Русская Википедия:Термодинамическая система

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Шаблон:Термодинамика главный Шаблон:Сравнительные размеры объектов

Термодинами́ческая систе́ма — физическое тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществомШаблон:Sfn; выделяемая (реально или мысленно) для изучения макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц и не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частицШаблон:Sfn, «часть Вселенной, которую мы выделяем для исследования»Шаблон:Sfn. Единицей измерения числа частиц в термодинамической системе обычно служит число АвогадроШаблон:Sfn (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.Шаблон:SfnШаблон:Sfn. Любой земной объект, видимый невооружённым глазом или с помощью оптических приборов (микроскопы, зрительные трубы 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»Шаблон:Sfn. Условно к макроскопическим системам относят объекты с размерами от 10−7 м (100 нм) до 1012 мШаблон:Sfn.

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).

Рабочее тело[K 1], представление о котором используют в технической термодинамике, есть пример термодинамической системы.

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 относитсяШаблон:Sfn.

Галактические и метагалактические системы термодинамическими не являютсяШаблон:Sfn.

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.Шаблон:SfnШаблон:Sfn.

Каждая термодинамическая система имеет границы, реальные или условные, отделяющие её от окружающей средыШаблон:Sfn, под которой подразумевают все тела, не включённые в термодинамическую систему[1]. Иногда вместо окружающей среды говорят о термостатеШаблон:Sfn, т. е. среде с настолько большой теплоёмкостью, что её температура при теплообмене с изучаемой системой не меняетсяШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn. 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.

Файл:System boundary ru.svg

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 газовШаблон:Sfn; в газовой плазме одновременно присутствуют ионы и свободные электроны со своими существенно отличными парциальными температурами — ионной и электроннойШаблон:SfnШаблон:Sfn; в кристалле выделяют подсистемы фононов и магнонов; подсистему ядерных спинов парамагнетика характеризуют собственной парциальной спиновой температурой [2], способной принимать отрицательные значения по шкале Кельвина[3]Шаблон:SfnШаблон:Sfn). 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

Файл:Open, closed and isolated systems.png
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
Файл:Piston gv52.png
Простейшая закрытая термодеформационная система — газ в цилиндре с поршнем
Файл:Charles and Gay-Lussac's Law animated.gif
Газ в цилиндре с поршнем — закрытая термодеформационная система; всё, что за пределами окрашенного жёлтым пространства, — внешняя среда
Файл:Thermodynamics navigation image.svg
Газ в цилиндре с поршнем — открытая термодеформационная система; всё, что за пределами окрашенного красным пространства, — внешняя среда
Файл:Small laboratory Dewar 1.jpg
Сосуд Дьюара как пример адиабатной оболочки

По внутренним процессам различают системы[4]

  • пассивные, в которых происходит перераспределение имеющейся энергии, например тепловой, стремящиеся к равновесному термодинамическому состоянию;
  • активные, в которых происходит преобразование одного вида энергии в другой, например химической в тепловую, стремящиеся к неравновесному термодинамическому состоянию

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системыШаблон:Sfn:

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

  • Простой системой (простым теломШаблон:Sfn, термодеформационная системаШаблон:Sfn) называется такая равновесная система, физическое состояние которой вполне определяется значениями двух независимых переменных — функций состояния простого тела <math> (x,y)</math>, например, значениями температуры и удельного объёма <math> (t,v) </math> или давления и удельного объёма <math>(P,v)</math>. Выражение зависимости трёх характеристик состояния простого тела <math> (x,y,z) </math>, являющихся попарно независимыми, называется уравнением состояния этого тела:

<math> \varphi(x,y,z)=0 </math>.

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[6]Шаблон:SfnШаблон:Sfn.

Реальную изоляцию термодинамической системы от окружающей среды осуществляют посредством стенок (поверхностей раздела, перегородок, оболочек)Шаблон:Sfn: подвижных и неподвижных, проницаемых и непроницаемых для вещества (существуют и полупроницаемые перегородки). Сосуд Дьюара служит хорошим примеромШаблон:Sfn адиабатной (термоизолирующейШаблон:Sfn) оболочки. Перегородка, не препятствующая теплообмену, то есть не являющаяся адиабатной, называется диатермическойШаблон:SfnШаблон:Sfn (теплопроницаемойШаблон:Sfn).

Поскольку для открытых систем трактовка понятий «работа» и «теплота» теряет свою однозначностьШаблон:Sfn, 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 Шаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn, а свойства адиабатной оболочки дополняют требованием непроницаемости оболочки для веществаШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn. 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 разделШаблон:Sfn и, следовательно, свойства системы непрерывно изменяется от точки к точкеШаблон:Sfn. Гомогенную систему с одинаковыми свойствами в любой точке называют однороднойШаблон:SfnШаблон:Sfn. Примерами гомогенных систем служат растворы (газовые, жидкие и твёрдые). Газовая фаза большой протяжённости 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 скачкомШаблон:SfnШаблон:Sfn. Часто (но не всегда) поверхность раздела является видимой.

Гомогенную часть гетерогенной системы называют фазойШаблон:Sfn. Менее строго, но более наглядно фазами называют «гомогенные части системы, отделённые от остальных частей видимыми поверхностями раздела»Шаблон:Sfn. Примером может служить система «лёд — вода — влажный воздух». Гомогенная система содержит только одну фазу; гетерогенная система состоит из двух или более фазШаблон:Sfn. 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.)Шаблон:Sfn.

На рисунке изображён один из вариантов классификации термодинамических систем.

Файл:Классификация термодинамических систем.png
Один из вариантов классификации термодинамических систем

См. также

Комментарии

Шаблон:Примечания

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература


Шаблон:Никола Тесла

Шаблон:Спам-ссылки

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное


Ошибка цитирования Для существующих тегов <ref> группы «K» не найдено соответствующего тега <references group="K"/>

  1. ↑ Шаблон:Cite web
  2. ↑ Шаблон:Из
  3. ↑ Шаблон:Из
  4. ↑ Шаблон:Книга Шаблон:Wayback
  5. ↑ 5,0 5,1 Шаблон:Cite web
  6. ↑ Шаблон:Cite web
Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Термодинамическая_система&oldid=10923236