Термодинамические параметры состояния системы

Термодинамические параметры состояния системы

Термодинамические параметры состояния системы

Определение термодинамической системы

Термодинамической системой называют совокупность макрообъектов (тел, полей), которые обмениваются энергией друг с другом и внешними (по отношению к системе) объектами.

Такую систему называют замкнутой (изолированной), если у нее нет ни какого обмена энергией с внешними телами. Если нет обмена только теплотой, то система адиабатический изолирована.

Систему называют закрытой, если нет массообмена у нее с внешней средой.

Определение термодинамических параметров

Величины, которые характеризуют состояние термодинамической системы, называют термодинамическими параметрами. Два состояния системы считают разными, если у этих состояний отличается хотя бы один из параметров.

Состояние системы называют стационарным, если параметры системы не изменяются во времени.

Стационарное состояние системы равновесно, если система находится в стационарном состоянии не благодаря какому-либо внешнему процессу.

Термодинамические параметры имеют связи между собой. Поэтому для однозначного определения состояния термодинамической системы достаточно ограниченного числа термодинамических параметров. Основными параметрами состояния термодинамической системы являются: давление, температура, удельный объем ($V_u$) (или молярный${(\ V}_{\mu })$).

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Определение давления

Давлением $(p)\ $называют физическую величину, равную:

\[p={\mathop{lim}_{\triangle S\to 0} \frac{\triangle F_n}{\triangle S}=\frac{dF_n}{dS},\ \left(1\right)\ }\]

где $F_n$ — проекция силы на нормаль к участку тела $\triangle S$, $\triangle S\ $- площадь тела. Единица измерения давления в системе СИ паскаль — $\frac{H}{м2}$=Па.

Определение удельного объема

Удельным объемом $V_u$ называют величину, обратную плотности $\rho :\ $

\[V_u=\frac{1}{\rho }\left(2\right).\]

Для однородного тела удельный объем:

\[V_u=\frac{V}{m}\left(3\right),\]

где m — масса тела.

Молярный объем $V_{\mu }$ равен:

\[V_{\mu }=\frac{V}{u }\left(4\right).\]

Определение температуры

Температурой (t, или T) называют физическую величину, характеризующую степень нагретости тела. Различают несколько видов температуры (в зависимости от используемой шкалы измерения). В состоянии термодинамического равновесия все тела системы (все части системы) имеют равные температуры.

В соответствии с правилом Гиббса состояние однородной (в физическом смысле) термодинамической системы полностью определяется двумя параметрами. Уравнение, которое связывает параметры термодинамической системы, называют уравнением состояния. Так, например, можно записать уравнение для внутренней энергии (в общем виде):

\[U=f\left(x_1,\ x_2,\dots ,\ x_n,\ T\right)\left(5\right),\]

такое уравнение состояния называют калористическим. В этом уравнении ${(x}_1,\ x_2,\dots ,\ x_n)-\ $внешние параметры системы, В термодинамике уравнения состояния принимаются известными и не выводятся.

Макроскопические термодинамические параметры, описывающие систему целиком, имеют смысл средних значений (за большой промежуток времени) каких-то функций, характеризующих динамическое состояние системы.

Кроме параметров термодинамические системы описывают с помощью функций состояния (иногда об этих физических величинах говорят как о параметрах состояния термодинамической системы).

Определение функций состояния

Функции состояния — это такие физические величины, изменение которых не зависит от вида (пути) перехода системы из состояния 1 в состояние 2.

Важнейшими функциями состояния в термодинамике являются: внутренняя энергия (U), энтальпия (H), энтропия (S).

Внутренняя энергия — функция состояния системы, определена, как:

\[U=W-\left(E_k+E{vnesh}_p\right)\left(6\right),\]

где $W$- полная энергия системы, $E_k$- кинетическая энергия макроскопического движения системы, $E{vnesh}_p$- потенциальная энергия системы, которая является результатом, действия на систему внешних сил.

Внутренняя энергия идеального газа часто выражается следующим образом:

\[U=\int\limitsT_0{\frac{i}{2}u RdT\left(7\right),}\]

где i — число степеней свободы молекулы, $u $ — количество молей вещества, R — газовая постоянная.

Энтальпия (теплосодержание) — функция состояния системы, определяется как:

\[H=U+pV\left(8\right).\]

Энтальпия идеального газа зависит только от T и пропорциональна m:

\[H=\int\limitsT_0{C_pdT}+H_0\left(9\right),\]

где $C_p$ — теплоемкость газа при изобарном процессе, $H_0=U_0$ — энтальпия при $T=0K$.

Энтропия — функция состояния системы. Дифференциал энтропии в обратимом процессе:

\[dS=\frac{\delta Q}{T}\left(10\right).\]

Термодинамические параметры можно разделить на экстенсивные, зависящие от массы системы (например, U, S, H) и интенсивные, соответственно, от массы не зависящие (например, T, $\rho \ $).

Пример 1

Задание: Найти изменение внутренней энергии идеального газа в процессе при постоянном давлении (p), если объем газа изменяется от$V_1\ до\ $ $V_2.$ Газ двухатомный (колебательные степени свободы не учитывать).

