Задача термодинамики. Термодинамическое описание системы. Квазистатические процессы, обратимые и необратимые процессы

Лекция 13. ЗАДАЧА ТЕРМОДИНАМИКИ. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ. РАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ. КВАЗИСТАТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ. ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ.

Задача термодинамики: изучить  состояние системы и макропроцессы в ней, исходя из общих принципов (начал) без выяснения микроскопических механизмов изучаемых явлений.

Равновесным называется состояние системы, при котором макропараметры по всей системе имеют одно и то же значение, поэтому на графиках зависимости макропараметров друг от друга равновесное состояние изображается точкой (рис. 1).

  (1) 

Процессом в термодинамике называется переход системы из одного состояние в другое.

Квазистатический процесс (равновесный) представляется непрерывной последовательностью промежуточных равновесных состояний. Число параметров для описания то же, что и для равновесного состояния. Графическое изображение – кривая.

Неравновесный процесс – промежуточные состояния неравновесные. Для описания требуется бесконечное множество параметров. Графически не изображается.

Обратимым называется процесс, для которого возможен обратный переход из конечного состояния  в начальное состояние через те же  промежуточные  состояния, что и в прямом процессе (рис. 2).

                           Свойства обратимого процесса:

1)  нет изменений в окружающей среде, если в прямом процессе тепло поглощается, то в обратном выделяется, и наоборот;

2)  внешнее давление равно внутреннему, работа внешних равна по модулю работе внутренних сил;

3) при бесконечно малом изменении параметров     

направление процесса изменяется.

Изопроцессами  называются процессы, при которых один из макропараметров остается постоянным.

Для идеального газа рассматривают равновесные обратимые процессы:

изотермический  Т=const, р и V изменяются;

изобарный  р=const, Т и V изменяются;

изохорный  V=const, р и T изменяются;

адиабатический – процесс без теплообмена с окружающей средой,  все макропараметры р, Т, и V изменяются.

 

Необратимым называется процесс, для которого обратный переход через те же промежуточные состояния не возможен. Неравновесный процесс всегда необратим, сопровождается изменениями в окружающей среде.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ. РАБОТА. ТЕПЛОТА. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ.

Внутренней энергией тела (вещества) называется его энергия в системе отсчета, связанной с центром масс или энергия всевозможных движений и взаимодействий частиц его составляющих.

U=U₁+U₂+U₃      (2),  где

U₁ – кинетическая энергия движения молекул и атомов,

U₂ – потенциальная энергия взаимодействия молекул и атомов,

 U₃ – энергия внутриатомных и внутриядерных движений и взаимодействий ( в молекулярной физике процессы с изменением этого вида энергии не рассматриваются).

Для идеального газа из N частиц:  (3), потенциальная энергия взаимодействия молекул равна нулю.

Поэтому внутренняя энергия идеального газа      (4),

т.е. является функцией абсолютной температуры U=U(T).

Внутренняя энергия является функцией состояния идеального газа.

Общий случай: U=U(T, V), т.е. внутренняя энергия является функцией состояния вещества.

При изменении объема (рис. 3) термодинамической системы может совершаться работа.

Величина совершенной силой давления газа

работы:   (5), где dV – малое изменение объема газа.

Работа, совершенная газом при изменении объема от V₁ до V₂, рассчитывается по формуле:    (6). 

При  расширении газа работа положительна, при сжатии – отрицательна.

На диаграмме  (рис. 4) рV величина работы численно равна площади под графиком процесса.

Работа не является функцией состояния газа, т.к.  величина  работы зависит от вида совершенного процесса.

 

Количеством теплоты  Q называется количество энергии переданной системе (или полученной от нее) в результате теплообмена (без совершения работы).

Теплообмен может происходить за счет различных процессов:

теплопроводность                              конвекция                                          излучение 

Количество теплоты не является функцией состояния.

Первым началом термодинамики называется закон сохранения энергии для тепловых процессов: количество теплоты, полученное системой идет на изменение ее внутренней энергии и совершение системой работы над внешними телами    (7).

Различное обозначение малой величины: для работы  и количества теплоты  , а для внутренней энергии dU  принято для того, чтобы подчеркнуть, что первые две величины не являются функциями состояния системы, а внутренняя энергия – функция состояния системы и dU представляет собой полный дифференциал.

Так как работа системы равна работе внешних сил со знаком (-)  , то первое начало

термодинамики может быть записано в виде    (8)

                   Первое начало для процессов в идеальном газе :

• изотермический  Т=const,  dU=0 ,  или ;
• изохорный  V=const,  ,  или ;
• адиабатический -  без теплообмена с окружающей средой ,  или ;
• изобарный  р=const,   или ;

Энтальпией (тепловой функцией) называется функция состояния    (9).

При изобарическом процессе количество теплоты равно приращению энтальпии (10).