WikiSort.ru - Не сортированное

ПОИСК ПО САЙТУ | о проекте
Термодинамика
Статья является частью одноименной серии.
Уравнение состояния
Идеальный газ
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править
См. также «Физический портал»
Относительные размеры
объектов, м
-20 —
–
-18 —
–
-16 —
–
-14 —
–
-12 —
–
-10 —
–
-8 —
–
-6 —
–
-4 —
–
-2 —
–
0 —
–
2 —
–
4 —
–
6 —
–
8 —
–
10 —
–
12 —
–
14 —
–
16 —
–
18 —
–
20 —
–
22 —
–
24 —
–
26 —
–
28 —
–
30 —

Термодинамическая система — тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом[1]; выделяемая (реально или мысленно) для изучения макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц и не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц[2], «часть Вселенной, которую мы выделяем для исследования»[3]. Единицей измерения числа частиц в термодинамической системе обычно служит число Авогадро[4] (примерно 6·1023 частиц на моль вещества), дающее представление, о величинах какого порядка идёт речь. Ограничения на природу материальных частиц, образующих термодинамическую систему, не накладываются: это могут быть атомы, молекулы, электроны, ионы, фотоны и т. д.[5][6]. Любой объект, видимый невооружённым глазом или с помощью оптических приборов (микроскопы, телескопы и т. п.), можно отнести к термодинамическим системам: «Термодинамика занимается изучением макроскопических систем, пространственные размеры которых и время существования достаточны для проведения нормальных процессов измерения»[5]. Условно к макроскопическим системам относят объекты с размерами от 10—7 м (100 нм) до 1012 м[7]. Условность нижней границы связана, помимо прочего, с тем, что для термодинамики важен не размер объекта, а число образующих его частиц. Куб идеального газа с ребром 100 нм при нормальных условиях содержит около 27 000 частиц (см. Постоянная Лошмидта).

Абсолютно твёрдое тело с термодинамической точки зрения представляет собой одну-единственную частицу и по этой причине вне зависимости от своих размеров к термодинамическим системам не относится[8].

Любую часть термодинамической системы называют подсистемой.

Для описания термодинамической системы используются макроскопические параметры, характеризующие не свойства составляющих её частиц, а свойства самой системы: температуру, давление, объём, магнитную индукцию, электрическую поляризацию, массу и химический состав компонентов и др.[9][10].

Каждая термодинамическая система имеет границы, реальные или условные, отделяющие её от окружающей среды[11], под которой подразумевают все тела, не включённые в термодинамическую систему[12]. Иногда вместо окружающей среды говорят о термостате[5], т. е. среде с настолько большой теплоёмкостью, что её температура при теплообмене с изучаемой системой не меняется[13][14][15]. По умолчанию предполагается, что окружающая среда достаточно велика и поэтому её параметры не зависят от протекающих в рассматриваемой системе процессов. Кроме того, обычно подразумевается, что окружающая среда находится в состоянии термодинамического равновесия и её характеристики не зависят от времени и пространственных координат.

Важно, что в состав термодинамической системы включают все частицы, имеющиеся в выделяемой для изучения области пространства. Дело в том, что в термодинамике иногда мысленно разбивают реальную физическую систему на самостоятельные подсистемы объектов с особыми свойствами, и один и тот же объём рассматривают как занимаемый одновременно двумя и более виртуальными квазинезависимыми (слабо взаимодействующими друг с другом) парциальными подсистемами частиц разной природы (например, газовую смесь характеризуют парциальными давлениями составляющих её газов[16]; в газовой плазме одновременно присутствуют ионы и свободные электроны со своими существенно отличными парциальными температурами — ионной и электронной[17][18]; в кристалле выделяют подсистемы фононов и магнонов; подсистему ядерных спинов парамагнетика характеризуют собственной парциальной спиновой температурой [19], способной принимать отрицательные значения по шкале Кельвина[20][21][22]). Данный формальный приём позволяет вводить для рассматриваемой подсистемы частиц парциальные характеристики, не обязательно имеющие прямое отношение к физической системе как единому целому (см., например, Отрицательная абсолютная температура).

Термодинамические системы служат предметом изучения термодинамики, статистической физики и физики сплошных сред.

