Термодинамика

Лекция №

Термодинамика

Термодинамика − это наука, которая изучает взаимные превращения энергии, теплоты и работы.

Основная физическая величина, используемая в термодинамике, − это энергия (U). Весь математический аппарат термодинамики построен на законе сохранения энергии:

Энергия никуда не исчезает и ниоткуда не возникает, а переходит из одного вида в другой.

Основными видами энергии являются: кинетическая, потенциальная и внутренняя.

Внутренняя энергия (U) системы − это суммарная энергия частиц системы, которая складывается из кинетической энергии поступательного, колебательного и вращательного движения частиц, а также из потенциальной энергии сил притяжения и отталкивания, действующих между частицами. Внутренняя энергия не включает в себя кинетическую и потенциальную энергию самой макросистемы.

Объектом изучения термодинамики является термодинамическая система. 

Термодинамическая система − это часть макроскопического пространства, ограниченная реальной или воображаемой поверхностью от окружающей среды.

По типу взаимодействия системы с окружающей средой различают открытые, закрытые и изолированные системы:

Изолированная система не обменивается с внешней средой ни веществом, ни энергией. В реальности таких систем не существует.

Закрытая система обменивается с внешней средой энергией, но не обменивается веществом.

Открытая система обменивается с внешней средой и веществом и энергией. Любой живой организм − это открытая термодинамическая система.

Свойства термодинамической системы, а также явления, связанные с взаимными превращениями теплоты и работы, описывают при помощи термодинамических параметров. Параметры системы − это состав, концентрация, давление, объем, температура и др.

Измеряемые термодинамические параметры − это давление (p), объем (V), температура (T), количество вещества (n) и другие.

Неизмеряемые (вычисляемые) термодинамические параметры − это энергия (U), энтальпия (H), энтропия (S) и другие.

Кроме того, термодинамические параметры делятся на интенсивные и экстенсивные.

К интенсивным параметрам относятся давление, температура, концентрация и т. д. Эти параметры не зависят от массы системы и не обладают свойством аддитивности, т. е. их нельзя суммировать при контакте двух и более систем.

Экстенсивные параметры, наоборот, пропорциональны массе системы и обладают аддитивностью. Таковыми являются, например, масса, объем, заряд и т. д.

Состояние системы называют равновесным, если все параметры остаются постоянными во времени и в системе отсутствуют потоки вещества и энергии. Классическая термодинамика изучает только свойства равновесных систем. В этой связи, в классической термодинамике используется ряд допущений. Прежде всего, это постулат о термодинамическом равновесии системы, согласно которому: 

Любая система с течением времени придет к равновесному состоянию.

Второй постулат классической термодинамики − это постулат о существовании температуры: 

Если системы А, B и C находятся между собой в состоянии термодинамического (теплового) равновесия, то TA = TB = TC.

При изменении одного из параметров протекает термодинамический процесс. Постоянство определенного параметра в ходе процесса отмечают приставкой изо-:

изохорный процесс − при постоянном объеме;

изобарный процесс − при постоянном давлении;