Решение:

Бесконечно малое приращение внутренней энергии идеального газа задано формулой:

\[dU=\frac{i}{2}u RdT\left(1.1\right).\]

Из уравнения Менделеева-Клайперона выразим температуру (T), помним, что давление постоянно:

\[pV=u RT\to T=\frac{pV}{u R}\to dT=\frac{pdV}{u R}\ \left(1.2\right).\]

Подставим (1.2) в (1.1), получим:

\[dU=\frac{i}{2}pdV\ \left(1.3\right).\]

Найдем изменение внутренней энергии газа:

\[\triangle U=\frac{i}{2}p\ \int\limits{V_2}_{V_1}{dV=\frac{i}{2}p\left(V_2-V_1\right)}\ \left(1.3\right),\]

где i =5 по условию задачи, так как газ двухатомный.

Ответ: Изменение внутренней энергии газа в заданном процессе: $\triangle U=\frac{i}{2}p\left(V_2-V_1\right).$

Пример 2

Задание: Азот массы 1 кг нагрели на 100 К при постоянном объеме. Найти количество теплоты, полученное газом в заданном процессе. Работу газа, изменение внутренней энергии.

Решение:

Сразу дадим ответ относительно работы газа. Так как процесс изохорный (изменения объема нет), то работа газа равна нулю.

Изменение внутренней энергии газа можно записать как:

\[\triangle U=\frac{i}{2}u R\triangle T\left(2.1\right),\]

где

\[u =\frac{m}{\mu }\left(2.2\right),\]

молярная масса азота находится с помощью таблицы Менделеева, она равна:

\[{\mu }_{N_2}=28\cdot {10}{-3}\frac{кг}{моль}\]

Все данные в задаче в системе СИ, молекула азота состоит из двух атомов, число степеней свободы равно 5, поэтому проведем расчет:

\[\triangle U=\frac{i}{2}\frac{m}{\mu }R\triangle T=\frac{5}{2}\cdot \frac{1}{28\cdot {10}{-3}}\cdot 8,31\cdot 100=7,42\cdot {10}4\left(Дж\right).\]

По первому началу термодинамики для изохорного процесса получаем:

\[\triangle Q=\triangle U\left(2.3\right).\]

Можем записать ответ.

Ответ: Изменение внутренней энергии в изохорном процессе при заданных условиях равно $7,42\cdot {10}4$Дж, работа газа равна нулю, количество теплоты подводимое к газ равно $7,42\cdot {10}4$Дж.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/termodinamika/termodinamicheskie_parametry_sostoyaniya_sistemy/

1.3. Параметры состояния. Термодинамические системы

Термодинамические параметры состояния системы

Совокупностьмакроскопических тел, которые привзаимодействии обмениваются энергиеймежду собой и окружающей средой, называюттермодинамической системой.

Взаимодействие вфизике – воздействие тел или частицдруг на друга, приводящее к изменениюсостояния их движения.

Физическиевеличины(например,давление,температураит. д.),характеризующиесостояние термодинамической системыв данный момент времени, называютпараметрами состояния, илитермодинамическими параметрами.

Число независимыхпараметров состояния равно числустепеней свободы термодинамическойсистемы. Различают параметры состоянияфизической системы экстенсивные,т. е. пропорциональные массе системы(объем, внутренняя энергия, свободнаяэнергия, энтропия, термодинамическиепотенциалы и другим видам энергий), иинтенсивные,независящие от массы(давление, температура и прочие).

Рассмотрим некоторыеиз них.

Давление–физическая величина, характеризующая интенсивностьсил, с которыми одно тело действуетнормально (перпендикулярно) на поверхностьдругого – внутренний параметр системы.

При равномерномраспределении силы по поверхностидавление находится по формуле

. (1.4)

ВСИ единицей измерения давления считаетсяпаскаль(Па), 1 Н/м2=1 Па.

Напрактике традиционно используютнекоторые внесистемные единицы. Например,1 бар = 105Па,1 ат = 9,81 104 Па(техническая атмосфера), 1мм рт. ст.= 1,33102Па, 1атм =1,033 ат =1,013105Па (нормальная атмосфера).

Дляизмерения давления используют манометры,барометры, вакуумметры, а также различныедатчики давления.

Температурафизическаявеличина, характеризующая состояниетермодинамического равновесия длявсех частей макроскопической системыи являющаяся мерой отклонения от этогоравновесия.

Температура –функция состояния системы, не зависитот предыстории термодинамическойсистемы (нулевое начало термодинамики).

Температуруневозможно измерить непосредственно.

Дляизмерения температуры используюттемпературные шкалы. Например, газоваяи термодинамическаятемпературная шкалы.

Термодинамическаятемпературная шкала основана на выводахвторого начала термодинамики.

Абсолютнаятемпература по термодинамическойтемпературной шкале обозначаетсясимволом Т, в СИ измеряетсявкельвинах(К).

Длятермодинамической температурной шкалы,как и для любой другой, необходимо задатьзначения двух фиксированных температур.

Например,Т = 0 К (абсолютный нуль температуры) и Т=273,15 К (точка плавления льда при нормальномдавлении). На рис. 1.1 приведены некоторые температурные шкалы. Введение Т = 0 Кявляется экстраполяцией и не требуетреализации абсолютного нуля.

