояние железного прута изменяется, если закалить его, или согнуть, растянуть, или намагнитить, или просто опустить один его конец в,холодную воду. Установив надлежащие условия относительно выбора единиц и способов измерения параметров, мы приобретаем возможность описывать состояние тела указанием численных значений параметров, причем чтобы состояние тела было вполне определено, надо указать численное значение всех параметров для всех участков тела.

Физически однородное тело или совокупность нескольких тождественных по составу тел, находящихся в тождественных равновесных состояниях, в термодинамике кратко обозначается словом фаза. При этом предполагается, что каждое из тел однородно в отношении всех параметров своего состояния (плотность, упругость, температура и т. д.). Мы, следовательно, называем тело фазой, если уверены, что, разделив тело любым способом на произвольное число частей (не чрезмерно малых), обнаружим тождественность состояния всех частей. Возьмем воду, в которой плавает кусок льда. В данном случае мы имеем две фазы. Если в ней плавает несколько кусков льда, понятие «твердая фаза» следует относить ко всем кускам в совокупности.

Одно и то же вещество, например вода, может иметь несколько твердых фаз, отличающихся друг от друга кристаллической структурой. Известно семь модификаций льда. Охлаждая лед и увеличивая при этом давление до нескольких десятков тысяч атмосфер, можно последовательно получить каждую из этих модификаций. 1.3. Простейшие параметры: масса, объем, давление Основные физические и химические свойства тел не зависят от их размеров (если исключить из сопоставления чрезмерно малые крупицы вещества). Поэтому обычно общая масса тела для термодийамики несущественна. Представление об общей массе тела„являющееся основным для механики, в термодинамике уступает место представлению о плотности.

Плов»нос»лью, как известно, называют отношение массы тела к его объему, или, иными словами, массу, содержащуюся в единице объема. В термодинамике часто приходится иметь дело с изменением плотности тел как результатом сжатия, нагревания и т. д. При этом обычно масса изучаемого тела, согласно условиям опыта, остается неизменной и плотность изменяется только в связи с изменением объема тела. А так как плотность есть отношение массы тела к его объему, то изменение плотности вызывается в указанных случаях изменением знаменателя этого отношения. Поэтому удобнее рассматривать не плотность, а обратное ей отношение— отношение объема тела к массе.

Эта величина, измеряемая объемом, который занят единицей массы, называется, как известно, удельным объемом. Масса характеризует свойство инертности, которое проявляется при изменении состояния движения. Но в термодинамике чаще всего рассматриваются покоящиеся тела, поэтомуобычные, принятые механикой, единицы Массы (грамм, килограмм) оказываются для целей термодинамики менее удобны, чем химическая единицы массы — моль. Молем, или грамм- .молекулой, называют количество вещества, содержащее столько граммов, как велик его молекулярный вес.

Моль любого вещества содержит, как изместно, Ул = 6,0247.10" молекул (»число Авогадро»). В случае смеси нескольких веществ можно говорить лишь о среднем молекулярном весе — понятие, в сущности чуждое химии, но небесполезное для термодинамики. Средним молекулярным весом химически неоднородного вещества (смеси, раствора, сплава и т.

д.) называют молекулярный вес, который был бы присущ этому веществу, если бы оно было' химически однородно и состояло ~из молекул, имеющих массу такую же, какова средняя масса молекул, фак"хически содержащихся в смеси. Пусть 1 г смеси состоит из д, долей грамма некоторого первого вещества с молекулярным весом М„а» долей грамма второго вещества с молекулярным весом М, и т. д. Так как моль содержит А/л молекул, то 1 г первого веецества содержит Ул/М, молекул, а д, долей грамма содержат (д,/М,) й/л молекул; а» долей грамма второго вещества содержат (а»/М») /»'л молекул и т, д. Следовательно, в1 г заданной смеси находится Ж+ — *+...) А/л молекул.

Пусть М есть средний молекулярный вес смеси. В одном моле содержится »л молекул, значит, число молекул в 1 г смеси равно /»'л/М. Следовательно, или (1.1) .где д, + д» + ... = 1. Эта формула служит для вычисления среднего молекулярного веса, когда задан весовой состав смеси. Например, воздух по весу состоит (приближенно) из 76% азота, 23% кислорода и 1% аргона.

Молекулярный вес азота, округляя, примем равным 28 и аргоиа 40. Средний молекулярный вес воздуха находим по формуле Если бы средний молекулярный вес смеси являлся величиной среднеарифметической по отношению к молекулярным весам веществ, составляющих смесь (вычисляемую с учетом количественного участия этих веществ в составе смеси), то была бы справедлива формула М = АМ, + д,М, +... + 4„М„(неверная формула!).

В действительности, как мы видели, средний молекулярный вес химически неоднородного тела есть величина среднегармоническая по отношению к молекулярным весам составляющих веществ (конечно, вычисляемая с учетом их количественного участия в составе смеси): — = —, — +... + — (вериая формула). 1 д, чч , ч„ М1' Мв Объем, занятый одним молем вещества, называют его мольным объемом По закону Авогадро все идеальные газы независимо от их химической природы при равных температурах и равных давлениях имеют одинаковый мольный объем. При температуре 1 = 0' С и при нормальном атмосферном давлении объем моля любого идеального газа равен ое — — 22,41 л.

В термодинамике изучаются по преимуществу процессы в системах неподвижных тел. Силы, действующие на эти тела, должны уравновешиваться вокруг центра тяжести. Поэтому в термодинамике напряженность внешних сил измеряют давлением, которое силы производят на единицу поверхности тела. Но действие равно противодействию, и давление, оказываемое телом на сжимающую его оболочку, равно, а по знаку противоположно давлению, которое эта оболочка производит на тело. Принято буквой р обозначать давление, которое тело оказывает на оболочку; оно положительно, когда тело сжато и когда, следовательно, давление направлено наружу, и оно отрицательно, когда тело всесторонне растянуто. Чаще всего давление выражают в технических атмосферах или в физических атмосферах.