Классификация термодинамических систем

Жидкость в колбе без пробки — открытая система, границы образуют стенки колбы и поверхность раздела жидкость — атмосфера; содержимое закрытой пробкой колбы — закрытая система, границы системы — стенки колбы и пробка; содержимое помещённой в сосуд Дьюара и закрытой пробкой колбы — изолированная система
Простейшая закрытая термодеформационная система — газ в цилиндре с поршнем
Газ в цилиндре с поршнем — закрытая термодеформационная система; всё, что за пределами окрашенного жёлтым пространства, — внешняя среда
Газ в цилиндре с поршнем — открытая термодеформационная система; всё, что за пределами окрашенного красным пространства, — внешняя среда
Сосуд Дьюара как пример адиабатной оболочки

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы[11]:

  • изолированные, не способные обмениваться с внешней средой ни энергией, ни веществом[1];
  • адиабатно изолированные, не способные к обмену с внешней средой веществом, но допускающие обмен энергией в виде работы[23][24][25][26]. Обмен энергией в форме теплоты для таких систем исключён[1][27][28][29];
  • закрытые, не способные обмениваться с внешней средой веществом[1], но способные к энергообмену с окружающей средой[30];
  • открытые, способные обмениваться веществом (и, следовательно, энергией) с другими системами[30][31] (внешней средой);
  • частично открытые, обменивающиеся с внешней средой веществом, но при этом не все составляющие вещества принимают участие в материальном обмене (например, из-за наличия полупроницаемых перегородок)[32].

По используемым для термодинамического описания системы параметрам состояния различают: простые системы, простые открытые системы и сложные системы.

  • Простой системой (простым телом[33], термодеформационная система[34]) называется такая равновесная система, физическое состояние которой вполне определяется значениями двух независимых переменных — функций состояния простого тела , например, значениями температуры и удельного объема или давления и удельного объема . Выражение зависимости трех характеристик состояния простого тела , являющихся попарно независимыми, называется уравнением состояния этого тела:

.

Простыми телами являются изотропные тела (isos— равный, tropos — направление, в целом — равенство характеристик состояния и физических свойств тела во всех его точках и во всех направлениях), в частности: газы, пары, жидкости и многие твёрдые тела, находящиеся в термодинамическом равновесии и не подверженные действию поверхностного натяжения, гравитационных и электромагнитных сил и химических превращений. Исследования простых тел в термодинамике представляют наибольший теоретический и практический интерес.

Если входящие в состав системы вещества в рассматриваемом диапазоне условий (давление, температура) химически не взаимодействуют между собой, то систему называют физической. Если же вещества системы реагируют друг с другом, то говорят о химической системе[38][39][40].

Реальную изоляцию термодинамической системы от окружающей среды осуществляют посредством стенок (поверхностей раздела, перегородок, оболочек)[41]: подвижных и неподвижных, проницаемых и непроницаемых для вещества (существуют и полупроницаемые перегородки). Сосуд Дьюара служит хорошим примером[42] адиабатной (термоизолирующей[43]) оболочки. Перегородка, не препятствующая теплообмену, то есть не являющаяся адиабатной, называется диатермической[44][45] (теплопроницаемой[46]).

Поскольку для открытых систем трактовка понятий «работа» и «теплота» теряет свою однозначность[47], то и представление об адиабатности утрачивает определённость. Чтобы восстановить определённость и сохранить эквивалентность представления об адиабатной изоляции как накладывающей запрет на теплообмен, и адиабатной изоляции как допускающей энергообмен только в форме работы, для открытых систем к теплоте и работе добавляют третью форму передачи энергии — энергию перераспределения масс составляющих систему веществ [48][49][50][51], а свойства адиабатной оболочки дополняют требованием непроницаемости оболочки для вещества[52][53][54][55][26][29]. К сожалению, такой способ восстановления однозначности трактовки понятия «адиабатность», широко используемого в технической термодинамике, одновременно делает представление об адиабатности бесполезным с практической точки зрения в случае открытых систем, так что в химической термодинамике таких систем понятие «адиабатность» не используют.

Термодинамическую систему называют гомогенной, если между любыми её частями нет поверхностей раздел[1] и, следовательно, свойства системы непрерывно изменяется от точки к точке[56]. Гомогенную систему с одинаковыми свойствами в любой точке называют однородной[56][1]. Примерами гомогенных систем служат растворы (газовые, жидкие и твердые). Газовая фаза большой протяженности вдоль градиента поля тяготения (например, земная атмосфера в безоблачный и безветренный день) — пример неоднородной гомогенной фазы (см. Барометрическая формула).

Термодинамическую систему называют гетерогенной, если она состоит из нескольких гомогенных частей с разными свойствами. На поверхностях, разделяющих гомогенные части гетерогенной системы, хотя бы одно термодинамическое свойство вещества изменяются скачком[57][1]. Часто (но не всегда) поверхность раздела является видимой.