Термодинамическая(абсолютная) температурная шкала (шкалаКельвина)имеет единицы температуры, совпадающиес единицами температуры для стоградуснойшкалы Цельсия, основанной на свойствахидеального газа изначениях t = 0 oC(точка плавления льда) и t =100 oC(точка кипения воды).

Соотношениемежду температурами по шкале Цельсияи шкале Кельвина записывают в виде: Т= t oC+ 273,15 oC.

Напрактике для измерения температурыиспользуют термометры, градуированныепо высокостабильным репернымточкам, таким, как тройная точка кислорода,водорода, аргона; точки кипения этих идругих газов (например, неона); точкизатвердевания чистых металлов и т. д.,температуры которых по термодинамическойтемпературной шкале найдены предельноточными измерениями.

Рис. 1.1

При температуреабсолютного нуля Т = 0 К, согласно выводамклассической физики, в телах полностьюпрекращается тепловое хаотическоедвижение.

Согласноквантовой теории, в области сверхнизкихтемператур действуют законы квантовоймеханики. При Т = 0 К в телах существуют нулевые колебаниямикрочастиц, энергию которых нельзяотнять никакими способами.

Состояниемакроскопической системы определяетсябольшим числом параметров, и установлениеравновесия по каждому из параметровпротекает по-разному.

Состояниетермодинамической системы, в котороеона самопроизвольно приходит черездостаточно большой промежуток времени,в условиях изоляции от окружающей среды, называют равновесным.

Состояниетермодинамической системы, в которомхотя бы один из параметров, характеризующихее состояние, изменяется, называютнеравновесным.

Всостоянии термодинамического равновесияпараметры системы не меняются с течениемвремени во всех ее точках и прекращаютсявсе необратимые процессы, связанные сдиссипацией энергии.

Определяющейвеличиной вещества (газообразного,жидкого, твердого) является соотношениемежду средней кинетической энергией исредней потенциальной энергией молекулэтого вещества, т. е.

. (1.5)

Длягазовой фазы (Т, Р) >1.

Еслитермодинамическую систему, находящуюсяв неравновесном состоянии, изолироватьот окружающей среды и предоставитьсамой себе, то она перейдет самопроизвольнов равновесное состояние.

Переходтермодинамической системы из одногосостояния в другое называюттермодинамическим процессом.

Процессперехода системы от неравновесногосостояния к равновесному называютрелаксацией.

Количественноймерой релаксации служит времярелаксации.

Например, приближениек состоянию равновесия кристаллическихструктур в земной коре длится геологическиеэпохи (миллионы и миллиарды лет).

Все релаксационныепроцессы являются неравновесными.

Примерамитермодинамических процессов являются:

  1. Изохорический процесс (V = const) – процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое при постоянном объеме – закон Шарля.

  2. Изобарическийпроцесс (Р = const) – процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое при постоянном давлении – закон Гей-Люссака.

  3. Изотермическийпроцесс (T = const) – процесс перехода термодина-мической системы из одного состояния в другое при постоянной температуре – закон Бойля – Мариотта.

  4. Адиабатическийпроцесс (Q = const) – процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое без теплообмена с окружающей средой – закон Пуассона.

Источник: https://studfile.net/preview/4313542/page:2/

Термодинамические системы. Термодинамические параметры и процессы

Термодинамические параметры состояния системы

Термодинамическая система – совокупность макроскопических тел, которые могут взаимо-действовать между собой и с другими телами (внешней средой) – обмениваться с ними энергией и веществом.

Обмен энергией и веществом может происходить как внутри самой системы между ее частями, так и между системой и внешней средой.

В зависимости от возможных способов изоляции системы от внешней среды различают несколько видов термодинамических систем.

Открытой системой называется термодинамическая система, которая может обмениваться веществом и энергией с внешней средой. Типичными примерами таких систем могут служить все живые организмы, а также жидкость, масса которой непрерывно уменьшается вследствие испарения или кипения.

Термодинамическая система называется закрытой, если она не может обмениваться с внешней средой ни энергией, ни веществом. Замкнутой системой будем называть термодина-мическую систему, изолированную в механическом отношении, т.е.

не способную к обмену энергией с внешней средой путем совершения работы. Примером такой системы может служить газ, заключенный в сосуд постоянного объема.

Термодинамическая система называется адиабатной, если она не может обмениваться с другими системами энергией путем теплообмена.

Термодинамическими параметрами (параметрами состояния) называются физические величины, служащие для характеристики состояния термодинамической системы.

Примерами термодинамических параметров являются давление, объем, температура, концентрация. Различают два типа термодинамических параметров: экстенсивные и интенсивные.

Первые пропорциональны количеству вещества в данной термодинамической системе, вторые не зависят от количества вещества в системе. Простейшим экстенсивным параметром является объем V системы.

Величину v, равную отношению объема системы к ее массе, называют удельным объе-мом системы. Простейшими интенсивными параметрами являются давление р и температура Т.

Давлением называется физическая величина

,

где dFn– модуль нормальной силы, действующей на малый участок поверхности тела пло-
щадью dS.

