Термодинамические системы

Содержание

Введение 3
1 История появления и определение 4
2 Типы термодинамических систем 10
2.1 Системы в равновесии 10
2.2 Система, окруженная стенами 11
2.3 Закрытая система 13
2.4 Изолированная система 14
Заключение 16
Список использованной литературы 17

Введение

Определить термодинамическую систему - это, прежде всего, выделить некоторую часть вещества или вещества, на которое направлено наше внимание. Эта часть не должна быть слишком маленькой; другими словами, мы можем сказать, что в термодинамической системе много частиц. Более того, при макроскопическом описании системы мы предполагаем, что система будет состоять из многих составляющих.
Принимая предположение об атомном строении вещества, мы должны принять, что допускается некоторая сложная организация множества частиц (молекул) на макроуровне. Предполагается, что базовое детальное микроскопическое описание объекта как системы отдельных взаимодействующих частиц, движущихся в определенном поле, возможно, однако для формулирования макроскопических принципов нет необходимости в конкретизации микроскопического описания.
Более того, подробное микроскопическое описание системы представляется возможным только в принципе, так что необходимо ввести набор новых переменных, которые относятся к грубым характеристикам или крупномасштабным свойствам системы, и дать макроскопическое описание.
Проблема, которую решает термодинамика, прежде всего, состоит в том, чтобы создать методы описания поведения множества частиц как макроскопической системы с помощью переменных, которые описывают крупномасштабные (макроскопические) свойства системы при различных воздействиях.
1 История появления и определениеТермодинамическая система - это совокупность материи и / или излучения, ограниченная в пространстве стенами с определенной проницаемостью, которые отделяют ее от окружающей среды. Окружение может включать другие термодинамические системы или физические системы, которые не являются термодинамическими системами. Две термодинамические системы могут быть смежными или непосредственно примыкающими друг к другу, причем стена между ними является чисто условной, когда она описывается как «проницаемая» для всей материи, всего излучения и всех сил [1].
Широко используется различие между изолированными, закрытыми и открытыми термодинамическими системами. Изолированная термодинамическая система имеет стенки, которые не являются проводящими тепла и прекрасно отражают все излучения, являются жесткими и неподвижными, и которые непроницаемы для всех форм материи и всех сил. (Некоторые авторы используют слово «закрытый», когда здесь используется слово «изолированный».) Закрытая термодинамическая система ограничена стенами, которые непроницаемы для материи, но могут с помощью термодинамических операций быть попеременно проницаемыми и непроницаемыми для излучения. и проводящий тепло (описанный как «диатермический»), и который во время переходных термодинамических процессов (инициируемых и прекращаемых термодинамическими операциями) может быть разрешен или не разрешен к перемещению, с изменением объема системы и переходным перемешиванием содержимого системы, и может быть шероховатый, чтобы позволить нагревать систему внутренним трением или на ее поверхности, как в первоначальной демонстрации Джоуля механического эквивалента тепла. Открытая термодинамическая система (индекс) имеет по меньшей мере одну стенку, которая отделяет ее от другой термодинамической системы, которая для этой цели считается частью окружающей среды индексной системы, причем стенка проницаема по меньшей мере для одного химического вещества, а также излучения; такая стенка, когда система индексов находится в термодинамическом равновесии, не выдерживает разницы температур внутри себя.
Кроме того, состояние термодинамической системы описывается переменными термодинамического состояния, которые могут быть интенсивными, такими как температура или давление, или экстенсивными, такими как энтропия или внутренняя энергия.
Термодинамическая система подвержена внешним воздействиям, называемым термодинамическими операциями; они изменяют стены системы или ее окружение; в результате система претерпевает переходные термодинамические процессы в соответствии с принципами термодинамики. Такие операции и процессы влияют на изменения термодинамического состояния системы.
Когда переменные интенсивного состояния его содержания изменяются в пространстве, термодинамическая система может рассматриваться как множество систем, смежных друг с другом, каждая из которых является отдельной термодинамической системой.
Термодинамическая система может содержать несколько фаз, таких как лед, жидкая вода и водяной пар, во взаимном термодинамическом равновесии, не отделенных друг от друга любой стенкой. Или это может быть однородным. Такие системы могут рассматриваться как «простые».
