1Thermod (Лекции в PDF)

Лекция 8(6,7)Исходные положения термодинамики I.Дополнительная литература: И.П. Базаров. Термодинамика.План:1. Термодинамическая система, состояние, процессы.2. Общее начало термодинамики.3. Нулевое начало термодинамики.4. Эмпирическая температура.5. Энергия системы.

Работа и теплота.6. Первое начало термодинамики. Закон сохранения и превращения энергии.7. Внутренняя энергия. Уравнение притока тепла для конечного объема.8. Вектор потока тепла. Дифференциальная форма уравнения притока тепла.1. Термодинамическая система, состояние, процесс.Определение 1. Всякий материальный объект, всякое тело, состоящее из большого числа частиц,называется макроскопической системой.Размеры макроскопических систем всегда значительно больше размеров атомов и молекул.Определение 2. Макроскопические признаки, характеризующие макроскопическую систему и ееотношение к окружающим телам, называются макроскопическими параметрами.Определение 2а).

Параметры, определяемые положением не входящих в нашу систему внешних тел,называются внешними параметрами ai . Например, объем системы, напряженность силового поляи т.д.Определение 2б). Параметры, определяемые совокупным движением и распределением в пространстве входящих в систему частиц, называются внутренними параметрами bj . Например, плотность,давление, энергия, поляризованность, намагниченность и др.Различие между внешними и внутренними параметрами зависит от того, где мы проводим границу между системой и внешними телами. Более того, какие параметры являются внешними, а какиевнутренними, зависит от задачи.Примеры.Сосуд с газом : p -внутренний параметр, а V - внешний.Поршень: V -внутренний параметр, а p - внешний.Определение 3. Совокупность независимых макроскопических параметров определяет состояниесистемы.Состояние системы характеризуется точкой в некотором пространстве возможных состояний.Будем обозначать его буквами А, В, С.Определение 4.

Величины, не зависящие от предыстории системы и полностью определяемые еесостоянием в данный момент (т.е. совокупностью независимых параметров) называются функциямисостояния.Мы изучаем закономерности различных форм движения (механического, теплового, электромагнитного и др.) соответствующих структурных видов материи.1Определение 6.

Общая мера этих форм движения при их превращении из одной в другую называется энергией.Определение 7. Состояние называется стационарным, если параметры системы с течениемвремени не изменяются.Определение 8. Если в системе все параметры постоянны во времени и нет никаких стационарныхпотоков энергии за счет действия каких- либо внешних источников, то такое состояние системыназывается термодинамически равновесным.Определение. 9 Термодинамическими системами обычно называют не всякие, а только те макроскопические системы, которые находятся в термодинамическом равновесии.

Термодинамическими параметрами называют те параметры, которые характеризуют систему в термодинамическомравновесии.Определение 10. Процесс это изменение состояния со временем. Процесс , начинающийся в состоянии A и заканчивающийся в состоянии B будем обозначать πAB .Определение 11. Циклическим процессом называется процесс, начинающийся и заканчивающийся в одном состоянии.2. Общее начало термодинамикиОпределение 12. Система, не обменивающаяся с внешними телами ни энергией, ни веществом, называется изолированной.Общее начало термодинамики постулирует, что изолированная макроскопическая (конечная)система с течением времени приходит в состояние термодинамического равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может.Являясь результатом обобщения опыта, это первое исходное положение термодинамики являетсяосновой всей термодинамики и определяет рамки ее применимости.Таким образом, если изолированная система выведена из состояния равновесия и предоставленасамой себе, то, согласно основному положению термодинамики, через некоторое время она снова придетв равновесное состояние.Определение 13.

Процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное называетсярелаксацией, а промежуток времени, в течении которого система возвращается в состояние равновесия, называется временем релаксации.Определение 14. Физически бесконечно медленным или равновесным изменением какого- либо параметра a называется такое его изменение со временем, когда скорость dadt значительно меньше средней скорости изменения этого параметра при релаксации. Так если при релаксации параметрa изменился на ∆a , а время релаксации равно τ , то при равновесных процессахda∆a≪dtτОпределение 15.

Процесс называется равновесным или квазистатическим, если все параметры системы изменяются физически бесконечно медленно, так что система все время находитсяв равновесных состояниях.Определение 16. Если изменение какого - либо параметра a происходит за время t, меньшее илиравное времени релаксации τ (t 6 τ ), так, что скорость изменения параметра больше или равна скоростиизменения этого параметра при релаксацииda∆a>,dtτто такой процесс называется неравновесным или нестатическим.Представление о равновесном процессе и все рассуждения, связанные с ним, оказываются возможными лишь на основе общего начала термодинамики о самонеразрушаемости равновесного состояния.Действительно, направление равновесного процесса будет вполне определено характером внешних воздействий только в том случае, если исключены спонтанные изменения термодинамического состояниясистемы.2Замечание.Изучение равновесных процессов важно потому, что как оказывается, при этих процессах ряд важных величин (работа, коэффициент полезного действия машин и др.) имеют предельные значения.Поэтому выводы, получаемые термодинамикой для равновесных процессов, играют в нейроль своего рода предельных теорем.Определение 17.

Процесс перехода системы из состояния A в состояние B назывется обратимым,если возвращение этой системы в исходное состояние можно осуществить без каких либо изменений вдругих телахОпределение 18. Процесс называется необратимым если обратный переход системы из B в состояние A нельзя осуществить без изменений в окружающих телах.Замечание (Л. И. Седов): Процесс, протекающий из состояния A в состояние B называется обратимым, если для каждого промежуточного состояния все уравнения для бесконечно малых значенийпараметров удовлетворяются при замене знаков этих приращений на обратные.

Таким образом, еслинекоторая последовательность состояний образует в пространстве состояний обратимый процесс, тоэту последовательность состояний система может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, причем соответствующие каждому элементу пути внешние притоки энергии δAe , δQe , δQ∗∗ впрямом и обратном процессе отличаются только знаками. Если процесс не обладает таким свойством,то он называется необратимым.Замечание (Л. И. Седов): Обычно рассматривают обратимые процессы, которые одновременно являются равновесными.

Понятия равновесных и обратимых процессов в общем случае различны. Однако бесконечно медленные равновесные процессы, для которых в конечных соотношениях междуопределяющими параметрами не только скорости, но и вообще направления изменения определяющих параметров несущественны ( не являются существенными аргументами) можно рассматриватькак обратимые.С другой стороны, примером необратимого процесса для системы в целом может служить явлениеустановившейся теплопередачи теплопроводностью в покоящейся среде; в этом случае состояния всехмалых частиц среды можно рассматривать как равновесные.Если действующие силы и взаимодействия в рассматриваемой макроскопической системе зависятсущественно от направления скорости изменения параметров состояния (например, процессы с участием силы трения), то соответствующие явления необратимы.Подчеркнем, что как обратимые, так и необратимые явления могут состоять из последовательностиряда неравновесных или равновесных состояний частиц вещества.Замечание.Строго говоря, все реальные процессы в макроскопических масштабах протекают с конечнымискоростями, направления их существенны, и поэтому они являются в действительности необратимыми,но практически многие процессы можно считать термодинамически обратимыми.Примеры необратимых процессов дают процессы с трением, процесс теплопередачи при конечнойразности температур, процесс расширения газа в пустоту и процесс диффузии.3.