Радушкевич Л.В. Курс термодинамики (1185140), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

КВАЗИСТАТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Данная система может обладать разными равновесными состояниями. Например, в описанных выше опытах с водой в первом случае равновесная температура воды была 20'С, тогда как при выдерживании в термостате равновесная температура стала 5'С. Заметим еще,что различиев состоянии воды в первом и втором опытах выражается в различии ее объемов или плотностей. Следовательно, вообще каждое данное равновесное состояние должно характеризоваться некоторымн определенными величинами, постоянными для системы при заданном равновесии. Эти характеристики равновесного состояния системы называются термодинамическими параметр ам и состояния, причем вполне определенными для данного равновесного состояния.

К этим параметрам относится температура тела (системы), являющаяся важнейшей характеристикой равновесия, а также объем, плотность, давление, концентрация н т. п. В нашем примере с водой параметрами состояния являлись температура и объем (плотность). Рассматривая другие термодинамические системы, мы встречаемся с необходимостью введения 12 Гл а в а 1.

Общие яаиягия и ояределеяия еще .других параметров состояния. Например, изучая равновесие систем в электрическом или магнитном поле, вводят в качестве параметров состояния такие, например, как поляризация, намагничивание и т. п. Необходимо отметить, что введенные здесь параметры состояния являются макроскопическими характеристиками состояния системы.

Они всегда относятся к системе в целом, так как подразумевается термодинамическое равновесие системы. При отсутствии равновесия указанные параметры часто становятся неопределенными. Так, например, в рассмотренном опыте с охлаждением воды, пока равновесие еще не установилось, температура не является параметром состояния, так как она различна в разных слоях. Казалось бы, можно принять среднюю температуру, но это было бы неправильным, так как средняя температура в этом опыте падает с течением времени. Следовательно, температура только в состоянии термодннамического равновесия является определенным параметром состояния. Тб же можно отметить и для других параметров, как давление, объем н т. п, Так, например, в быстрых процессах сжатия или расширения газа в нем распространяются волны сжатия и расширения, и, следовательно, давление газа в разных частях будет различным, вследствие чего в этих процессах давление газа не является термодинамическим параметром состояния всей системы.

Только при очень медленном сжатии или расширении можно пренебречь разницей давления в отдельных слоях, и оно может быть принято как параметр состояния. Термодинамическое равновесие может быть определено, если известны параметры состояния, однако вопрос о числе необходимых и достаточных параметров для полной характеристики равновесия является сложным и будет рассмотрен в главе 6. Заметим, что ддя самых простых, однородных систем достаточно знания трех параметров состояния. Введение небольшого числа параметров является выгодным потому, что позволяет геометрически изображать равновесное состояние на так называемых диаграммах рзвнойесия. Для самых простых систем, для которых параметрами состояния являются объем е', давление р и температура Т, соЧтояннв определяется одной точкой на трехмерной диаграмме 7 — Р— Т.

Можно еще упростить геометрическое изображение, если сосуояийе отмечать в плоскости двух параметров, например, р, 'е', подразумевая при этом значение третьего параметра Т в данной точке плоскости. Тогда получается диаграмма (рис, !), где одно состояние показано точкой 1 с параметрами рь 'йь Ть а другое — с параметрами р,, 1'я, ТВ Введение термодинамических параметров не исключает молекулярно-кинетического описания макросистем, но при этом Э' 5. Параметры состояния.

Квазистатинесяие яроцессы 13 состояние их должно будет определяться пространственными координатами и скоростями всех молекул системы, и поэтому число параметров состояния будет колоссально велико. Такой подход к описанию состояния дается в статистической термодинамике, тогда как в обычной феноменологической термодинамике вводятся такие макропараметры, как температура, давление и т, д., которые отражают собой некоторое усреднение состояния сложной молекулярной системы.