Если давление и удельный объем имеют ясный и простой физический смысл, то гораздо более сложным и менее наглядным является понятие температуры. Заметим прежде всего, что понятие температуры, строго говоря, имеет смысл только для равновесных состояний системы.

Равновесное состояние термодинамической системы – состояние системы, при котором все параметры имеют определенные значения и в котором система может оставаться сколько угодно долго. Температура во всех частях термодинамической системы, находящейся в равно-весном состоянии, одинакова.

При теплообмене между двумя телами с различной температурой происходит передача теплоты от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Этот процесс прекра-щается, когда температуры обоих тел выравниваются.

Температура системы, находящейся в равновесном состоянии, служит мерой интенсивности теплового движения атомов, молекул и других частиц, образующих систему.

В системе частиц, описываемых законами классической статистической физики и находящихся в равновесном состоянии, средняя кинетическая энергия теплового движения частиц прямо пропорциональна термодинамической температуре системы.

Поэтому иногда говорят, что температура характе-ризует степень нагретости тела.

При измерении температуры, которое можно производить только косвенным путем, исполь-зуется зависимость от температуры целого ряда физических свойств тела, поддающихся прямому или косвенному измерению. Например, при изменении температуры тела изменяются его длина и объем, плотность, упругие свойства, электрическое сопротивление и т.

д. Изменение любого из этих свойств является основой для измерений температуры. Для этого необходимо, чтобы для одного (выбранного) тела, называемого термометрическим телом, была известна функциональная зависимость данного свойства от температуры.

Для практических измерений температуры применяются температурные шкалы, установленные с помощью термометрических тел. В Международной стоградусной температурной шкале температура выражается в градусах Цельсия (°С) [А.

Цельсий (1701–1744) – шведский ученый] и обозначается t, причем принимается, что при нормальном давлении 1,01325 × 105 Па температуры плавления льда и кипения воды равны, соответственно, 0 и 100 °С. В термодинамической температурной шкале температура выражается в Кельвинах (К) [У.

Томсон, лорд Кельвин (1821–1907) – английский физик], обозначается Т и называется термодинамической температурой. Связь между термодинамической температурой Т и температурой по стоградусной шкале имеет вид T = t + 273,15.

Температура T = 0 К (по стоградусной шкале t = –273,15 °С) называется абсолютным нулем температуры, или нулем по термодинамической шкале температур.

Параметры состояния системы разделяются на внешние и внутренние. Внешними парамет-рами системы называются физические величины, зависящие от положения в пространстве и различных свойств (например электрических зарядов) тел, которые являются внешними по отношению к данной системе.

Например, для газа таким параметром является объем V сосуда,
в котором находится газ, ибо объем зависит от расположения внешних тел – стенок сосуда. Атмосферное давление является внешним параметром для жидкости в открытом сосуде.

Внутренними параметрами системы называются физические величины, зависящие как от положения внешних по отношению к системе тел, так и от координат и скоростей частиц, образующих данную систему.

Например, внутренними параметрами газа являются его давление и энергия, которые зависят от координат и скоростей движущихся молекул и от плотности газа.

Под термодинамическим процессом понимают всякое изменение состояния рассматривае-мой термодинамической системы, характеризующееся изменением ее термодинамических параметров.

Термодинамический процесс называется равновесным, если в этом процессе система проходит непрерывный ряд бесконечно близких термодинамически равновесных состояний. Реальные процессы изменения состояния системы всегда происходят с конечной скоростью и поэтому не могут быть равновесными.

Очевидно, однако, что реальный процесс изменения состояния системы будет тем ближе к равновесному, чем медленнее он совершается, поэтому такие процессы называют квазистатическими.

Примерами простейших термодинамических процессов могут служить следующие процессы:

а) изотермический процесс, при котором температура системы не изменяется (T = const);

б) изохорный процесс, происходящий при постоянном объеме системы (V = const);

в) изобарный процесс, происходящий при постоянном давлении в системе (p = const);

г) адиабатный процесс, происходящий без теплообмена между системой и внешней средой.

Просмотров 3436 Эта страница нарушает авторские права

Источник: https://allrefrs.ru/5-33653.html

Состояние термодинамической системы. Параметры состояния

Термодинамические параметры состояния системы

Для количественного описания поведения термодинамической системы вводят так называемые параметры состояния, под которыми понимаются величины, численные значения которых однозначно определяют состояние системы в заданный момент времени.

Параметры состояния, их смысл и число могут быть найдены только на основании опыта. Термодинамический, т.е. феноменологический, подход требует только, чтобы параметры состояния могли быть измеримы опытным путём с помощью макроскопических приборов.

Перечислим некоторые из возможных параметров состояния термодинамической системы, измерение которых доступно современными приборами: 1) координаты центра инерции системы; 2) скорость центра инерции; 3) угловая скорость вращения системы; 4) масса системы; 5) объём; 6) температура; 7) давление; 8) диэлектрическая проницаемость; 9) магнитная проницаемость; 10) магнитный момент; 11) концентрации химических элементов в смеси и т.д.

Как видим, число макроскопических параметров достаточно велико и, строго говоря, не определено, однако далеко не все из них имеют существенное значение для термодинамики.

