Основные понятия и определения термодинамики

Термодинамика Статья является частью одноименной серии. В термодинамике изучаются состояния и процессы, для описания которых можно ввести понятие. Термодинамика — этоопирающаяся на обобщения опытных фактов. Процессы, происходящие вописываются макроскопическими величинами, концентрации компонентовкоторые вводятся для описания систем, состоящих из большого числа частиц, и не применимы к отдельным молекулам и атомам, в отличие, например, от величин, вводимых в механике или электродинамике. Современная феноменологическая термодинамика является строгой теорией, развиваемой на основе нескольких постулатов. Однако связь этих постулатов со свойствами и законами взаимодействия частиц, из которых построены термодинамические системы, даётся. Статистическая физика позволяет выяснить также и границы применимости термодинамики. Законы термодинамики носят общий характер и не зависят от конкретных деталей строения вещества на атомарном уровне. Поэтому термодинамика успешно применяется в широком круге вопросов науки и техники, таких как, фазовые переходы,явления переноса и даже. Термодинамика имеет важное значение для самых разных областей физики и химии, химической технологии, аэрокосмической техникии находит своё применение даже в таких областях, как. Основные понятия и определения термодинамики научного знания о теплоте началось вместе с изобретением прибора, способного измерять температуру —. Считается, что первые термометры сделал в конце 16 века. Термодинамика возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Первые появились во второй половине 18 века и ознаменовали наступление. Учёные инженеры стали искать способы увеличить их эффективность, и в основные понятия и определения термодинамики году в сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» установил максимальный коэффициент полезного действия тепловых машин. Термодинамика как наука ведёт своё начало с этой работы, которая долгое время оставалась неизвестной современникам. В 40-х годах 19 века и количественно определили связь между механической работой и теплотой и сформулировали универсальный закон сохранения и превращения энергии. В 50-е годы и систематизировали накопленные к тому времени знания и ввели понятия энтропии и абсолютной температуры. В конце 19 века феноменологическая термодинамика была развита в работахкоторый создал метод термодинамических потенциалов, исследовал общие условия термодинамического равновесия, установил законы равновесия фаз и капиллярных явлений. В 1906 году опубликовал работу, в которой была сформулирована теорема, впоследствии получившая его имя известная как третье начало термодинамики. Аксиоматические основы термодинамики были в строгой форме впервые сформулированы в трудах в 1909 году. В равновесной термодинамике вводятся такие переменные, как внутренняя энергия, температура, энтропия, химический потенциал. Все они носят название термодинамических параметров величин. Классическая термодинамика изучает связи термодинамических параметров между собой и с физическими величинами, вводимыми в рассмотрение в других разделах физики, например, с гравитационным или электромагнитным полем, действующим на систему. Химические реакции и основные понятия и определения термодинамики переходы также входят в предмет изучения классической термодинамики. Однако изучение термодинамических систем, в которых существенную роль играют химические превращения, составляет предмета техническими приложениями занимается. В системах, не находящихся в состоянии термодинамического равновесия, например, в движущемся газе, может основные понятия и определения термодинамики приближение локального равновесия, в котором считается, что соотношения равновесной термодинамики выполняются локально в каждой точке системы. Однако в неравновесной термодинамике переменные рассматриваются как локальные не только в пространстве, но и во времени, то есть в её формулы время может входить в явном виде. Отметим, что посвящённая вопросам теплопроводности классическая работа Фурье «Аналитическая теория тепла» основные понятия и определения термодинамики опередила не только появление неравновесной основные понятия и определения термодинамики, но и работу Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» 1824которую принято считать точкой отсчёта в истории классической термодинамики. Классическая термодинамика включает в себя следующие разделы: начала термодинамики иногда также называемые законами или аксиомами уравнения состояния и свойства простых термодинамических систем, и т. Описание таких систем методами классической механики не только не представляется возможным, но и фактически лишено смысла. Особенности термодинамического описания возникают вследствие того, что