Взаимодействие систем с окружающей средой. Параметры взаимодействия.

Если система не изолирована от окружающей среды, то между ними может происходить взаимодействие, которое состоит в обмене между термодинамической системой и окружающей средой веществом или энергией, при этом энергетическое взаимодействие может осуществляется в различных формах. Система может обмениваться с окружающей средой механической, тепловой, электрической, магнитной и другими видами энергии. В этом случае говорят о различных типах взаимодействия, таких, как механическое, тепловое, электрическое и магнитное. Таким образом, под типом взаимодействия понимают вид энергии, которой система обменивается с окружающей средой. На основе типов взаимодействия различают виды термодинамических систем. Так, если система обменивается с окружающей средой энергией в форме механической работы и теплоты, то говорят о термомеханической системе. Если система обменивается с окружающей средой энергией в форме механической работы и электрической энергии, то говорят о электромеханической системе. В теплоэнергетике и технике низких температур наибольшее распространение нашли термомеханические системы.

Число различных типов взаимодействия называется степенью свободы системы. Так термомеханическая система обладает двумя степенями свободы, а электротермомеханическая, обменивающаяся с окружающей средой теплотой, механической работой и электрической работой, - тремя.

При любом виде взаимодействия происходит изменение значений термодинамических параметров. При этом установлено, что для одного определённого типа взаимодействия характерны изменения значений определенного параметра. Такой параметр носит название координаты состояния. Координатой состояния системы, соответствующей рассматриваемому типу взаимодействия, называют термодинамический параметр, значение которого изменяется, если рассматриваемый тип взаимодействия между системой и окружающей средой имеет место, и наоборот, значение параметра не изменяется, если обмен энергии в соответствующей форме отсутствует.

Для механического взаимодействия системы с окружающей средой, т.е. для обмена системы с окружающей средой механической работой, координатой состояния системы будет её объем. Это значит, что если система совершает работу или над ней затрачивается работа, то будет происходить изменение объема. Если объем систем не изменяется, то система не совершает и не затрачивает механическую работу.

Для теплового взаимодействия с окружающей средой координатой состояния являются такая величина, как энтропия (обозначается буквой S). Это значит, что если система обменивается теплотой с окружающей средой, то энтропия системы изменяется. Если энтропия система постоянна, то теплообмен между системой и окружающей средой отсутствует.

Для взаимодействия системы с окружающей средой в рассмотрение вводят такое понятие как «потенциал взаимодействия». Под потенциалом взаимодействия понимают термодинамический параметр, разность значений которого у системы и окружающей среды приводит к появлению рассматриваемого типа взаимодействия системы с окружающей средой. Если же потенциал взаимодействия системы равен потенциалу окружающей среды, то взаимодействие рассматриваемого типа отсутствует. Иначе говоря, разность значений потенциала взаимодействия системы и среда является причиной обмена энергией в определённой форме между ними, т.е. причиной определённого типа взаимодействия.

Для механического взаимодействия системы с окружающей средой потенциалом взаимодействия является давление, взятое со знаком минус. Это значит, что если существует разность давлений системы и окружающей средой, то система совершает работу или над ней затрачивается работа. Если давление системы равно давлению окружающей среды, то система не совершает и не затрачивает механической работы. Пусть, например, давление системы стало выше давления окружающей среды. Это приводит к тому, что система, если она герметически изолирована, начинает расширяться, т.е. увеличивает свой объём. Изменение объёма показывает, что система совершает работу.

Для теплового взаимодействия системы с окружающей средой потенциалом взаимодействия является температура. Это значит, что если существует разность температур системы и окружающей средой, то система обменивается теплотой с окружающей средой. Если температура система равна температуре окружающей среды, то теплообмен между системой и окружающей средой отсутствует.

Таким образом, для термомеханической системы, т.е. для системы, которая участвует в двух типах взаимодействия – тепловом и механическом, можно составить следующую таблицу, которая приводит в соответствие тип взаимодействия, координату состояния и потенциал взаимодействия.