Некоторые из них, такие как положение центра инерции, его скорость и угловая скорость вращения, могут быть вообще исключены из рассмотрения, так как согласно известным положениям классической механики всегда имеется возможность перейти в систему отсчёта с началом в центре инерции системы и жёстко связанную с ней. Численные значения некоторых параметров во множестве прикладных задач термодинамики либо могут считаться равными нулю, либо постоянными с достаточной степенью точности, либо вообще выпадают из рассмотрения. Таковы, например, электрические и магнитные свойства большинства веществ в отсутствие или при наличии слабых электрического и магнитного полей, а также концентрации компонентов в смеси.

В простейшем случае любая термодинамическая система должна обладать четырьмя макроскопическими параметрами: массой M, объёмом V, давлением p и температурой T. Рассмотрим каждый из них более подробно

Масса. В современной физике масса имеет два определения. С одной стороны, под массой понимается мера инертности тела, т.е. способность тела приобретать то или иное ускорение под действием силы, которая появляется в уравнении второго закона Ньютона как коэффициент пропорциональности между силой и ускорением.

Такая масса носит название инерционной. С другой стороны, масса выступает в роли источника гравитационного притяжения в законе всемирного тяготения Ньютона и называется в данном случае гравитационной.

Проведенные в настоящее время весьма точные измерения показали, что инерционная и гравитационная массы отличаются не более чем на 10-12%.

В системе единиц СИ масса M измеряется в килограммах (кг). Примерно один килограмм составляет массу 1 литра (1 дм3) дистиллированной воды при температуре 15оС.

Объём. Измерение объёма представляется наиболее простой операцией, даже если форма оболочки термодинамической системы весьма сложна. В этом случае объём системы можно измерить по объёму вытесненной жидкости, однако в любом случае измерение объёма связано с необходимостью измерения длин.

В современной физике за единицу длины принимается расстояние, пройденное светом в вакууме за 1/299792458 секунды, при этом за 1 секунду принимается время, в течение которого электромагнитные волны, излучаемые атомом цезия Сs133 при квантовом переходе между линиями сверхтонкой структуры основного состояния, совершают 9192631770 колебаний.

В системе единиц SI это расстояние принимается за 1 метр.

Давление. Давление в термодинамике определяется так же, как и в механике, т.е. как отношение силы, действующей нормально на единицу площади выбранной поверхности со стороны термодинамической системы.

В термодинамике под поверхностью понимается поверхность оболочки, ограничивающей термодинамическую систему.

За единицу давления в системе единиц СИ принимается паскаль (Па), определяемый как сила в 1 ньютон (1 Н), действующая нормально на поверхность площадью 1 м2. Таким образом, по определению

. (1.13)

Паскаль (Па) как единица давления является не очень удобной величиной в повседневной человеческой деятельности ввиду своей малости, поэтому на практике обычно используют более крупную единицу давления — бар, определяемую соотношением

1 бар = 100000 Па = 105 Па.

В силу исторических традиций единицы давления различны в разных областях человеческой деятельности. Перечислим их, не останавливаясь на происхождении каждой из них.

В метеорологии, медицине и других в качестве единицы давления используется 1 миллиметр ртутного столба (мм рт.ст.), т.е.

вес ртути высотой 1 мм, налитой в цилиндр площадью поперечного сечения f , приходящийся на единицу площади этого сечения, т.е.

. (1.14)

Очевидно, что эта формула справедлива и для любой другой жидкости, лишь бы её можно было считать несжимаемой.

Определение (1.14) позволяет найти связь между единицами давления мм рт.ст. и Па:

1 мм рт.ст = 133.3 Па .

Для измерения малых перепадов давления используется более мелкая единица — миллиметр водяного столба (мм вод.ст.), величина которого легко находится из (1.14):

1 мм вод.ст. = 9.81 Па .

В физических исследованиях, в технике, аэродинамике, гидрометеорологии весьма часто в качестве единицы давления используется так называемая физическая атмосфера, определяемая равенствами

1 физ.атм. = 760 мм рт.ст. = 10329 мм вод.ст. = 101325 Па = 1.013 бар.

В технике также широко используется единица давления, называемая технической атмосферой и определяемая как сила в один килограмм, приходящаяся на 1 см2 поверхности. В частности, большинство технических манометров градуированы в технических атмосферах. Из определения технической атмосферы легко находим

1 тех.атм. = 98100 Па = 0.98 бар = 736 мм рт.ст., 1 бар = 750 мм рт.ст.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории, давление, оказываемое газом на оболочку, представляет собой усредненный импульс, передаваемый стенке сталкивающимися с ней молекулами, в единицу времени. Так определённое давление называется абсолютнымpабс или pа .

Приборы, предназначенные для измерения давления, называются манометрами. При этом прибор, предназначенный для измерения атмосферного давления, носит название барометра.Первый известный в истории барометр был сконструирован итальянским учёным Э.

Торричелли в 1644 году и с тех пор не претерпел никаких принципиальных изменений. Этот барометр представлял собой запаянную с одного конца стеклянную трубку длиной около одного метра, заполненную ртутью и опущенную открытым концом вертикально в сосуд с ртутью.