поведение больших ансамблей частиц подчиняется статистическим закономерностям и не может быть сведено к анализу детерминированной эволюции. Однако исторически термодинамика развивалась без опоры на представления статистической теории, и основные положения термодинамики могут быть сформулированы на основе ограниченного числа постулатов, являющихся обобщениями опытных фактов. Число этих постулатов варьируется у разных авторов в соответствии с тем, как строитсяно традиционно считается, что можно выделить четыре начала термодинамики. Это понятие в общем случае достаточно сложно определить строго, поэтому используется описательное определение, в котором термодинамической системой называется макроскопическая система, которая каким-то образом например, с помощью реальной или воображаемой оболочки выделена из окружающей среды и способна взаимодействовать с ней. Если оболочка не допускает обмен ни веществом, ни энергией между системой и окружающей средой, то такая оболочка называется адиабатической, а соответствующая основные понятия и определения термодинамики - изолированной или замкнутой. Системы, у которых оболочка не препятствует обмену веществом и энергией, называются открытыми. Утверждается, что любая замкнутая термодинамическая система, для которой внешние основные понятия и определения термодинамики остаются неизменными, с течением времени переходит в равновесное состояние, основные понятия и определения термодинамики котором прекращаются все макроскопические процессы. При этом в системе на микроскопическом уровне могут происходить самые разные процессы, например, химические реакции, которые могут протекать и в прямом, и в обратном направлении, однако в среднем эти процессы компенсируют друг друга, и макроскопические параметры системы остаются неизменными, флуктуируя относительно равновесного значения. Флуктуации изучаются в статистической основные понятия и определения термодинамики. Равновесные состояния термодинамических систем могут быть описаны с помощью небольшого числа макроскопических параметров, таких как температура, давление, плотность, концентрации компонентов и т. Описанное таким образом состояние называется макроскопическим состоянием, и законы термодинамики позволяют установить связь между макроскопическими параметрами. Если параметр имеет одно и то же значение, не зависящее от размера любой выделенной части равновесной системы, то он называется неаддитивным или интенсивным, если же значение параметра пропорционально размеру части системы, то он называется аддитивным или экстенсивным. Давление и температура — неаддитивные параметры, а внутренняя энергия и энтропия — аддитивные параметры. Макроскопические параметры могут подразделяться на внутренние, характеризующие состояние системы как таковой, и внешние, описывающие взаимодействие системы с окружающей средой и силовыми полями, воздействующими на систему, однако это разделение достаточно условно. Так, если газ заключен в сосуд с подвижными стенками и его объём определяется основные понятия и определения термодинамики стенок, то объём является внешним параметром, а давление газа зависит от скоростей теплового движения молекул и является внутренним параметром. Напротив, если задаётся внешнее давление, то его можно считать внешним параметром, а объём газа — внутренним параметром. Постулируется, что в состоянии термодинамического равновесия каждый внутренний параметр может быть выражен через внешние параметры и температуру системы. Такая функциональная связь называется обобщённым уравнением состояния системы. Равновесная термодинамика не занимается описанием этих переходных процессов, а рассматривает состояние, устанавливающееся после релаксации неравновесностей. В термодинамике широко применяются идеализированные процессы, в основные понятия и определения термодинамики система переходит из одного состояния термодинамического равновесия в другое, которые непрерывно следуют друг за другом. Такие процессы называются квазистатическими или квазиравновесными процессами. Особую роль в методах термодинамики играют циклические процессы, в которых система возвращается в исходное состояние, совершая по ходу процесса работу и обмениваясь энергией с окружающей средой. Оно утверждает, что изолированная термодинамическая система с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия и остаётся в нём сколь угодно долго, если внешние условия сохраняются неизменными. Оно также называется общим началом. Классическая термодинамика постулирует лишь существование состояния термодинамического равновесия, но ничего не основные понятия и определения термодинамики о времени его достижения. В литературе в нулевое начало также часто включают положения о свойствах теплового равновесия. Тепловое равновесие может существовать