Потенциал взаимодействия и координату состояния объединяют термином «параметр взаимодействия»

Таблица 1

Параметр взаимодействия	Координата состояния	Потенциал взаимодействия
Тип взаимодействия
Механическое	Объём V	Давление (-Р)
Тепловое	Энтропия S	Температура T

Существует связь между количеством энергии, которым система обменялась с окружающей средой посредством данного типа взаимодействия, и значениями параметров взаимодействия.

Для бесконечно малого количества энергии справедлива формула

,

(14)

где - бесконечно малое количество энергии, переданного i-ым типом взаимодействия (символ обозначает бесконечно малую величину, или бесконечно малое изменение какой – либо величины, но при этом это бесконечно малое изменение не является полным дифференциалом);

- потенциал, соответствующий i-ому типу взаимодействия;

- координата состояния, соответствующая i-ому типу взаимодействия;

- бесконечно малое изменение координаты состояния при i-ом типе взаимодействия.

Для конечно количества энергии справедлива формула

,

(15)

где - конечное количество энергии, переданное i-ым типом взаимодействия при переходе системы их 1-ого состояния во 2-ое;

- потенциал, соответствующий i-ому типу взаимодействия;

- координата начального или 1-ого состояния системы, соответствующая i-ому типу взаимодействия;

- координата конечного или 2-ого состояния системы, соответствующая i-ому типу взаимодействия.

Существует определённое соответствие между видом параметра взаимодействия и интенсивностью или экстенсивностью параметра. К экстенсивным параметрам относится координата состояния системы, а к интенсивным - потенциал взаимодействия. Иначе говоря, величина координаты состояния при прочих равных условиях зависит от массы веществ в системе, а значение потенциала взаимодействия – нет. Поэтому для установления явной зависимости координаты состояния от массы в рассмотрение вводят удельную координату, которая характеризует единицу массы вещества

,

(16)

где - удельная координата состояния, соответствующая i-ому типу взаимодействия. Если система замкнута, т.е. масса системы является постоянной, то, представив выражение (16) в виде

и подставив её формулу в (15), можно получить

.

(17)

Это выражение показывает, что количество энергии, которым система обменивается с окружающей средой при i-ом типе взаимодействия, зависит от массы вещества в системе. Поэтому в рассмотрение вводят удельную энергию

,

(18)

которая характеризует количество энергии, которым обменялась единица массы вещества системы с окружающей средой. Полная энергия связана с удельной соотношением

.

(19)

Поскольку каждый термодинамический параметр является либо координатой состояния, либо потенциалом взаимодействия какого – либо типа, то уравнение состояния можно представить в виде обобщённого уравнения

,

(20)

где n – число степеней свободы системы;

- координаты состояния для 1-ого, 2-ого и n-ого типов взаимодействия;

- потенциалы взаимодействия 1-ого, 2-ого и n-ого типов.

Уравнение состояния (20), каким бы не был вид функции F, должно удовлетворять совокупности следующих условий

, i=1, 2, . . .n,

(21)

Которые являются условиями устойчивости равновесного состояния системы. Выполнение этих условий приводит к тому, что случайные возмущения, выводящие систему из равновесного состояния, вызывают процессы, возвращающие систему в состояние равновесия. Например, для механического типа взаимодействия условие (21) принимает вид

,

или

.

(22)

Последнее условие показывает, что если под действием разности давление системы и окружающей среды (давление среды меньше давления системы) система увеличила свой объём ( ), то изменение давления должно быть отрицательным ( ), т.е. давление системы уменьшится, что восстановит равновесие системы с окружающей средой. Именно необходимостью выполнения условия (22) обусловлен знак «минус» в определении потенциала механического взаимодействия как отрицательного давления. Можно заметить, что уравнение состояния идеального газа (6) и уравнение Ван – дер – Вальса (13) удовлетворяют условию (22).