«Составная» термодинамическая система может содержать несколько простых термодинамических подсистем, взаимно разделенных одной или несколькими стенками определенной соответствующей проницаемости. Часто удобно рассматривать такую ​​составную систему, изначально изолированную в состоянии термодинамического равновесия, а затем подвергнутую термодинамической операции увеличения проницаемости стенки между подсистемами, чтобы инициировать переходный термодинамический процесс, чтобы создать окончательный новое состояние термодинамического равновесия. Эта идея была использована и, возможно, введена Каратеодори. В сложной системе, изначально изолированной в состоянии термодинамического равновесия, снижение проницаемости стенки не влияет ни на термодинамический процесс, ни на изменение термодинамического состояния. Эта разница выражает второй закон термодинамики. Это иллюстрирует, что увеличение энтропийных мер увеличивает рассеивание энергии, из-за увеличения доступности микросостояний [1].
В равновесной термодинамике состояние термодинамической системы представляет собой состояние термодинамического равновесия, в отличие от неравновесного состояния.
В соответствии с проницаемостью стенок системы, между ней и ее окружением происходят переносы энергии и вещества, которые, как предполагается, не изменяются во времени, пока не будет достигнуто состояние термодинамического равновесия. Единственными состояниями, рассматриваемыми в равновесной термодинамике, являются состояния равновесия. Классическая термодинамика включает (а) равновесную термодинамику; (б) системы, рассматриваемые в терминах циклических последовательностей процессов, а не состояний системы; такие были исторически важны в концептуальном развитии предмета. Системы, рассматриваемые в терминах непрерывно существующих процессов, описываемых устойчивыми потоками, важны в технике.
Само существование термодинамического равновесия, определяющего состояния термодинамических систем, является существенным, характерным и наиболее фундаментальным постулатом термодинамики, хотя он редко упоминается как пронумерованный закон. По словам Бейлина, обычно репетируемое утверждение нулевого закона термодинамики является следствием этого фундаментального постулата. В действительности практически ничто в природе не находится в строгом термодинамическом равновесии, но постулат термодинамического равновесия часто дает очень полезные идеализации или приближения, как теоретически, так и экспериментально; эксперименты могут дать сценарии практического термодинамического равновесия.
В равновесной термодинамике переменные состояния не включают потоки, потому что в состоянии термодинамического равновесия все потоки имеют нулевые значения по определению. Равновесные термодинамические процессы могут включать потоки, но они должны прекратиться к тому времени, когда термодинамический процесс или операция завершены, приводя систему в ее возможное термодинамическое состояние. Неравновесная термодинамика позволяет переменным состояния включать ненулевые потоки, которые описывают перенос массы или энергии или энтропию между системой и ее окружением.
Первым, кто создал концепцию термодинамической системы, был французский физик Сади Карно, чьи размышления о движущей силе огня в 1824 году изучали то, что он называл рабочим веществом, например, обычно паром воды в паровых двигателях, в отношении способность системы выполнять работу при воздействии на нее тепла. Рабочее вещество может находиться в контакте с тепловым резервуаром (бойлером), холодным резервуаром (потоком холодной воды) или поршнем (которому рабочий орган может выполнять работу, толкая его). В 1850 году немецкий физик Рудольф Клаузиус обобщил эту картину, включив в нее понятие окружения, и начал называть систему «рабочим органом». В своей рукописи 1850 года «О движущей силе огня» Клаузий писал:
При каждом изменении объема (для рабочего органа) определенное количество работы должно выполняться газом или над ним, так как при его расширении он преодолевает внешнее давление, и поскольку его сжатие может быть вызвано только воздействием внешнего давления , Этому избытку работы, выполняемой газом или над ним, по нашему принципу должен соответствовать пропорциональный избыток тепла, потребляемого или производимого, и газ не может отдавать «окружающей среде» столько же тепла, сколько он получает [2].
В статье «Тепловой двигатель Карно» показана оригинальная схема поршня и цилиндра, использованная Карно при обсуждении его идеального двигателя; ниже мы видим двигатель Карно, который обычно моделируется при текущем использовании:
Рисунок 1. –Схема двигателя Карно (современная) - где тепло течет из высокотемпературной печи TH через жидкость из «рабочего тела» (рабочего вещества) в холодную раковину TC, таким образом вынуждая рабочее вещество выполнять механическую работу W с окружающей средой, через циклы сокращений и расширений.
На показанном рисунке «рабочий орган» (система), термин, введенный Клаузиусом в 1850 году, может быть любым жидким или паровым телом, через которое тепло Q может вводиться или передаваться для производства работы. В 1824 году Сади Карно в своей знаменитой статье «Размышления о движущей силе огня» постулировал, что жидкое тело может быть любым веществом, способным к расширению, таким как пары воды, пары спирта, пары ртути, постоянный газ, или воздух и т. д. Хотя в эти ранние годы двигатели имели несколько конфигураций, обычно QH поставлялся котлом, в котором вода кипела над печью; QC обычно представлял собой поток холодной проточной воды в виде конденсатора, расположенного в отдельной части двигателя. Результатом работы W было движение поршня, когда он поворачивал рукоятку, которая обычно поворачивала шкив для подъема воды из затопленных соляных шахт. Карно определил работу как «вес, поднятый на рост».
2 Типы термодинамических систем

