Термодинамические параметры
Термодинамические параметры — физические величины, характеризующие состояние термодинамической системы: температура, давление, удельный объём, намагниченность, электрическая поляризация и др. Различают экстенсивные параметры состояния, пропорциональные массе системы:
объём
внутренняя энергия
энтропия
энтальпия
энергия Гиббса
энергия Гельмгольца (свободная энергия)
и интенсивные параметры состояния, не зависящие от массы системы:
давление,
температура,
концентрация,
магнитная индукция
Не все параметры состояния независимы, так что равновесное состояние системы можно однозначно определить, установив значения ограниченного числа параметров состояния.
Термодинамическое состояние
Термодинамическое состояние, состояние, в котором находится термодинамическая система. Термодинамическое состояние характеризуется совокупностью макроскопических параметров, определяющих внутренние свойства системы в данном состоянии и его взаимодействие с внешними телами. Параметрами термодинамического состояние являются: температура, давление, объём системы, электрическая поляризация, намагниченность. Среди параметров состояния существует определённое количество независимых параметров (оно равно числу термодинамических степеней свободы системы), остальные параметры могут быть выражены через независимые. Так, в уравнении состояния идеального газа pV = RT два параметра (температура Т и объём V) являются независимыми, третий параметр - давление газа р - определяется через Т и V (R- газовая постоянная). В термодинамике различают равновесные состояния и неравновесные состояния, которые изучает термодинамика неравновесных процессов.
Равновесное состояние
Термодинамическое равновесие — состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объем, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды. Если равновесной системе соответствует несколько состояний, в каждом из которых система может находится неопределенно долго, то о системе говорят, что она находится в метастабильном равновесии. В состоянии равновесия в системе отсутствуют потоки материи или энергии, неравновесные потенциалы (или движущие силы), изменения количества присутствующих фаз. Различают тепловое, механическое, радиационное и химическое равновесия.
В реальных процессах часто реализуется неполное равновесие, однако степень этой неполноты может быть существенной и несущественной. При этом возможны три варианта:
равновесие достигается в какой-либо части (или частях) относительно большой по размерам системы — локальное равновесие,
неполное равновесие достигается вследствие разности скоростей релаксационных процессов, протекающих в системе — частичное равновесие,
имеют место как локальное, так и частичное равновесие.
В неравновесных системах происходят изменения потоков материи или энергии, или например фаз.
Уравнения состояния
Уравне́ние состоя́ния — уравнение, связывающее между собой термодинамические параметры системы, такие, как температура, давление, объём, потенциал. Уравнение состояния можно написать всегда, когда можно применять термодинамическое описание явлений.
Уравнение состояния системы не содержится в постулатах термодинамики и не может быть выведено из неё. Оно должно быть взято со стороны (из опыта).
Заметим, что соотношения, задаваемые уравнением состояния, справедливы только для состояний термодинамического равновесия.
Виды уравнений состояния
Термическое уравнение состояния
Термическое уравнение состояния связывает макроскопические параметры системы. Для системы с постоянным числом частиц:
Калорическое уравнение состояния
Калорическое уравнение состояния показывает, как внутренняя энергия выражается через давление, объем и температуру. Для системы с постоянным числом частиц:
или, учитывая, что давление можно выразить из термического уравнения:
Каноническое уравнение состояния
Каноническое уравнение представляет собой выражение для одного из термодинамических потенциалов (внутренней энергии, энтальпии, свободной энергии или потенциала Гиббса) через независимые переменные, относительно которых записывается его полный дифференциал.
Каноническое уравнение, независимо от того содержит полную информацию о термических и калорических свойствах термодинамической системы.