между системами, разделёнными неподвижной теплопроницаемой основные понятия и определения термодинамики, то есть перегородкой, позволяющей системам обмениваться внутренней энергией, но не пропускающей вещество. Иначе говоря, если две замкнутые системы A и B приведены в тепловой основные понятия и определения термодинамики друг с другом, то после достижения термодинамического равновесия полной системой A+ B системы A и B будут находиться в состоянии теплового равновесия друг с другом. Основные понятия и определения термодинамики этом каждая из систем A и B сама по себе также находится в состоянии термодинамического равновесия. Тогда если системы B и C находятся в тепловом основные понятия и определения термодинамики, то системы A и C основные понятия и определения термодинамики находятся в тепловом равновесии между собой. В иноязычной и переводной литературе часто нулевым началом называют сам постулат о транзитивности теплового равновесияа положение о достижении термодинамического равновесия могут называть «минус первым» началом. Важность постулата о транзитивности состоит в том, что он позволяет ввести некоторую функцию состояния системы, обладающую свойствами эмпирической температуры, то есть создавать приборы для измерения температуры. Равенство эмпирических температур, измеренных с помощью такого прибора —есть условие теплового равновесия систем или частей одной и той же системы. Внутреннюю энергию U термодинамической системы можно изменить двумя способами, совершая над ней работу или посредством теплообмена с окружающей средой. Здесь dU — полный дифференциал внутренней энергии системы, δQ — элементарное количество теплоты, переданное системе, а δA — бесконечно малая или элементарная работа, совершённая системой. Так как работа и теплота не являются функциями состояния, а зависят от способа перехода системы из одного состояния в другое, применяется запись с символом δ, чтобы подчеркнуть, что δQ и δA — это бесконечно малые величины, которые нельзя считать дифференциалами какой-либо функции. Знаки при δQ и δA в приведённом выше соотношении выражают соглашение о том, что положительной считают работу, совершаемую системой, и теплоту, получаемую системой, принятое в большинстве современных работ по термодинамике. Работу, связанную с изменением в системе химическую работумогут выделять из общего выражения для работы в отдельное слагаемое. Фактически к этому результату пришёл уже Сади Карно в сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Однако Карно опирался на представления теории теплорода и не дал ясной формулировки второго начала термодинамики. Это было сделано в 1850—1851 годах независимо и. Имеется несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок этого закона. Постулат Кельвина: основные понятия и определения термодинамики круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара». Такой круговой процесс называется процессом Томсона-Планка, и постулируется, что такой процесс невозможен. Постулат Клаузиуса: « Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому». Процесс, при котором не происходит никаких других изменений, кроме передачи теплоты от холодного тела к горячему, называется процессом Клаузиуса. Постулат утверждает, что такой процесс невозможен. Теплота может переходить самопроизвольно только в одном направлении, от более нагретого тела к менее нагретому, и такой процесс является необратимым. Приняв за постулат невозможность процесса Томсона-Планка, можно доказать, что процесс Клаузиуса невозможен, и основные понятия и определения термодинамики, из невозможности процесса Клаузиуса следует, что процесс Томсона-Планка также невозможен. В совокупности с температурой и внутренней энергией, введёнными в нулевом и первом началах, энтропия составляет полный набор величин, необходимых для математического описания термодинамических процессов. Лишь две из упомянутых трёх величин, которыми термодинамика пополняет список используемых в физике переменных, являются независимыми. Фактически содержание теоремы Нернста включает в себя два положения. Первое из них постулирует существование предела энтропии при стремлении к абсолютному нулю. Численное значение этого предела принято полагать равным нулю, поэтому в литературе иногда говорят о том, что энтропия системы стремится к нулю при стремлении температуры к 0 Второе положение теоремы Нернста утверждает, что все процессы вблизи абсолютного нуля, переводящие систему из одного равновесного состояния в другое, происходят без изменения энтропии. Нулевые значения температуры и энтропии при абсолютном нуле приняты как удобные соглашения для устранения неоднозначности в построении шкалы для термодинамических величин. Нулевое основные понятия и определения термодинамики температуры служит