2.1 Системы в равновесии

При термодинамическом равновесии свойства системы по определению не изменяются во времени. Системы в равновесии намного проще и легче для понимания, чем системы, не находящиеся в равновесии. В некоторых случаях при анализе термодинамического процесса можно предположить, что каждое промежуточное состояние в процессе находится в равновесии. Это значительно упрощает анализ.
В изолированных системах постоянно наблюдается, что с течением времени внутренние перестройки уменьшаются, и приближаются стабильные условия. Давления и температуры имеют тенденцию к выравниванию, и вещество упорядочивается в одну или несколько относительно однородных фаз. Система, в которой все процессы изменения практически завершились, рассматривается в состоянии термодинамического равновесия. Термодинамические свойства системы в равновесии неизменны во времени. Состояния равновесной системы гораздо проще описать детерминированным образом, чем неравновесные состояния [3].
Чтобы процесс был обратимым, каждый шаг в процессе должен быть обратимым. Чтобы шаг в процессе был обратимым, система должна находиться в равновесии на протяжении всего этапа. Этот идеал не может быть реализован на практике, потому что ни один шаг не может быть сделан, не нарушая систему из равновесия, но к идеалу можно приблизиться, медленно внося изменения.
2.2 Система, окруженная стенами

Система окружена стенами, которые ограничивают ее и соединяют с окружающей средой. Часто стена ограничивает проход через нее какой-либо материей или энергией, делая связь непрямой. Иногда стена - это не более чем воображаемая двумерная замкнутая поверхность, через которую прямая связь с окружением.
Стенка может быть неподвижной (например, реактор с постоянным объемом) или подвижной (например, поршень). Например, в поршневом двигателе неподвижная стенка означает, что поршень заблокирован в своем положении; тогда процесс постоянного объема может произойти. В этом же двигателе поршень может быть разблокирован и может двигаться внутрь и наружу. В идеале стена может быть объявлена ​​адиабатической, диатермической, непроницаемой, проницаемой или полупроницаемой. Фактические физические материалы, которые придают стенам такие идеализированные свойства, не всегда легко доступны [4].
Система ограничена стенами или границами, действительными или условными, через которые сохраняющиеся (например, материя и энергия) или несохраняемые (например, энтропийные) количества могут проходить в систему и выходить из нее. Пространство за пределами термодинамической системы известно как окружение, резервуар или окружающая среда. Свойства стен определяют, какие переносы могут происходить. Считается, что стена, которая позволяет передавать количество, является проницаемой для нее, а термодинамическая система классифицируется по проницаемости ее нескольких стенок. Передача между системой и окружающей средой может возникнуть в результате контакта, такого как теплопроводность, или с помощью сил дальнего действия, таких как электрическое поле в окружающей среде.
Говорят, что система со стенами, предотвращающими все перемещения, изолирована. Это идеализированная концепция, потому что на практике всегда возможен некоторый перенос, например, гравитационными силами. Это аксиома термодинамики, что изолированная система в конечном итоге достигает внутреннего термодинамического равновесия, когда ее состояние больше не изменяется со временем.
Стены замкнутой системы позволяют передавать энергию как тепло и как работу, но не материю, между ней и ее окружением. Стены открытой системы позволяют передавать как материю, так и энергию. Эта схема определения терминов используется неравномерно, хотя она удобна для некоторых целей. В частности, некоторые авторы используют «закрытую систему», где здесь используется «изолированная система».
Все, что проходит через границу и приводит к изменению содержимого системы, должно учитываться в соответствующем уравнении баланса. Объем может быть областью, окружающей резонирующую энергию отдельного атома, такую ​​как Макс Планк, определенный в 1900 году; это может быть пар или воздух в паровом двигателе, такой как Сади Карно, определенный в 1824 году. Это также может быть только один нуклид (то есть система кварков), как это предполагается в квантовой термодинамике.
2.3 Закрытая система

В закрытой системе никакая масса не может быть перенесена в или из границ системы. Система всегда содержит одинаковое количество вещества, но тепло и работа могут передаваться через границу системы. Может ли система обмениваться теплом, работать или и то, и другое, зависит от свойства ее границы.
Адиабатическая граница - не допускает теплообмена: теплоизолированная система
Жесткая граница - запрещение обмена работами: механически изолированная система
Одним из примеров является сжатие жидкости поршнем в цилиндре. Другим примером закрытой системы является калориметр с бомбой, тип калориметра с постоянным объемом, используемый для измерения теплоты сгорания конкретной реакции. Электрическая энергия проходит через границу, создавая искру между электродами и инициируя горение. Передача тепла происходит через границу после сгорания, но в любом случае не происходит переноса массы [5].
2.4 Изолированная система