Оставшийся в трубке столб ртути высотой около 750 мм уравновешивается атмосферным давлением, величину которого после опытов Торричелли стали измерять непосредственно в миллиметрах этого ртутного столба. Позднее был изобретён барометр, называемый анероидом, конструкция которого оказалась более удобной.

Барометр-анероид представляет собой вакуумированный герметически запаянный диск из сравнительно тонкой латуни или бронзы. Изменение атмосферного давления приводит к деформации оснований диска, а величина этой деформации, пропорциональная атмосферному давлению, передаётся на указательную стрелку.

Очевидно, что ртутный барометр Торричелли и барометр-анероид ввиду наличия вакуума показывают абсолютное давление атмосферного воздуха, называемое обычно барометрическимpбар.

В технике большое распространение получили манометры, главной особенностью которых является то, что независимо от конкретной конструкции все они измеряют не абсолютное давление в сосуде с газом, а так называемое избыточное давлениеpизб или pи , т.е. разность между абсолютным давлением в сосуде и давлением атмосферы:

pизб = pабс – pбар . (1.15)

Температура

История становления понятия температуры в физике, технике и в повседневной жизни связана со многими событиями, на описании которых мы не имеем возможности останавливаться. Остановимся лишь на вопросах, имеющих существенное значение для понимания категории температуры и на методах и способах её измерения.

Можно дать по меньшей мере четыре определения температуры [15]:

· температура есть мера нагретости тела; при этом под нагретостью понимают субъективное ощущение теплоты или холода;

· температура есть показания специального прибора, именуемого термометром;

· температура есть величина, пропорциональная средней кинетической энергии молекул;

· различные комбинации трёх первых определений.

Все эти определения тем не менее не обладают необходимой в любой науке, тем более «строгой», точностью, однозначностью в отличие, например, от определений массы или объёма.

Несмотря на это, введение понятия, аналогичного температуре, было продиктовано всей практикой человеческой и, в частности, научной деятельности.

Отвлекаясь от чисто субъективных ощущений тепла и холода, было замечено, что состояния двух тел, приведенных в контакт друг с другом без видимого силового взаимодействия, изменяются и далее с течением времени остаются неизменными.

Такой контакт был назван тепловым, а тепловое взаимодействие понималось как «перетекание» от одного тела к другому некоторой невесомой жидкости без цвета и запаха, названной теплородом.

Гипотеза теплорода просуществовала вплоть до второй половины XIX века и была отвергнута только под давлением экспериментальных фактов, которые никак не могли быть ею объяснены. При этом под температурой понимался некий «потенциал», т.е.

некоторая «высота», с которой, по аналогии с потоком воды в поле тяжести Земли, теплород «стекает» в области с меньшим потенциалом, с меньшей температурой.

Несмотря на кажущуюся наивность этих представлений с современной точки зрения, гипотеза теплорода на первых порах оказалась довольно плодотворной и позволила, например, Сади Карно в 1824 году прийти к выводам, лежащим в основе так называемого второго начала термодинамики и понятия энтропии.

Случай с температурой является уникальным в научной практике, так как это была первая из физических величин, которую научились измерять, не зная, что это такое. Уточним, что ни один из термометров не измеряет непосредственно температуру. Любой термометр измеряет только тот или иной эффект, связанный с изменением температуры.

Например, ртутный, спиртовый или газовый термометры позволяют измерять изменение объёма с изменением температуры при постоянном давлении, термометр сопротивления фиксирует изменение электрического сопротивления с изменением температуры, пирометр связывает с температурой яркость тел, нагретых до больших температур и т.д. Строгое определение температуры и температурной шкалы в рамках термодинамики даёт только второе начало термодинамики в связи с рассмотрением цикла Карно. Такое же строгое обоснование имеет понятие температуры в статистической физике, где температура (называемая абсолютной) оказывается величиной, пропорциональной параметру, характеризующему распределение вероятности кинетической энергии огромного числа хаотически движущихся молекул, составляющих газ.

Первые приборы, предназначенные для измерения температуры (термометры), были сконструированы Галилеем (около 1597 г.) и основывались на изменении объёма газов при нагревании. Основная трудность при конструировании термометров состояла в выборе шкалы, т.е.

в возможности сравнения показаний термометров различных конструкций и различных принципов действия. Первая температурная шкала была предложена в 1724 году голландским стеклодувом Д.

Фаренгейтом, который приписал значение 0оF температуре самой суровой зимы в Голландии в 1709 году, 32oF — температуре смеси льда с водой, 98oF — нормальной температуре человеческого тела и 212oF — температуре кипения воды. Температурная шкала Фаренгейта до сих пор ещё в ходу в Англии, США и некоторых других странах.

Во Франции (около 1740 г.) вошла в употребление шкала Реомюра, в которой в качестве опорных (реперных) точек выбирались точки замерзания воды (0оR) и кипения воды (80оR). Шведский физик Цельсий предложил свою шкалу в 1742 году.

В ней также в качестве реперных выбирались точки замерзания и кипения воды, однако Цельсий предложил считать температуру кипения воды равной 100 градусам. Шкала Цельсия разбивалась на 100 равных частей между этими двумя реперными точками.