Некоторую аналогию мы встречаем в механике, когда, отвлекаясь от движения отдельных частей тела, рассматривают движение и координаты только центра тяжести или центра масс системы. Термодинамические параметры выбирают таким путем, чтобы нх можно было определить опытным путем. Описывая состояние какой-либо термодинамической системы, мы всегда должны иметь в виду ее «окружение», т. е.те внешние тела, которые граничат с выделенной системой и потому их состояние связано с данной системой. Это приводит к необходимости во многих случаях разделять параметры на в н е ш н и е и в н у т р е н н и е. Первые относятся к окружению, а вторые к выделенной системе.

Примером внешних параметров является объем. Температура, давление и концентрация представляют собой внутренние параметры, поскольку они зависят от внутренних свойств системы, т. е. от движения молекул, числа их в единице объема и т. п. Определенность параметров состоя- Р ния необходима не только для характе- р ристики данного состояния, но главное, -----1 т~ для описания процессов. П р о ц е с с о м у называют изменение параметров состояния.

Однако так как параметры состоя- т ния в каждом данном состоянии должны т Р быть (как сказано выше) совершенно ОПрЕдЕЛЕННЫМИ, тО, ОЧЕВИДНО, МЫ дОЛжНЫ Р "т 1тг иметь в виду не любые процессы, а только такие, когда каждое изменение состояния протекает без'изменения термодн- 4 намцческого равновесия. Отсюда следует, что из всех процессов мы выделяем р только «почти равновесные», т.

е. такие, С П когда из данного состояния в новое система переходит столь медленно, что новое состояние тоже является равновесным. Такие равновесные (или почти равновесные) медленные процессы называются статическими или квазистатическими. Изучение таких процессов оправ- Рис. 1. !4 Г л а в а Е Общие понятия и определения дывает само название термостатики как ветви термодинамики. Именно поэтому время не входит в уравнения термостатики. На диаграмме состояния (рис.!) квазистатические процессы изображаются линией, например АВ, где показан непрерывный процесс с началом в точке А и с концом в точке В.

Линия состоит из непрерывного чередования бесконечно мало отличающихся друг от друга равновесных процессов. Важное значение в термостатике имеют круговые процессы, или циклы, которые на диаграмме имеют вид замкнутой линии, например СЭЕЕ на рис. 1. Известно, что циклические процессы характерны для работы машин. $ Е. ФУНКЦИЯ СОСТОЯНИЯ. ТЕРМИЧЕСКИЕ И КАЛОРИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ Свойства системы в данном равновесном состоянии характеризуются не только непосредственно задаваемыми параметрами состояния, но эти параметры являются функциями других параметров. Так, например, объем газа является функцией давления и температуры. Кроме того, во многих задачах нас интересуют такие свойства системы, как внутренняя энергия, энтропия и т.

д. Эти величины тоже являются функциями параметров состояния, и их мы будем называть ф у н к ц и я м н со с то я ни я. Следовательно, функцией состояния называется величина, зависящая от параметров состояния: она определена, если даны эти параметры. Очевидно, функция состояния сама может рассматриваться как параметр состояния, так как, если вид функции известен, соответствующее уравнение можно разрешить относительно одного из параметров и выразить его через остальные переменные, в том числе и через функцию состояния.

Чтобы не усложнять геометрического изображения процессов, по осям на диаграмме состояний (плоскости) откладывают параметры состояния, а в каждой точке значение функции состояния просто отмечают, подразумевая, что она известна. Поэтому иногда функцию состоянияназываютфункц и е й т о ч к и. Если независимые координаты (параметры состояния) известны, то величинй функции состояния может быть определена. Уравнение, связывающее независимые внешние и внутренние параметры состояния, называется у р а в н е н и е м состояния или термическим уравнением с остоян и я. Очевидно, в зависимости от выбора параметров состояния и от рода системы можно составить несколько таких уравнений. В простейшем случае однородных систем уравнение состояния связывает параметры р, (т и Т и в неявном виде может быть написано как соотношение Е(р, У, т)=О. (1,1) б б, Функция состояния.

Характеристики

Список файлов книги