термодинамическая система

термодинамическая система

 

Объектом изучения термодинамики является термодинамическая система (ТС). Под термодинамической системой понимается выделенная В из окружающего мира условной замкнутой поверхностью часть Н пространства вместе с находящимися в нем телами и полями. Эти тела и поля могут взаимодействовать как между собой, так и с окружающей средой, в том числе трансформироваться (изменять размеры и свойства) и обмениваться как энергией, так и веществом. Под окружающей средой понимается все, что не включено в ТС. В системе могут присутствовать несколько тел, одно тело или его часть. Ограничивающую систему поверхность называют также границей ТС или ее контрольной поверхностью. Примеры ТС — 1 м3 воздуха, авиационный двигатель, космический носитель, живой организм, государство, земная цивилизация. В настоящее время именно вид ТС определяет деление термодинамики как науки на множество ее конкретных приложений: техническая термодинамика (изучает эффективность технических систем): химическая термодинамика (изучает поведение ТС с учетом химических реакций); статистическая термодинамика (изучает законы распределения параметров частиц и квазичастиц в термодинамическом рабочем теле (ТРТ), с помощью которых расчетным путем, без проведения экспериментов, получает все феноменологические параметры); биологическая термодинамика (изучает биологические процессы и явления); социальная термодинамика (изучает социальные и экономические ТС). Термодинамика как раздел теоретической физики подразделяется на: классическую термодинамику, пренебрегающую пространственными координатами и временем; термостатику у термодинамику, изучающую статические ТС без учета времени, но с учетом координат; термокинетику, термодинамику, изучающую ТС с учетом времени и координат, но в бессиловом поле (движение по инерции, сверхтекучесть и сверхпроводимость); В инженерной практике используется техническая термодинамика, которая год от года совершенствуется из-за усложнения ТС — инженерных объектов ее исследования. Материю, составляющую ТС, удобно разделить на вещество и поле. Под веществом понимается материя, обладающая массой покоя. Поле может быть электростатическим, магнитным, электромагнитным (излучение), гравитационным и внутриядерным. Изолированная термодинамическая система никак не взаимодействует с окружающей средой, однако в такой системе отдельные части (подсистемы) могут взаимодействовать между собой. Неизолированная термодинамическая система взаимодействует с окружающей средой, причем число возможных взаимодействий (механическое, тепловое, электростатическое и др.) определяет число степеней свободы ТС. Термодинамическая система называется закрытой, если она не может обмениваться веществом с другими системами. Термодинамическая система может быть закрытой, но масса отдельных ее частей может изменяться (например, при фазовом переходе жидкость — пар), поэтому такие системы получили название неоднородных. Термодинамические системы, которые могут обмениваться веществом с другими системами, называются открытыми. Неравновесное состояние термодинамической системы характеризуется наличием в ней или в объеме ТРТ потоков экстенсивных величин (теплоты, электричества, массы жидкости и т. д.), вызванных термодинамическими силами — градиентами соответствующих интенсивных параметров (температуры, электрического потенциала, давления, концентрации и т. д.). При этом ТС определяется пространственно-временным полем значений каждого термодинамического параметра. линейную неравновесную термодинамику, изучающую ТС с учетом координат и времени, но вблизи равновесия, когда термодинамические потоки зависят линейно от термодинамических сил; нелинейную неравновесную термодинамику (наиболее общий случай термодинамики). Нередко и линейную, и нелинейную неравновесную термодинамику именуют общим термином термодинамика необратимых процессов. Изотропной (гомогенной) термодинамической системой называется система, у которой свойства по всем направлениям одинаковы. Такие ТС используются для термодинамического анализа химических реакций и явлений релаксации (возбуждение, внутреннее превращение и т. д.), которые протекают медленно и не нарушают гомогенности ТРТ. Основным параметром анализа служит время, а работа процесса зависит только от объема системы. Массообмен