Изолированная система является более строгой, чем закрытая, поскольку она никак не взаимодействует с окружающей средой. Масса и энергия остаются постоянными внутри системы, и через границу не происходит перенос энергии или массы. С течением времени в изолированной системе внутренние различия в системе имеют тенденцию к выравниванию, а давления и температуры имеют тенденцию выравниваться, как и различия в плотности. Система, в которой все выравнивающие процессы практически завершились, находится в состоянии термодинамического равновесия.
По-настоящему изолированные физические системы не существуют в реальности (за исключением, возможно, вселенной в целом), потому что, например, всегда существует гравитация между системой с массой и массами в другом месте. Однако реальные системы могут вести себя почти как изолированная система в течение конечного (возможно, очень длительного) времени. Концепция изолированной системы может служить полезной моделью, приближающей многие реальные ситуации. Это приемлемая идеализация, используемая при построении математических моделей определенных явлений природы.
В попытке обосновать постулат об увеличении энтропии во втором законе термодинамики, H-теорема Больцмана использовала уравнения, которые предполагали, что система (например, газ) была изолирована. То есть все механические степени свободы могут быть определены, рассматривая стены просто как зеркальные граничные условия. Это неизбежно привело к парадоксу Лошмидта. Однако, если рассмотреть стохастическое поведение молекул в реальных стенках, наряду с рандомизирующим эффектом окружающего, фонового теплового излучения, предположение Больцмана о молекулярном хаосе может быть оправдано [6].
Второй закон термодинамики для изолированных систем гласит, что энтропия изолированной системы, не находящейся в равновесии, имеет тенденцию к увеличению со временем, приближаясь к максимальному значению в равновесии. В целом, в изолированной системе внутренняя энергия постоянна, и энтропия никогда не может уменьшаться. Энтропия закрытой системы может уменьшиться, например, когда тепло извлекается из системы.
Важно отметить, что изолированные системы не эквивалентны закрытым системам. Закрытые системы не могут обмениваться веществом с окружающей средой, но могут обмениваться энергией. Изолированные системы не могут обмениваться ни материей, ни энергией с окружающей средой, и поэтому являются только теоретическими и не существуют в реальности (за исключением, возможно, всей вселенной) [7].
Стоит отметить, что «закрытая система» часто используется в обсуждениях термодинамики, когда «изолированная система» будет правильной, то есть существует предположение, что энергия не входит в систему и не покидает ее.
Заключение

Для термодинамического процесса важны точные физические свойства стенок и окружения системы, поскольку они определяют возможные процессы.
Открытая система имеет одну или несколько стен, которые позволяют переносить вещество. Чтобы учесть внутреннюю энергию открытой системы, это требует условий передачи энергии в дополнение к тем, которые относятся к теплу и работе. Это также приводит к идее химического потенциала.
Стена, избирательно проницаемая только для чистого вещества, может поставить систему в диффузионный контакт с резервуаром этого чистого вещества в окружающей среде. Тогда возможен процесс, в котором это чистое вещество переносится между системой и окружающей средой. Кроме того, через эту стену возможно контактное равновесие по отношению к этому веществу. Подходящими термодинамическими операциями резервуар с чистым веществом можно рассматривать как замкнутую систему. Его внутренняя энергия и энтропия могут быть определены как функции его температуры, давления и числа молей.
Термодинамическая операция может сделать непроницаемой для вещества все стенки системы, кроме стенки контактного равновесия для этого вещества. Это позволяет определить интенсивную переменную состояния в отношении эталонного состояния окружающей среды для этого вещества.
Для контактного равновесия через проницаемую для вещества стенку химические потенциалы вещества должны быть одинаковыми с обеих сторон стенки. Это является частью природы термодинамического равновесия и может рассматриваться как связанный с нулевым законом термодинамики.
Список использованной литературы

Агеев Е. П. Неравновесная термодинамика в вопросах и ответах; МЦНМО - Москва, 2005. - 160 c.
Ансельм А. И. Основы статистической физики и термодинамики; Лань - Москва, 2007. - 448 c.
Бурдаков В. П., Дзюбенко Б. В., Меснянкин С. Ю., Михайлова Т. В. Термодинамика. В 2 частях. Часть 1. Основной курс; ДРОФА - , 2009. - 480 c.
Бурдаков В. П., Дзюбенко Б. В., Меснянкин С. Ю., Михайлова Т. В. Термодинамика. В 2 частях. Часть 2; ДРОФА - , 2009. - 368 c.
Ерохин В. Г., Маханько М. Г. Основы термодинамики и теплотехники; Либроком - Москва, 2009. - 226 c.
Новиков И. И. Термодинамика; Лань - Москва, 2009. - 592 c.
Поклонский Н. А., Вырко С. А., Поденок С. Л. Статистическая физика полупроводников. Курс лекций; КомКнига - Москва, 2005. - 264 c.