реперной точкой для построения термодинамической шкалы температур. Энтропия, обращающаяся в нуль при абсолютном нуле температуры, называется абсолютной энтропией. В справочниках термодинамических величин часто приводятся значения абсолютной энтропии при температуре 298,15 К, которые соответствуют увеличению энтропии при нагреве вещества от 0 К до 298,15 Описание термодинамических систем, состоящих из огромного числа частиц, варьируется в зависимости от того, какая степень детализации принимается для выбора набора параметров. Наиболее подробное описание в классической механике требует указания координат импульсов всех частиц системы в какой-либо начальный момент времени и законов взаимодействия частиц, определяющих их эволюцию во времени. Описанное таким образом состояние системы называется динамическим. Для практических целей динамическое описание систем большого числа частиц непригодно. Следующим, более огрубленным уровнем описания является статистическое описание, когда динамические состояния усредняются по ячейкам в классической механике. В квантовой механике состояния различаются набором квантовых чисел и могут усредняться, например, по небольшим интервалам на шкале энергии. Такие состояния называются микросостояниями изучаются в классической или квантовой статистической механике. Выбор способа описания системы зависит от характерных временных масштабов, на которых изучается эволюция системы. Термодинамика имеет дело с макросостояниями, наиболее основные понятия и определения термодинамики уровнем описания, где для указания основные понятия и определения термодинамики системы требуется минимальное число макроскопических параметров. Вообще говоря, проблема определения микро- и макросостояний и описания их статистических свойств относится к наиболее фундаментальным и пока не получившим окончательного решения вопросам статистической физики. Важнейшими функциями состояния при аксиоматическом построении термодинамики являются температура, внутренняя энергия и энтропия, вводимые в началах термодинамики, а также термодинамические потенциалы. Однако функции состояния не являются независимыми, и для однородной изотропной системы любая термодинамическая функция может быть записана как функция двух независимых переменных. Такие функциональные связи называются уравнениями состояния. Различают основные понятия и определения термодинамики уравнение состояние, выражающее связь между температурой, давлением и объёмом или, что то же самое, плотностьюкалорическое уравнение состояние, выражающее внутреннюю энергию как функцию от температуры и объёма, и каноническое уравнение состояние, записываемое как термодинамический потенциал в соответствующих естественных переменных, из которого можно получить и термическое, и калорическое уравнения состояния. Знание уравнения состояния необходимо для применения общих принципов термодинамики к конкретным системам. Для каждой конкретной термодинамической системы её уравнение основные понятия и определения термодинамики определяется из опыта или методами статистической механики, и в рамках термодинамики оно считается заданным при определении системы. Для реальных газов было предложено свыше 150 вариантов уравнений состояния. Наиболее известные из них —и уравнение, получающееся посредством. Получение уравнения состояния для жидкостей, твёрдых тел и плазмы является непростой задачей. Для описания ударноволновых процессов в конденсированных средах может применяться. Термическое уравнение состояния газа устанавливает зависимость от температуры и не содержит других переменных. Существование термического уравнения состояния вытекает изоднако основные понятия и определения термодинамики термодинамика ничего не говорит относительно вида функциональной зависимости между входящими в это уравнение переменными, за исключением того, что уравнение состояния должно удовлетворять определённым условиям устойчивости. Они записываются в виде какого-либо из в своих естественных переменных, то есть в таких переменных, в которых полный дифференциал соответствующей термодинамической функции имеет наиболее простой вид. Например, для энтальпии естественными переменными являются энтропия и давление:. Из начал термодинамики следует, что полный дифференциал энтальпии имеет вид. Из этого соотношения можно получить и термическое, и калорическое уравнение состояния. Поскольку имеем ито есть получаем полные сведения о термических свойствах системы, а дифференцированием энтальпии по температуре получаем теплоёмкость при постоянном давлении C P и тем самым сведения о калорическом уравнении состояния. Аналогичным образом каноническими уравнениями состояния являются соотношения для внутренней энергиисвободной энергии Гельмгольца и потенциала Гиббса. Каждое из этих соотношений