такой термодинамической системы с внешней средой допустим, т. е. ТС может быть неизолированной. В гомогенных системах отсутствуют электризация, намагниченность и диссипативные эффекты, так как нет градиентов и потоков, хотя концентрация, температура и давление с течением времени могут изотропно изменяться. Гетерогенной (неоднородной j 2 или прерывной) термодинамической системой называется система, состоящая из нескольких гомогенных ТС. В неравновесной термодинамике большое распространение Рис. 1.1 получила модель (рис. 1.1), состоящая из двух 1У 2 гомогенных ТС (термодинамическая пара), разделенных мембраной, поверхностью раздела фаз или в общем случае — перегородкой, которая позволяет осуществлять между этими ТС тот или иной вид термодинамического взаимодействия 3. Протяженностью и объемом соединительной фазы 3, например капилляром в разделительной мембране, часто пренебрегают. Различают, как правило, четыре класса неоднородных термодинамических систем: ТС жидкость — пар, ТС жидкость — жидкость с неоднородными свойствами, ТС вентильного типа первого рода, когда два вещества одинакового агрегатного состояния разделены проницаемой перегородкой (вентилем) и ТС вентильного типа второго рода. Она отличается от предыдущей ТС тем, что перегородка (вентиль) полупроницаема, т. е. может пропускать лишь частицы с определенными свойствами и задерживать остальные. Стационарное состояние термодинамической системы возникает тогда, когда определяющие ее свойства термодинамические параметры не зависят от времени. Стационарное состояние может быть как равновесным, так и неравновесным. Термодинамическое равновесие — состояние термодинамической системы или термодинамического рабочего тела, при котором никакие термодинамические процессы в них невозможны, в том числе и процессы переноса, поскольку термодинамические воздействия на ТС или ТРТ уравновешены. Термодинамическое равновесие — это наиболее вероятное состояние термодинамической системы, устойчивое по отношению к возмущениям (принцип Ле Шателье—Брауна). Равновесие ТС может быть частичным, например в случае механического равновесия, когда ускорения частей ТС равны нулю. Однако если в термодинамической системе происходит хотя был один необратимый процесс, например имеются тепловые потоки, то такая ТС равновесной названа быть не может. Термодинамическое равновесие — фундаментальное понятие классической термодинамики, позволяющее изучать обратимые термодинамические процессы. Термодинамическая система — совокупность любых мате-Ш риальных тел и полей, находящихся в энергетическом взаимо-Ш действии и отделенных от окружающей (внешней) среды реаль-BI ной или условной замкнутой контрольной поверхностью, называя ваемой границей термодинамической системы. При этом каждое материальное тело внутри термодинамической системы может иметь собственную контрольную поверхность. В качестве ТС может рассматриваться летательный аппарат, а в качестве его подсистем — двигатель, баки с топливом и т. д. Если же необходимо рассмотреть только вну-трибаковые процессы, то в качестве ТС рассматривается только внутрибаковый объем, ограниченный внутренними стенками бака, а в качестве подсистем рассматриваются жидкая и газовая фазы топливного компонента. Противоположное понятие — термодинамическое неравновесие — основа для изучения необратимых процессов или процессов, идущих с рассеянием энергии, а для изолированных (замкнутых) ТС — с выравниванием физико-химических свойств и параметров состояния. Но если равновесие и обратимость в смысле термодинамической идеализации (квазиравновесие) могут считаться синонимами, то неравновесие и необратимость — понятия более сложные и с точки зрения термодинамической идеализации не эквивалентны. При этом понятие неравновесности, как это ни парадоксально, шире понятия необратимости, поскольку известны потоки, признаки необратимости для которых пренебрежимо малы (потоки фотонов в вакууме, сверхтекучесть гелия, сверхпроводимость и т. д.). Термодинамическое квазиравновесие — плавное, бесконечно медленное протекание термодинамического процесса, вызванное бесконечно малыми вынуждающими силами и связанное с изменением хотя бы одного из термодинамических параметров состояния равномерно по всему объему ТРТ при отсутствии каких-либо процессов переноса в ТРТ, вызванных неоднородностью его свойств.