Термодинамический подход к описанию явлений природы.

Термодинамические состояния.

Достаточно непредвзято взглянуть на окружающий нас мир, чтобы сделать вывод о том, что механический подход не является исчерпывающим при его описании. Протяженные тела, которые нас окружают, часто неподвижны, и с точки зрения механики про них сказать больше нечего. Тем не менее, непосредственный опыт убеждает нас, что они могут находиться в разных состояниях: вода, помещенная в сосуд, может быть либо очень холодной, либо прохладной, либо теплой, либо в виде крутого кипятка. Эти состояния не являются состояниями в механическом смысле. Слова «горячее», «холодное», понятные для любого из нас, вообще не имеют смысла в механике.

Системы, состояния которых не могут быть полностью описаны в механике, называются термодинамическими (ТД) системами. Параметры, дополнительные по отношению к механическим, называются термодинамическими параметрами. Полная совокупность ТД-параметров системы описывает её термодинамическое состояние.

Системы, рассматриваемые в термодинамике, - это макроскопические тела, и ТД-параметры представляют собой их макроскопические свойства. Все они могут быть оценены непосредственно с помощью органов чувств человека. Термодинамика изучает макроскопические свойства и явления, не интересуясь их микроскопической природой.

В «фокусе» термодинамического рассмотрения находится неподвижное тело (ТД-система), которое обменивается энергией с окружением. При этом механическое состояние тела в процессах этого обмена не меняется, тогда как механическое состояние окружения может меняться. Термодинамика описывает процессы обмена энергией в такой постановке задачи и связанные с этим изменения ТД-состояния рассматриваемой системы.

Мы будем считать, что система и окружение не обмениваются своими частями, т.е. нет массообмена. В этом случае обмен энергией производится двумя способами: в процессе работы и в процессе теплообмена.

Работой называется процесс обмена энергией, сопровождаемый механическим движением.Количество энергии, переданной от системы окружению в этом процессе, тоже называется работой А. Как видим, слово «работа» применяется в двух разных смыслах.

Процесс обмена энергии, не связанный с механическим движением, называется теплообменом. Количество энергии, полученной системой в процессе теплообмена от окружения, называется теплом Q.

Элементарная работа ТД-системы, совершаемая над окружением, является ключом для определения полного списка ее параметров в ТД-состояниях определённого типа. Для примера, элементарная работа газа с установившимся по всему объёму давлением р при расширении газа имеет вид:

.

Это значит, что ТД-состояние газа, заключённого в объёме V описывается двумя параметрами: внутренним параметром р и внешним параметром V. Внешний параметр порождается независимыми от газа обстоятельствами, а внутренний – как внешними условиями, так и самим газом.

Не любое ТД-состояние газа описывается общим давлением. Часто оно характеризуется неравномерным распределением давления или полем давления во всём доступном газу объёме. В этом случае мы имеем неравновесное ТД-состояние, описываемое бесконечным количеством внутренних параметров. Равновесным называется ТД-состояние, которое требует для своего описания минимального для данной системы количества параметров. И список этих параметров определяется выражением элементарной работы равновесной системы над окружением. Структура этого выражения представляет собой сумму произведений дифференциалов внешних параметров на сопряжённые внутренние. Поэтому равновесное ТД-состояние всегда описывается чётным количеством ТД-параметров

Отталкиваясь от выражения элементарной работы равновесного газа над окружением можно дать альтернативные определения процессов совершения работы и теплообмена.

Работой называется процесс обмена энергией, сопровождаемый изменением внешних параметров ТД-системы.

Процесс обмена энергии, не связанный с изменением внешних параметров ТД-системы, называется теплообменом.

 

Температура.

Заданное ТД-состояние определяет все физические величины, связанные с этим состоянием, т.е. функции состояния. Из изложенного выше следует, что состояние не может быть задано одним параметром. Следовательно, функции ТД-состояния – это функции нескольких аргументов. Из двух параметров равновесного газа p и V можно искусственным образом сконструировать бесконечное множество функций, физический смысл которых будет неясен или вообще его не будет. Становление термодинамики было связано с открытием функций состояния, имеющих физический смысл.

Теплообмен между двумя ТД-системами возможен, если их приводят в тепловой контакт. ТД-система, которая не находится в тепловом контакте ни с какой другой, называется адиабатически изолированной. Две равновесные системы, приведенные в тепловой контакт друг с другом, могут обмениваться теплом, а могут и не обмениваться. В последнем случае говорят, что они находятся в равновесии друг с другом, или, другими словами, что у них одинаковая температура. Для каждой равновесной ТД-системы существует функция ее ТД-параметров, которая для всех систем, находящихся в равновесии друг с другом, имеет одно и то же значение; эта функция называется температурой.

Таким образом, температура может быть определена только в равновесном состоянии ТД-системы. Чтобы понятия «большая» и «меньшая температура» имели строго определенный смысл, необходимо добавить, что при получении телом тепла при постоянных внешних параметрах его температура увеличивается.

Из опыта известен следующий факт: если зафиксировать все внешние параметры системы в термостате, то в ней со временем установится единственно возможный набор равновесных внутренних параметров. Следовательно, в равновесном ТД-состоянии все внутренние параметры однозначно определяются внешними параметрами и температурой.

Соотношение, связывающее температуру, внешние параметры и внутренний параметр равновесного ТД-состояния, называется уравнением состояния. В термодинамике идеальным газом называется система, уравнением состояния которой является уравнение Менделеева-Клапейрона:

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. II. ЭВОЛЮЦИЯ ДВУХ РАЗНЫХ ПОДХОДОВ
2. III. Попытки соединения цивилизационного подхода с формационным.
3. І. Современные подходы к пониманию права.
4. А как решает проблему здоровья врач натуропат в подходе к больному?
5. Акриловые материалы холодного отверждения. Классификация эластичных базисных материалов. Сравнительная оценка полимерных материалов для искусственных зубов с материалами другой химической природы.
6. Альтернативный подход к принятию кредитных решений
7. АМИЛОИДОЗ ПОЧЕК - одно из проявлений амилоидоза внутренних органов – системного заболевания, характеризующегося отложением в различных органах патологического белковоподобного вещества – амилоида.
8. Анализ подходов и методов решения задачи
9. Бом и взаимосвязь явлений микромира
10. В контексте деятельностного подхода
11. В то же время, для динамического подхода было характерным построение вертикальных связей, объединяющих первичное с вторичным (функциональная связь) и высшее с низшим (иерархическая связь).
12. В чем заключаются особенности использования компетентностного подхода при обучении в юридическом вузе?