Гомогенную часть гетерогенной системы называют фазой[57]. Менее строго, но более наглядно фазами называют «гомогенные части системы, отделенные от остальных частей видимыми поверхностями раздела»[10]. Примером может служить система «лёд — вода — влажный воздух». Гомогенная система содержит только одну фазу; гетерогенная система состоит из двух или более фаз[58]. Число фаз в гетерогенной системе подчиняется правилу фаз Гиббса. Одно и то же вещество в твёрдом агрегатном состоянии может иметь несколько фаз (ромбическая и моноклинная сера, серое и белое олово и др.)[57].

На рисунке изображён один из вариантов классификации термодинамических систем.

Один из вариантов классификации термодинамических систем

См. также

Примечания

  1. 1 2 3 4 5 6 7 Термодинамика. Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин, 1984, с. 6.
  2. ↑ Физическая энциклопедия, т. 5, 1998, с. 84.
  3. ↑ Залевски К., Феноменологическая и статистическая термодинамика, 1973, с. 9.
  4. ↑ Квасников И. А., Термодинамика, 2002, с. 17.
  5. 1 2 3 Кубо Р., Термодинамика, 1970, с. 11.
  6. ↑ Базаров И. П., Термодинамика, 2010, с. 206.
  7. ↑ Хачкурузов Г. А., Основы общей и химической термодинамики, 1979, с. 8.
  8. ↑ Борщевский А. Я., Физическая химия, т. 1, 2017, с. 40.
  9. ↑ Физика. Большой энциклопедический словарь, 1998, с. 521.
  10. 1 2 Герасимов Я. И. и др., Курс физической химии, т. 1, 1970, с. 27.
  11. 1 2 Пригожин И., Кондепуди Д., Современная термодинамика, 2002, с. 18.
  12. ↑ ГОСТ Р 57700.4-2017 Численное моделирование физических процессов. Термины и определения в областях механики сплошных сред: гидромеханика, газовая динамика, с. 4.
  13. ↑ Базаров И. П., Термодинамика, 2010, с. 40.
  14. ↑ Козлов В. В., Ансамбли Гиббса и неравновесная статистическая механика, 2008, с. 171.
  15. ↑ Путилов К. А., Термодинамика, 1971, с. 101.
  16. ↑ Физика. Большой энциклопедический словарь, 1998, с. 522.
  17. ↑ Белонучкин В. Е. Краткий курс термодинамики, 2010, с. 160.
  18. ↑ Франк-Каменецкий Д. А., Лекции по физике плазмы, 1968, с. 53.
  19. ↑ Спиновая температура — статья из Физической энциклопедии
  20. ↑ Спиновая температура — статья из Большой советской энциклопедии
  21. ↑ Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика. Часть 1, 2002, с. 262.
  22. ↑ Поулз Д. Отрицательные абсолютные температуры, 1964.
  23. ↑ Новиков И. И., Термодинамика, 1984, с. 8.
  24. ↑ Хейвуд Р., Термодинамика равновесных процессов, 1983, с. 56.
  25. ↑ Бэр Г. Д., Техническая термодинамика, 1977, с. 73—74.
  26. 1 2 Залевски К., Феноменологическая и статистическая термодинамика, 1973, с. 10.
  27. ↑ Эткинс П., де Паула Дж., Физическая химия, ч. 1, 2007, с. 51.
  28. ↑ Хачкурузов Г. А., Основы общей и химической термодинамики, 1979, с. 20.
  29. 1 2 Вукалович М. П., Новиков И. И., Термодинамика, 1972, с. 20.
  30. 1 2 ГОСТ IEC 60050-113-2015 Международный электротехнический словарь. Часть 113. Физика в электротехнике (IEC 60050-113:2011, IDT), с. 17.
  31. ↑ Термодинамика. Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин, 1984.
  32. ↑ Сторонкин А. В., Термодинамика гетерогенных систем, ч. 1—2, 1967, с. 120—121.
  33. ↑ Белоконь Н. И., Основные принципы термодинамики, 1968, с. 12.
  34. ↑ Гухман А. А., Об основаниях термодинамики, 2010, с. 66.
  35. ↑ Мюнстер А., Химическая термодинамика, 1971, с. 141.
  36. ↑ Сычев В. В., Сложные термодинамические системы, 2009, с. 257.
  37. ↑ Сычев В. В., Сложные термодинамические системы, 2009.
  38. ↑ Компоненты (в термодинамике и химии) // Большая Советская Энциклопедия, 1973.
  39. ↑ Горшков В. С. и др., Физическая химия силикатов, 1988, с. 193.
  40. ↑ Гамеева О. С., Физическая и коллоидная химия, 1969, с. 162.
  41. ↑ Физическая энциклопедия, т. 4, 1994, с. 196.
  42. ↑ Сивухин Д. В., Общий курс физики, т. 2, 2005, с. 42.
  43. ↑ Хаазе Р., Термодинамика необратимых процессов, 1967, с. 19.
  44. ↑ Münster A., Classical Thermodynamics, 1970, p. 20.
  45. ↑ Мюнстер А., Химическая термодинамика, 1971, с. 32.
  46. ↑ Белов Г. В., Термодинамика, ч. 1, 2017, с. 23.
  47. ↑ Хаазе Р., Термодинамика необратимых процессов, 1967, с. 25.
  48. ↑ Физическая энциклопедия, т. 3, 1992, с. 555.
  49. ↑ Тамм М. Е., Третьяков Ю. Д., Физико-химические основы неорганической химии, 2004, с. 11.
  50. ↑ Пригожин И., Кондепуди Д., Современная термодинамика, 2002, с. 52.
  51. ↑ Кубо Р., Термодинамика, 1970, с. 16.
  52. ↑ Магаев О. В. и др., Основы химической термодинамики, 2017, с. 8.
  53. ↑ Квасников И. А., Термодинамика, 2002, с. 22.
  54. ↑ Петров Н., Бранков Й., Современные проблемы термодинамики, 1986, с. 66.
  55. ↑ Гуров К. П., Феноменологическая термодинамика необратимых процессов, 1978, с. 9.
  56. 1 2 Базаров И. П., Термодинамика, 2010, с. 21.
  57. 1 2 3 Базаров И. П., Термодинамика, 2010, с. 22.
  58. ↑ Мюнстер А., Химическая термодинамика, 1971, с. 15.