Оказалось, однако, что такая шкала также обладает недостатками, связанными с зависимостью теплоёмкости воды (и других термометрических жидкостей) от температуры. В 1968 году была принята международная практическая температурная шкала (МПТШ-68), основанная на шкале Цельсия, разбиение на градусы в которой произведено не равномерно, а в зависимости от теплоёмкости воды. Такая температурная шкала носит название стоградусной и имеет обозначение tоС.

И, наконец, в 1848 году английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин) ввёл так называемую абсолютную температурную шкалу, называемую также шкалой Кельвина, в которой за начало отсчёта температуры принимается абсолютный нуль, т.е. температура, при которой теоретически прекращаются все возможные виды движения частиц в теле.

В остальном введённая Кельвином абсолютная температурная шкала совпадала со шкалой Цельсия. В современной физике в качестве реперной точки выбирается тройная точка воды, т.е. состояние воды, в котором лёд, жидкость и пар сосуществуют в равновесии одновременно. В шкале Кельвина тройной точке воды приписывается температура 273.16 К.

Тогда точка замерзания воды (таяния льда) имеет температуру 273.15 К.

Приведём для справок связь между различными температурными шкалами, употребляемыми в настоящее время в разных странах или в различных областях человеческой деятельности:

(1.16)

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/19_22885_sostoyanie-termodinamicheskoy-sistemi-parametri-sostoyaniya.html

Термодинамические параметры — что это? Параметры состояния термодинамической системы

Термодинамические параметры состояния системы

Долгое время среди физиков и представителей других наук был способ описания того, что они наблюдают в процессе своих экспериментов.

Отсутствие единого мнения и наличие большого количества терминов, взятых «с потолка», приводило к путанице и недопониманиям среди коллег. Со временем каждый раздел физики приобрел свои устоявшиеся определения и единицы измерения.

Так появились термодинамические параметры, объясняющие большинство макроскопических изменений в системе.

Определение

Параметры состояния, или термодинамические параметры, – это ряд физических величин, которые все вместе и каждая в отдельности могут дать характеристику наблюдаемой системе. К ним относятся такие понятия, как:

  • температура и давление;
  • концентрация, магнитная индукция;
  • энтропия;
  • энтальпия;
  • энергии Гиббса и Гельмгольца и многие другие.

Выделяют интенсивные и экстенсивные параметры. Экстенсивными называются те, которые находятся в прямой зависимости от массы термодинамической системы, а интенсивными – которые определяются другими критериями. Не все параметры одинаково независимы, поэтому для того, чтобы вычислить равновесное состояние системы, необходимо определять сразу несколько параметров.

Кроме того, среди физиков существуют некоторые терминологические разногласия.

Одна и та же физическая характеристика у разных авторов может называться то процессом, то координатой, то величиной, то параметром, а то и просто свойством. Все зависит от того, в каком контенте ученый ее использует.

Но в некоторых случаях существуют стандартизированные рекомендации, которых должны придерживаться составители документов, учебников или приказов.

Существует несколько классификаций термодинамических параметров. Так, исходя из первого пункта, уже известно, что все величины можно разделить на:

  • экстенсивные (аддитивные) – такие вещества подчиняются закону сложения, то есть их значение зависит от количества ингредиентов;
  • интенсивные – они не зависят от того, сколько вещества было взято для реакции, так как при взаимодействии выравниваются.

Исходя из того, в каких условиях находятся вещества, составляющие систему, величины можно разделить на те, которые описывают фазовые реакции и химические реакции. Кроме того, нужно учитывать свойства веществ, вступающих в реакцию. Они могут быть:

  • термомеханические;
  • теплофизические;
  • термохимические.

Помимо этого, любая термодинамическая система выполняет определенную функцию, поэтому параметры могут характеризовать работу или теплоту, получаемую в результате реакции, а также позволяют рассчитать энергию, необходимую для переноса массы частиц.

Переменные состояния

Состояние любой системы, в том числе термодинамической, можно определить по сочетанию ее свойств или характеристик. Все переменные, которые полностью определяются только в конкретный момент времени и не зависят от того, как именно система пришла в это состояние, называются термодинамическими параметрами (переменными) состояния или функциями состояния.

Система считается стационарной, если переменные функции с течением времени не изменяются. Один из вариантов стационарного состояния — это термодинамическое равновесие.

Любое, даже самое малое изменение в системе, — уже процесс, а в нем может быть от одного до нескольких переменных термодинамических параметров состояния.

Последовательность, в которой состояния системы непрерывно переходят друг в друга, называют «путь процесса».

К сожалению, путаница с терминами все еще имеет место, так как одна и та же переменная может быть как независимой, так и результатом сложения нескольких функций системы. Поэтому такие термины, как «функция состояния», «параметр состояния», «переменная состояния» могут рассматриваться в виде синонимов.

Температура

Один из независимых параметров состояния термодинамической системы – это температура. Она представляет собой величину, которая характеризует количество кинетической энергии, приходящееся на единицу частиц в термодинамической системе, находящейся в состоянии равновесия.

Если подходить к определению понятия с точки зрения термодинамики, то температура является величиной обратно пропорциональной изменению энтропии после добавления в систему теплоты (энергии). Когда система равновесна, то значение температуры одинаково для всех ее «участников». В случае если имеется разница температур, то энергия отдается более нагретым телом и поглощается более холодным.

