Глава 1

ТЕРМОДИНАМИКА РАВНОВЕСНЫХ СОСТОЯНИЙ

Термодинамика возникла около 200 лет назад и с самого начала своего становления использовала данные теплопродукции мелких животных, получаемые с помощью калориметрии. Классическая термодинамика находит разности энергий и определяет направления возможных изменений. Наиболее серьезное ограничение при использовании классической термодинамики состоит в том, что она исследует равновесные состояния и не рассматривает кинетику процесса.

1.1 Термодинамическая система, основные понятия и определения

Термодинамической системой называется конечная область пространства с находящимися в ней физическими объектами макроскопических размеров, ограниченная оболочкой. Область вне оболочки системы представляет собой окружающую среду.

В зависимости от того, как термодинамическая система связана с окружающей средой, различают три типа систем: изолированные, замкнутые и открытые.

Изолированная термодинамическая система отделена от окружающей среды и полностью защищена от всех внешних воздействий. Если в такой системе протекает процесс, не сопровождающийся теплообменом и обменом вещества, мы имеем дело с адиабатическим процессом. Замкнутая (закрытая) система обменивается энергией, но при этом отсутствует обмен веществом. В открытых термодинамических системах имеет место обмен с окружающей средой и веществом, и энергией.

Термодинамическая система характеризуется определенными термодинамическими параметрами. Экстенсивные параметры зависят от общего количества вещества в системе (например, масса m, объем V); интенсивные не зависят от массы системы (давление р, температура Т, молярная концентрация n). Изменение любого из параметров вызывает изменение состояния системы. Переход термодинамической системы из одного состояния в другое происходит в результате различных процессов. Процесс называется обратимым, если при переходе системы из исходного состояния в конечное и возврате ее в исходное (циклический процесс) состояние системы не изменяется. Если же в результате такой последовательности переходов в системе происходят необратимые изменения, то такие процессы называются необратимыми. Реальные процессы в природе всегда проходят как необратимые. Термодинамика базируется на основных принципах - законах (началах) термодинамики.

1.2 Первый закон термодинамики

Основная задача термодинамики состоит в том, чтобы найти такие величины, которые однозначно определяют изменение состояния термодинамической системы при ее переходе из одного состояния в другое. Опыт показал, что такой величиной является внутренняя энергия U. Она является функцией состояния системы и зависит от термодинамических параметров:U=f(m,p,V,T). Изменение внутренней энергии ∆U не зависит от пути перехода из одного состояния системы в другое. Внутренняя энергия - это сумма кинетической и потенциальной энергий всех атомов и молекул термодинамической системы.

Изменение внутренней энергии ∆U в замкнутой системе можно определить, измеряя поглощенную (выделившуюся) теплоту Q и выполненную работу W. Экспериментально установлено, что изменение внутренней энергии равно

(1.1)

Какими бы путями этот переход не осуществлялся и как бы не изменялись по величине Q и W, всегда сохраняет постоянное значение их разность

(1.2)

Это означает, что в замкнутой системе изменение внутренней энергии ∆U=const.

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) гласит: в изолированной термодинамической системе полный запас энергии - величина постоянная и возможны лишь превращения одного вида энергии в другой в эквивалентных отношениях

; (1.3)

В замкнутой системе изменение внутренней энергии ∆U при переходе из одного состояния в другое определяется количеством переданной теплоты и величиной выполненной работы

(1.4)

Знак (-) означает, что работа выполняется системой против внешних сил, а знак (+) что работа выполняется над системой. В СИ энергия измеряется в джоулях (Дж). 1Дж = 0,239кал = 6,25-10¹⁸ эВ.