1.1. Система, состояние, процесс
Главным объектом рассмотрения в термодинамике является система. Под этим термином понимается область пространства, содержащая интересующие нас вещества в макроскопическом количестве. Всё остальное, включая наблюдателя и различные средства влияния на систему, относится к окружающей среде. Граница между окружающей средой и системой так же относится к окружающей среде. Она может быть мысленной или вещественной, обладающей специальными свойствами.
Если вещества, входящие в состав системы, образуют однородную по своим свойствам материю, то система называется гомогенной. Если в пределах этой материи имеются границы, отделяющие области с разными свойствами, то система называется гетерогенной, при этом каждая совокупность частей системы, обладающих одинаковыми свойствами, называется фазой. Различные вещества, входящие в состав системы, называются компонентами. Так, система воды и льда является однокомпонентной. Но если в неё входит так же воздух, то многокомпонентной. Числом компонент системы называется минимальное число веществ, достаточное для образования всех фаз. Оно совпадает с действительным числом веществ, если между ними нет химических реакций.
Свойства вещества описываются термодинамическими переменными или параметрами. Они подразделяются на два типа – интенсивные и экстенсивные. Интенсивными переменными называются такие, которые не зависят от количества вещества в системе. Например, температура, давление, вязкость, показатель преломления света являются интенсивными переменными. Объём, масса, площадь поверхности раздела фаз и многие другие переменные, которые будут определены в дальнейшем, являются экстенсивными. Они зависят от количества вещества.
Любую экстенсивную величину можно превратить в интенсивную делением на количество вещества n или на его массу m. Полученная таким образом новая величина называется молярной в первом случае и удельной во втором. Экстенсивные величины обычно обозначаются прописными буквами. Соответствующие молярные величины обозначают теми же буквами с нижним индексом m, а удельные – соответствующими строчными буквами. Например, объём обозначается V, молярный объём Vm (Vm = V/n), удельный объём v (v = V/m). Можно заметить, что удельный объём является обратной величиной плотности вещества r, так как r º m/V = v–1.
В каждый момент времени система находится в некотором состоянии, которое характеризуется определёнными свойствами веществ. Если в следующие моменты эти свойства меняются, то состояние является неравновесным. Если свойства не меняются и нет оснований ожидать их изменения, то состояние называется равновесным. Из эмпирических наблюдений известно, что изменение состояния непременно следует, если существует неоднородность интенсивных параметров в системе. Эти изменения заканчиваются, когда неоднородность исчезает. В частности, температура и давление должны быть одинаковыми во всех точках системы при равновесии. Химический состав, молярный объём или плотность должны быть одинаковыми в пределах фазы.
О существовании равновесия судят по наблюдению за отдельными параметрами состояния. Если температура является однородной по всей системе и не меняется со временем, то говорят о термическом или тепловом равновесии. Если то же наблюдается в отношении давления, то говорят о механическом равновесии. Если нет изменений химического состава, то система находится в химическом равновесии.
Понятие состояния системы является ключевым для понимания законов термодинамики. В любом равновесном состоянии все параметры состояния имеют определенные значения. С другой стороны, состояние задано, если известны значения этих параметров. Число их неопределённо велико. Например, система из 1 компонента и одной фазы при равновесии имеет определённые значения таких параметров, как температура, показатель преломления света, вязкость, коэффициент термического расширения, скорость пропускания звуковых волн, давление и т.д. Изменение одного из них привело бы к изменению других и, естественно, к изменению состояния. Перечислив эти параметры и указав количество вещества (например, 1 моль), мы определяем равновесное состояние системы полностью. Однако между этими параметрами существуют связи, которые обычно (но не всегда) могут быть выражены с помощью уравнений. Поэтому у любой системы есть минимальное число параметров, которые можно выбрать в качестве независимых переменных. В случае одного компонента и одной фазы число независимых переменных обычно равно 2 (две степени свободы), плюс информация о количестве вещества. Этим полностью определяется равновесное состояние системы. В качестве независимых переменных можно выбрать любые, лишь бы среди них не было связанных тождественным преобразованием, таким как r = v–1. Но чаще всего выбирают два параметра из следующих трех: Т , V, р. Поскольку только два из трех являются независимыми, то между тремя существует уравнение связи, называемое уравнением состояния. В общем случае оно имеет вид f(p, V, T) = 0. В частности, для идеального газа, как известно, уравнение состояния имеет особенно простой вид: pV = nRT.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