Существуют термодинамические системы, в которых при добавлении энергии беспорядочность (энтропия) не возрастает, а наоборот – уменьшается. Кроме того, если подобная система будет взаимодействовать с телом, температура которого больше, чем ее собственная, то она отдаст свою кинетическую энергию этом телу, а не наоборот (исходя из законов термодинамики).

Давление

Давлением называется величина, характеризующая силу, воздействующую на тело, перпендикулярно его поверхности. Для того чтобы вычислить этот параметр, необходимо все количество силы разделить на площадь объекта. Единицами измерения этой силы будут паскали.

В случае с термодинамическими параметрами газ занимает весь доступный ему объем, и, кроме того, молекулы, его составляющие, непрерывно хаотично двигаются и сталкиваются друг с другом и с сосудом, в котором находятся.

Именно эти удары и обуславливают давление вещества на стенки сосуда либо на тело, которое помещено в газ. Сила распространяется во всех направлениях одинаково именно из-за непредсказуемого движения молекул.

Чтобы увеличить давление, необходимо повысить температуру системы, и наоборот.

Внутренняя энергия

К основным термодинамическим параметрам, зависящим от массы системы, относят и внутреннюю энергию. Она складывается из кинетической энергии, обусловленной движением молекул вещества, а также из потенциальной энергии, появляющейся, когда молекулы взаимодействуют между собой.

Этот параметр является однозначным. То есть значение внутренней энергии постоянно всякий раз, как система оказывается в нужном состоянии, независимо от того, каким путем оно (состояние) было достигнуто.

Невозможно изменить внутреннюю энергию. Она складывается из теплоты, выделяемой системой и работы, которая ею производится. Для некоторых процессов учитываются и другие параметры, такие как температура, энтропия, давление, потенциал и количество молекул.

Энтропия

Второе начало термодинамики гласит, что энтропия изолированной системы не уменьшается. Другая формулировка постулирует, что энергия никогда не переходит от тела с более низкой температурой к более нагретому. Это, в свою очередь, отрицает возможность создания вечного двигателя, так как нельзя всю энергию, имеющуюся у тела, перевести в работу.

Само понятие «энтропия» было введено в обиход еще в середине 19 века. Тогда оно воспринималось как изменение количества тепла к температуре системы. Но такое определение подходит только к процессам, которые постоянно находятся в состоянии равновесия. Из этого можно вывести следующее заключение: если температура тел, составляющих систему, стремится к нулю, то и энтропия будет равна нулю.

Энтропия как термодинамический параметр состояния газа используется в качестве указания на меру беспорядочности, хаотичности движения частиц. Ее используют, чтобы определить распределение молекул в определенной области и сосуде, либо чтобы посчитать электромагнитную силу взаимодействия между ионами вещества.

Энтальпия

Энтальпия представляет собой энергию, которая может быть преобразована в теплоту (или работу) при постоянном давлении. Это потенциал системы, которая находится в состоянии равновесия, в случае если исследователю известен уровень энтропии, число молекул и давление.

В случае, если указывается термодинамический параметр идеального газа, вместо энтальпии используют формулировку «энергия расширенной системы».

Для того чтобы легче было объяснить себе эту величину, можно представить сосуд, наполненный газом, который равномерно сжимается при помощи поршня (например, двигатель внутреннего сгорания).

В этом случае энтальпия будет равна не только внутренней энергии вещества, но и работе, которую необходимо произвести, чтобы привести систему в необходимое состояние. Изменение данного параметра зависит только от начального и конечного состояния системы, а путь, которым оно будет получено, роли не играет.

Энергия Гиббса

Термодинамические параметры и процессы, в большинстве своем, связаны с энергетическим потенциалом веществ, составляющих систему. Так, энергия Гиббса является эквивалентом полной химической энергии системы. Она показывает, какие изменения будут происходить в процессе химических реакций и будут ли вещества взаимодействовать вообще.

Изменение количества энергии и температуры системы в процессе протекания реакции затрагивает такие понятия, как энтальпия и энтропия. Разница между этими двумя параметрами как раз и будет называться энергией Гиббса или изобарно-изотермическим потенциалом.

Минимальное значение данной энергии наблюдается в том случае, если система находится в равновесии, а ее давление, температура и количества вещества остаются неизменными.

Энергия Гельмгольца

Энергия Гельмгольца (по другим источникам – просто свободная энергия) представляет собой потенциальное количество энергии, которое будет потеряно системой при взаимодействии с телами, не входящими в нее.

Понятие свободной энергии Гельмгольца часто используется для того, чтобы определить, какую максимальную работу способна выполнить система, то есть сколько высвободится теплоты при переходе веществ из одного состояния в другое.

Если система находится в состоянии термодинамического равновесия (то есть она не совершает никакой работы), то уровень свободной энергии находится на минимуме. А значит, изменение других параметров, таких как температура, давление, количество частиц, также не происходит.

Источник: https://FB.ru/article/330235/termodinamicheskie-parametryi---chto-eto-parametryi-sostoyaniya-termodinamicheskoy-sistemyi

Booksm
Добавить комментарий