Литература

  • Münster A. Classical Thermodynamics. — London e. a.: Wiley-Interscience, 1970. — xiv + 387 p. — ISBN 0 471 62430 6.
  • Архаров А. М., Исаев С. И., Кожинов И. А. и др. Теплотехника / Под. общ. ред. В. И. Крутова. — М.: Машиностроение, 1986. — 432 с.
  • Базаров И. П. Термодинамика. — 5-е изд. — СПб.—М.—Краснодар: Лань, 2010. — 384 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978–5–8114–1003–3.
  • Белов Г. В. Термодинамика. Часть 1. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Юрайт, 2017. — 265 с. — (Бакалавр. Академический курс). — ISBN 978-5-534-02731-0.
  • Белоконь Н. И. Основные принципы термодинамики. — М.: Недра, 1968. — 112 с.
  • Белонучкин В. Е. Краткий курс термодинамики. — 2-е. — М.: МФТИ, 2010. — 164 с. — ISBN 978-5-7417-0337-3.
  • Борщевский А. Я. Физическая химия. Том 1 online. Общая и химическая термодинамика. — М.: Инфра-М, 2017. — 868 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — ISBN 978-5-16-104227-4.
  • Бэр Г. Д. Техническая термодинамика. — М.: Мир, 1977. — 519 с.
  • Вукалович М. П., Новиков И. И. Термодинамика. — М.: Машиностроение, 1972. — 671 с.
  • Герасимов Я. И., Древинг В. П., Еремин Е. Н. и др. Курс физической химии / Под общ. ред. Я. И. Герасимова. — 2-е изд. — М.: Химия, 1970. — Т. I. — 592 с.
  • Гамеева О. С. Физическая и коллоидная химия. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1969. — 408 с.
  • Горшков В. С., Савельев В. Г., Федоров Н. Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. — М.: Высшая школа, 1988. — 400 с. — ISBN 5-06-001389-8.
  • Гуров К. П. Феноменологическая термодинамика необратимых процессов: Физические основы. — М.: Наука, 1978. — 128 с.
  • Гухман А. А. Об основаниях термодинамики. — 2-е изд., испр. — М.: Изд-во ЛКИ, 2010. — 384 с. — ISBN 978-5-382-01105-9.
  • Залевски К. Феноменологическая и статистическая термодинамика: Краткий курс лекций / Пер. с польск. под. ред. Л. А. Серафимова. — М.: Мир, 1973. — 168 с.
  • Квасников И. А. Термодинамика и статистическая физика. — 2-е изд. — М.: Едиториал УРСС, 2002. — Т. 1. Термодинамика. — 238 с. — ISBN 5-354-00077-7.
  • Козлов В. В.,. Ансамбли Гиббса и неравновесная статистическая механика. — М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2008. — 205 с. — ISBN 978-5-93972-645-0.
  • Кубо Р. Термодинамика. — М.: Мир, 1970. — 304 с.
  • Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — 5-е изд. — М.: Физматлит, 2002. — 616 с. — (Теоретическая физика в 10 томах. Том 5). — ISBN 5-9221-0054-8.
  • Магаев О. В., Минакова Т. С., Цыро Л. В. Основы химической термодинамики. — Томск: ИД Томск. гос. ун-та, 2017. — 208 с. — ISBN 978-5-94621-652-4.
  • Мюнстер А. Химическая термодинамика. — М.: Мир, 1971. — 296 с.
  • Новиков И. И. Термодинамика. — М.: Машиностроение, 1984. — 592 с.
  • Петров Н., Бранков Й. Современные проблемы термодинамики. — Пер. с болг. — М.: Мир, 1986. — 287 с.
  • Полянин А. Д., Полянин В. Д., Попов В. А. и др. Краткий справочник для инженеров и студентов. — М.: Международная программа образования, 1996. — 432 с. — ISBN 5-7753-0001-7.