может применяться для соответствующих термодинамических систем из соображений удобства. Так, для изотермических изохорических процессов удобно использоватьдля изотермических изобарических —а для изолированных систем —. Вы можете эту статью, добавив ссылки на. Эта отметка установлена 26 октября 2013 года. Выражение для полного дифференциала внутренней энергии, называемое фундаментальным уравнением Гиббса в энергетическом выражении уравнением Гиббсаосновным уравнением термодинамикиосновным термодинамическим тождествомтермодинамическим тождествомдля имеет вид: Значимость этого уравнения и его более общих вариантов состоит в том, что оно представляет собой тот фундамент, на котором базируется весь математический аппарат современной феноменологической термодинамики, как равновесной, так и неравновесной. По большому счёту, рассмотренные выше законы начала термодинамики нужны были именно для обоснования этого соотношения. Почти вся сводится к постулированию самого этого уравнения и свойств входящих в него термодинамических переменных. С использованием основные понятия и определения термодинамики термодинамических потенциалов уравнение Гиббса можно переписать в следующих эквивалентных формах : Среди термодинамических величин выделяют внутренняя энергия, энтропия, объём и др. Величина называется экстенсивной, если её значение для системы, сложенной из нескольких частей, равно сумме значений этой величины для каждой части. Предположением об экстенсивности термодинамических величин, однако, можно пользоваться, если рассматриваемые системы достаточно большие и можно пренебречь различными краевыми эффектами при соединении нескольких систем, например, энергией. Пусть экстенсивная величина является однородной функцией первого порядка от своих экстенсивных аргументов математическое выражение аксиомы экстенсивности : для любого Для любой дифференцируемой однородной функции первого порядка выполняется теорема : Для энергии теорема Эйлера имеет вид : Отсюда следует уравнение Гиббса основные понятия и определения термодинамики Дюгема объясняя появление в названии уравнения, Гуггенгейм ссылается на книгу Дюгемаположившую начало применению в термодинамике теоремы Эйлера об однородных функцияхв котором все независимые переменные представляют собой : Это уравнение связывает интенсивные параметры системы и выполняет роль фундаментального уравнения для каждой. Непосредственным следствием из уравнения Гиббса — Дюгема является выражение для термодинамического потенциала Гиббса через химические потенциалы : Уравнение Гиббса — Дюгема играет важную роль в термодинамике и при рассмотрении. В частности, это уравнение используют при выводе. Для более сложных сред — анизотропных жидкостей и твёрдых тел, сред с электромагнитными свойствами и других, законы термодинамики имеют более сложную формулировку, а термодинамические потенциалы формулируются в обобщенном виде с использованием тензоров. В физике континуума термодинамика рассматривается как её составная часть, вводящая в рассмотрение переменные, характеризующие тепловые термические и химические свойства среды, их связь с другими физическими величинами, аксиомы термодинамики включаются в общую систему аксиом. Большой Энциклопедический словарь 2000. Проверено 10 апреля 2015. Проверено 10 апреля 2015. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. Работы Сади Карно — Томсон — Кельвин — Elements of classical thermodynamics. Вопросы термодинамики в механике деформируемого твёрдого основные понятия и определения термодинамики. Проверено 13 августа 2013. Понятие термодинамической фазы специально введено Гиббсом с той целью, чтобы «иметь термин, который относится только к составу и термодинамическому состоянию «…» тела и для которого не имеет значения его величина или его форма» Гиббс Дж. Thermodynamics: An Advanced Treatment for Chemists and Physicists. Заблуждения и ошибки в термодинамике. Неравновесная термодинамика и физическая основные понятия и определения термодинамики. История и методология термодинамики и статистической физики. Современная термодинамика, изложенная по методу Нелинейная механика основные понятия и определения термодинамики среды. Серия: Физико-математическое наследие: физика термодинамика и статистическая механика. Термодинамика и статистическая физика. Техническая термодинамика и энерготехнология химических производств. От тепловых двигателей до диссипативных структур. Термодинамика, статистическая физика и кинетика. Термодинамика и молекулярная физика. Харьков: Изд-во Харьковского ун-та, 1969. Последнее изменение этой страницы: 02:06, 2 мая 2016. Текст доступен по ; в отдельных случаях могут действовать дополнительные условия. Wikipedia® — зарегистрированный товарный знак некоммерческой организации.

См. также