Основные термодинамические понятия

Термодинамика основана на строгих понятиях: «система», «состояние системы», «функции состояния системы».

Термодинамической системой называют любой объект, состоящий из достаточно большого числа структурных единиц и отделенных от других объектов реальной или воображаемой граничной поверхностью. Объекты природы, не входящие в систему, называют окружающей средой.

Термодинамические системы по характеру обмена веществом и энергией с окружающей средой подразделяют на три типа:

– изолированные – системы не обмениваются с окружающей средой ни массой, ни энергией (Δ m = 0, Δ E = 0);

– закрытые – системы обмениваются с окружающей средой энергией, но не обмениваются массой (Δ m = 0, Δ E ≠ 0);

– открытые – системы обмениваются с окружающей средой и массой, и энергией (Δ m ≠ 0, Δ E ≠ 0).

Обмен энергией может осуществляться передачей теплоты или совершением работы.

Состояние системы характеризуется термодинамическими параметрами: давлением (р), температурой (Т), концентрацией (С). При изменении параметров меняется состояние системы, осуществляется процесс.

В тех случаях, когда изменение состояния системы происходит при постоянном объеме, процесс называется изохорным (Δ V = 0); при постоянном давлении – изобарным (Δ р = 0); при постоянной температуре – изотермическим (Δ Т = 0); при постоянных давлении и температуре – изобарно-изотермическим.

Термодинамические свойства системы – это свойства, изменение которых не зависит от пути процесса. Термодинамические свойства системы можно выразить с помощью нескольких функций состояния, называемых характеристическими. Наиболее используемые характеристические функции: внутренняя энергия (U), энтальпия (H), энтропия (S), энергия Гиббса (G).

Внутренняя энергия (U) включает все виды энергии системы: энергию движения молекул, атомов, ядер и других частиц, а также их потенциальную энергию. Она представляет способность системы совершать работу или передавать тепло. Внутреннюю энергию нельзя измерить, но можно определить ее изменение (Δ U) при переходе из одного состояния в другое: Δ U= U ₂ –U ₁, где U ₂и U ₁внутренняя энергия системы в конечном и начальном состояниях. Изменение внутренней энергии в процессе можно измерить с помощью работы и теплоты, так как система может обмениваться с окружающей средой энергией в форме теплоты (Q) и работы (W).

Количественные соотношения между изменением внутренней энергии, теплотой и работой устанавливает первый закон (начало) термодинамики:

Δ Q = Δ U + Δ W; (1)

Δ Q = Δ U + p Δ V. (2)

Теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на работу системы над окружающей средой. Первый закон термодинамики является следствием выражения закона сохранения энергии, согласно которому энергия не может ни создаваться, ни исчезать, но может превращаться из одной формы в другую.

В тех случаях, когда изменение состояния системы происходит при постоянном объеме (Δ V =0), тогда из математического выражения первого начала термодинамики (2) следует:

Δ Q_V = Δ U. (3)

 

Из выражения (3) вытекает термодинамическое определение: внутренняя энергия – функция состояния, увеличение которой равно теплоте Q_V, полученной системой в изохорном процессе.