1.2. Термодинамічна система і навколишнє середовище

Матеріальне тіло або сукупність тіл, які перебувають у тепловій чи механічній взаємодії між собою і навколишнім середовищем, називаються термодинамічною системою або просто системою. Внаслідок взаємодії тіла (системи) можуть обмінюватись як енергією, так і субстанцією. Величина і форма вибраної системи визначається умовами конкретної задачі. Під навколишнім середовищем розуміють усі зовнішні тіла, які не входять у термодинамічну систему, тобто весь навколишній світ.

Термодинамічна система відокремлюється від навколишнього середовища матеріальною або уявною (абстрактною) поверхнею, яка називається контрольною поверхнею (оболонкою). Наприклад, газова суміш у циліндрі з поршнем розглядається як термодинамічна система, навколишнім середовищем є повітря, а контрольною оболонкою є стінки циліндра та поршня.

Взаємодія системи з навколишнім середовищем, тобто обмін енергією або субстанцією здійснюється через контрольну оболонку. Наявність контрольної оболонки є необхідною для правильного складання балансів субстанції, енергії та ексергії. З погляду проникності контрольної оболонки для субстанції та енергії їй приписують ідеалізовані властивості. У разі механічної взаємодії системи з навколишнім середовищем переміщуються окремі елементи контрольної оболонки внаслідок зміни об'єму і система виконує роботу (або над нею виконується робота). У разі теплової взаємодії відбувається обмін тепловою енергією між системою та навколишнім середовищем.

Спосіб або форма, за якими здійснюється передача енергії, називається родом взаємодії. Кількість родів взаємодії, за якими система може передавати енергію, називається числом термодинамічних степенів вільності системи. Наприклад, система може обмінюватись енергією завдяки зміні об'єму (механічна робота). Це механічний або деформаційний степінь вільності. Крім цього, система може обмінюватись енергією завдяки підведенню чи відведенню деякої кількості теплоти. Цей другий степінь вільності називається тепловим або термічним.

Системи, які мають більше степенів вільності (деформаційний, термічний, електричний та інші), називаються складними. В термодинаміці розглядають, як правило, прості системи, які мають два степеня вільності (деформаційний і термічний). Такі системи називаються термодеформаційними.

Система, яка, крім енергій обмінюється із зовнішнім середовищем ще й субстанцією т, називається відкритою, а система, яка не обмінюється субстанцією з навколишнім середовищем, - закритою. Система, яка не обмінюється теплотою з навколишнім середовищем, називається теплоізольованою або адіабатичною. Адіабатична система може бути відкритою або закритою.

Система, яка не обмінюється з навколишнім середовищем ні енергією, ні субстанцією, називається ізольованою.

1.3. Кількість субстанції. Робоче тіло

Все, що має масу, називається матерією. Матерія виступає у двох формах - субстанціальній і несубстанціальній. Субстанціальною називається матерія, маса спокою якої відмінна від нуля (тіла, молекули, атоми). Матерія, яка не має маси спокою, називається несубстанціальною (фотони).

У системі СІ за основну одиницю кількості субстанції прийнято 1 моль. Один моль - це кількість атомів вуглецю С₁₂, яка міститься у масі вуглецю в 0,012 кг. Тоді один моль довільної субстанції дорівнює кількості атомів вуглецю, яка знаходиться у 0,012 кг маси (6,02210²~ молекул). На практиці часто використовують одиницю, кратну молю, - кіломоль (1000 моль).

Часто кількість субстанції визначається за допомогою маси. Маса субстанції, згідно з теорією відносності, залежить від її енергетичного рівня. В системі СІ за одиницю прийнято таку кількість субстанції, маса спокою якої в нормальних енергетичних умовах складає 1 кг (так званий нормальний кілограм). Беручи до уваги, що прирости енергії, які спостерігаються в техніці, мають нескінченно малий вплив на масу, в технічній термодинаміці виступає тільки понятійна різниця поміж масою m і кількістю субстанції G. Поряд з масою, коли це буде потрібно, будемо користуватися кількістю речовини (кількість молів). Тоді маса речовини визначиться із співвідношення

де - молярна маса; - кількість молекул.

Усі параметри, що розраховані на цій основі, називаються мольними (молярними) і позначаються індексом . Наприклад, молярний об'єм

Важливу роль у процесах взаємодії системи з навколишнім середовищем та в процесах перетворення енергії в теплових машинах відіграє речовина, яка дістала назву робочого тіла (агента). До робочого тіла ставляться певні вимоги: воно має бути недорогим, поширеним у природі, неагресивним до матеріалу обладнання, в якому воно використовується, і мати певні теплофізичні характеристики (невисока температура насичення, значна теплота фазового перетворення, високоентальпійність тощо). Як робоче тіло широко використовуються вода і водяна пара, хладони, гази, суміші рідина - пара, повітря тощо. Робоче тіло розглядається як окремий випадок термодинамічної системи.

Система, яка складається із речовин з однаковими фізичними властивостями, називається фізично однорідною. Однорідна система, в середині якої немає поверхонь поділу, називається гомогенною.

Система, яка складається з декількох частин з різними фізичними властивостями (вода і пара, лід і пара і под.), що відокремлені видимими поверхнями поділу, називається гетерогенною. Гетерогенні частини (лід, вода, пара) називаються фазами. Залежно від кількості фаз гетерогенні системи бувають дво-, три- або чотирифазними. Хімічно однорідна частина системи називається компонентом.