  • Поулз Д. Отрицательные абсолютные температуры и температуры во вращающихся системах координат (рус.) // Успехи физических наук. — 1964. — Т. 84, № 4. — С. 693—713.
  • Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур / Пер. с англ. — М.: Мир, 2002. — 461 с. — (Лучший зарубежный учебник). — ISBN 5-03-003538-9.
  • Путилов К. А. Термодинамика / Отв. ред. М. Х. Карапетьянц. — М.: Наука, 1971. — 376 с.
  • Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 5-е изд., испр. — М.: Физматлит, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5.
  • Сторонкин А. В. Термодинамика гетерогенных систем. Части 1 и 2. — М.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1967. — 448 с.
  • Сычёв В. В. Сложные термодинамические системы. — 5-е изд., перераб. и доп.. — М: Издательский дом МЭИ, 2009. — 296 с. — ISBN 978-5-383-00418-0.
  • Тамм М. Е., Третьяков Ю. Д. Неорганическая химия. Том 1. Физико-химические основы неорганической химии / Под. ред. акад. Ю. Д. Третьякова. — М.: Академия, 2004. — 240 с. — (Высшее профессиональное образование). — ISBN 5-7695-1446-9.
  • Термодинамика. Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин / Отв. ред. И. И. Новиков. — АН СССР. Комитет научно-технической терминологии. Сборник определений. Вып. 103. — М.: Наука, 1984. — 40 с.
  • Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — 944 с. — ISBN 5-85270-306-0.
  • Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3: Магнитоплазменный — Пойнтинга теорема. — 672 с. — ISBN 5-85270-019-3.
  • Хаазе Р.[de]. Термодинамика необратимых процессов / Пер. с нем. под ред. А. В. Лыкова. — М.: Мир, 1967. — 544 с.
  • Хачкурузов Г. А. Основы общей и химической термодинамики. — М.: Высшая школа, 1979. — 268 с.
  • Хейвуд Р. Термодинамика равновесных процессов. Руководство для инженеров и научных работников. — М.: Мир, 1983. — 493 с.
  • Черноуцан А. И. Краткий курс физики. — М: Физматлит, 2002. — 320 с. — ISBN 5-9921-0292-3.
  • Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — 704 с. — ISBN 5-85270-087-8.
  • Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7.
  • Франк-Каменецкий Д. А. Лекции по физике плазмы. — 2-е. — М.: Атомиздат, 1968. — 287 с.
  • Эткинс П., де Паула Дж. Физическая химия. В 3-х частях. Часть 1. Равновесная термодинамика. — М.: Мир, 2007. — 495 с. — (Лучший зарубежный учебник). — ISBN 5-03-003786-1.

Данная страница на сайте WikiSort.ru содержит текст со страницы сайта "Википедия".

Если Вы хотите её отредактировать, то можете сделать это на странице редактирования в Википедии.

Если сделанные Вами правки не будут кем-нибудь удалены, то через несколько дней они появятся на сайте WikiSort.ru .



Текст в блоке "Читать" взят с сайта "Википедия" и доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike; в отдельных случаях могут действовать дополнительные условия.

Другой контент может иметь иную лицензию. Перед использованием материалов сайта WikiSort.ru внимательно изучите правила лицензирования конкретных элементов наполнения сайта.

2019-2025
WikiSort.ru - проект по пересортировке и дополнению контента Википедии