Термодинамічні стани і термодинамічні процеси

В курсі механіки було введено поняття фізичної системи (системи тіл), для опису якої були використані закони динаміки. Таку систему називають механічною системою. Коли крім законів механіки потрібно застосування законів термодинаміки, систему називають термодинамічною системою. Як ми вже відзначали у вступі, необхідність використання цього поняття виникає, якщо число елементів системи дуже велике і руху окремих її елементів стають мікроскопічними в порівнянні з рухом самої системи або її макроскопічних складових частин. При цьому термодинаміка описує макроскопічні руху (зміни макроскопічних станів) термодинамічної системи.

Параметри, що описують такий рух (зміни) термодинамічної системи прийнято розділяти на зовнішні і внутрішні, які визначаються положеннями елементів системи. Це розділення вельми умовно і залежить від конкретного завдання. Так, наприклад, повітряна куля в еластичною оболонці в якості зовнішнього параметра має тиск навколишнього повітря, а куля в жорсткій оболонці в якості зовнішнього параметра має об’єм, обмежений цією оболонкою. В термодинамічній системі обсяг і тиск можуть змінюватися незалежно один від одного. Щоб знайти їх зв’язок, необхідне введення третього параметра – температури.

У більшості термодинамічних задач трьох параметрів достатньо для опису термодинамічної руху системи. Цей рух можна описати в системі трьох термодинамічних координат, пов’язаних з відповідними термодинамічними параметрами.

Рівноважним станом – станом термодинамічної рівноваги – називається таке стану термодинамічної системи, в якому відсутні всякі потоки (енергії, речовини, імпульсу і т. Д.), А макроскопічні параметри системи є сталими і не змінюються в часі.

Класична термодинаміка стверджуємо, що всяка термодинамічна система має стан термодинамічної рівноваги (нульове початок), а ізольована система (надана собі самій) прагне до такого стану, причому якщо вона його досягає, то мимоволі не може з нього вийти.

Системи, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги мають властивості адитивності і транзитивності. Сформулюємо їх:

Якщо дві термодинамічні системи, що мають тепловий контакт, знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, то і сукупна термодинамічна система знаходиться в стані термодинамічної рівноваги.

Якщо яка-небудь термодинамічна система знаходиться в термодинамічній рівновазі з двома іншими системами, то і ці дві системи знаходяться в термодинамічній рівновазі один з одним.

Далі, якщо про це не буде спеціально обумовлено, ми будемо розглядати термодинамічні системи, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги. Опис систем, що знаходяться в нерівноважному стані, тобто в стані, коли мають місце макроскопічні потоки, займається нерівноважна термодинаміка, короткий виклад основних положень якої буде приведено у четвертому розділі.

Перехід з одного термодинамічної стану в інший називається термодинамічним процесом. Нижче, якщо не буде особливо обумовлено, ми будемо розглядати квазістатичні процеси або, щось ж саме, квазірівноважні процеси. Це процеси, що складаються з безперервно наступних один за одним станів термодинамічної рівноваги. Реально такий процес протікати не може, однак якщо макроскопічні зміни в системі відбуваються досить повільно (за проміжки часу, що значно перевищують час релаксації), з’являється можливість апроксимувати реальний процес квазистатическим (квазірівноважної). Така апроксимація дозволяє проводити обчислення з досить високою точністю для великого класу практичних завдань. Граничним випадком квазірівноважного процесу є рівноважний процес, опис якого можна досить строго зробити в рамках класичної термодинаміки. Рівноважний процес є оборотним, тобто при поверненні до таких значень параметрів, що визначають процес, які мали місце в попередній момент часу, повинно вийти попередній стан термодинамічної системи.

Надалі модель рівноважного термодинамічного процесу буде використана для опису квазірівноважних термодинамічних процесів. Наприклад, при розгляді циклу Карно (див. Розділ 3), ми використовуватиметься ізотермічний процес, в якому теплообмін відбувається при одній і тій же температурі нагрівача і теплоносія. Зокрема, подібна ситуація спостерігається, якщо використовуваний в ізотермічному процесі теплової резервуар дуже великий, наприклад світовий океан або атмосфера Землі. Однак, теплова машина, що використовує квазірівноважні процеси, буде працювати дуже повільно (в межі – нескінченно повільно), а тому мати дуже малу потужність. Тому на практиці системи, близькі до рівноважних, не реалізуються. Тим не менш, рівноважна термодинаміка може бути застосована до реальних систем з досить високою точністю (в цьому ми можемо переконатися в лабораторному практикумі з фізики).

Якщо в ході термодинамічної процесу система повертається в початковий стан, то такий процес називається круговим або циклом. Кругові процеси, також як і будь-які інші термодинамічні процеси можуть бути як рівноважними (а, отже, оборотними), так і нерівновагими (необоротними). При оборотному круговому процесі після повернення термодинамічної системи в початковий стан в оточуючих її тілах не виникає жодних термодинамічних збурювань, і їх стану залишаються рівноважними. При незворотному круговому процесі після його завершення навколишні тіла набувають нерівноважні стану. Таким чином, якщо зовнішні параметри набувають в процесі циклу свої вихідні значення, в термодинамічній системі можливі тільки рівноважні кругові процеси.

Посилання на основну публікацію