I. Термодинамические системы и их параметры

Мысленно выделенная макроскопическая система, рассматриваемая методами термодинамики, называется термодинамической системой. Обмен энергией и веществом может происходить как между частями внутри самой системы, так и между системой и внешней средой.

1.1. Термодинамические параметры и процессы

Для описания состояния системы вводят физические величины, которые называются термодинамическими параметрами или параметрами состояния системы. Обычно это давление р, объем , температура , концентрация и др.

Д

авление – физическая величина, определяемая силой, действующей на единицу площади поверхности тела по направлению нормали к этой поверхности

Единица давления – Па (Паскаль) ( ).

Температура системы является мерой интенсивности теплового движения ее частиц. В настоящее время используются две температурные шкалы: международная стоградусная шкала Цельсия и термодинамическая шкала Кельвина. Температуры, измеренные по шкале Кельвина ( ) и Цельсия ( ) связаны соотношением: (2.1.1)

Нормальным состоянием системы считается ее состояние с термодинамическими параметрами: (2.1.2)

Термодинамическим процессом называют всякое изменение параметров состояния термодинамической системы.

2. Уравнение состояния идеального газа

Идеальным считается газ, который можно рассматривать как систему невзаимодействующих материальных точек, упруго сталкивающихся друг с другом и со стенками сосуда.

Уравнение состояния представляет собой функциональную зависимость, связывающую между собой термодинамические параметры: .

Экспериментально установлено, что для 1 моля идеального газа выполняется уравнение Клапейрона (уравнение состояния 1 моля идеального газа) , (2.1.3)

где – молярный объем (объем 1 моля) газа; – универсальная газовая постоянная. Универсальность вытекает из закона Авогадро, согласно которому при одинаковых давлениях и температурах молярные объемы различных газов одинаковы. Подставив в это уравнение значения и , соответствующие нормальным условиям, получим значение универсальной газовой постоянной

От уравнения состояния 1моля легко перейти к уравнению для любой массы газа. При одинаковом давлении и температуре молей газа будут занимать в раз больший объем, чем один моль: . Умножив обе части уравнения Клапейрона на

( – молярная масса газа) и заменив на , получим уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева – Клапейрона) . (2.1.4)

Разделим обе части уравнения Клапейрона на число Авогадро (число частиц, содержащихся в 1 моле) или ,

где – концентрация молекул (число частиц газа, содержащихся в единичном объеме); – постоянная Больцмана.

Следовательно, при постоянной температуре давление газа прямо пропорционально концентрации его молекул . (2.1.5)

Это еще одна форма записи уравнения состояния идеального газа.

Выясним физический смысл универсальной газовой постоянной _.

Рис.1.1

Пусть в цилиндре под поршнем находится 1 моль газа, с параметрами состояния , и . При нагревании на газ, изобарически расширяясь, сдвинет поршень на расстояние . Следовательно, сила , действующая на поршень с площадью поперечного сечения , совершит работу , (2.1.6)

где – изменение объема газа.

После нагревания газ займет объем давление его не изменится. Запишем уравнения состояния 1 моля газа до нагревания и после него:

и .

Вычтем из второго уравнения первое: . (2.1.7)

Выражения (2.1.5) и (2.1.7) совпали. Следовательно, универсальная газовая постоянная численно равна работе, которую совершает 1 моль идеального газа изобарически расширяясь при нагревании на .