Типи систем з термодинамічних параметрів. Термодинамічні параметри – що це? Параметри стану термодинамічної системи

Термодинамічна система– це частина матеріального світу, відокремлена від довкілля реальними чи уявними кордонами і є об'єктом дослідження термодинаміки. Навколишнє середовище значно більше за обсягом, і тому зміни у ньому незначні порівняно зі зміною стану системи. На відміну від механічних систем, які складаються з одного або кількох тіл, термодинамічна система містить дуже велику кількість частинок, що породжує абсолютно нові властивості та потребує інших підходів до опису стану та поведінки таких систем. Термодинамічна система є макроскопічний об'єкт.

Класифікація термодинамічних систем

1. За складом

Термодинамічна система складається із компонентів. Компонент - це речовина, яка може бути виділена із системи та існувати поза нею, тобто. компоненти – це незалежні речовини.

Однокомпонентні.

Двокомпонентні, або бінарні.

Трикомпонентні – потрійні.

Багатокомпонентні.

2. За фазовим складом– гомогенні та гетерогенні

Гомогенні системи мають однакові макроскопічні властивості у будь-якій точці системи, насамперед температуру, тиск, концентрацію, а також багато інших, наприклад, показник заломлення, діелектричну проникність, кристалічну структуру та ін. Гомогенні системи складаються з однієї фази.

Фаза– це однорідна частина системи, відокремлена з інших фаз поверхнею розділу і що характеризується своїм рівнянням стану. Фаза і агрегатний стан - поняття, що перекриваються, але не ідентичні. Агрегатних станів тільки 4 фаз може бути набагато більше.

ГетерогенніСистеми складаються мінімум з двох фаз.

3. За типами зв'язків із навколишнім середовищем(за можливостями обміну із довкіллям).

Ізольованасистема не обмінюється з оточуючої ні енергією, ні речовиною. Це ідеалізована система, яку, в принципі, не можна експериментально вивчати.

Закритасистема може обмінюватися з довкіллям енергією, але з обмінюється речовиною.

Відкритасистема обмінюється і енергією, і речовиною

Стан ТДС

Стан ТДС- Це сукупність всіх її вимірних макроскопічних властивостей, що мають, отже, кількісне вираз. Макроскопічний характер властивостей означає, що їх можна приписати тільки до системи загалом, а не окремих частинок, які становлять ТДС (Т, р, V, c, U, n k). Кількісні характеристики стану пов'язані між собою. Тому існує мінімальний набір характеристик системи, які називаються параметрами , Завдання яких дозволяє повністю описати властивості системи. Кількість цих параметрів залежить від типу системи. У найпростішому випадку для закритої гомогенної газової системи в стані рівноваги достатньо встановити лише 2 параметри. Для відкритої системи крім цих 2 параметрів системи потрібно задати число молей кожного компонента.

Термодинамічні змінні поділяються:

- зовнішні, які визначаються властивостями та координатами системи у навколишньому середовищі та залежать від контактів системи з оточенням, наприклад, маса та кількість компонентів, напруженість електричного поля, кількість таких змінних обмежена;

- внутрішні, які характеризують властивості системи, наприклад, густина, внутрішня енергія, число таких параметрів необмежено;

- екстенсивні,які прямо пропорційні масі системи або кількості частинок, наприклад, обсяг, енергія, ентропія, теплоємність;

-інтенсивні, які залежать від маси системи, наприклад, температура, тиск.

Параметри ТДС пов'язані між собою співвідношенням, яке зветься рівняння стансистеми. Загальний вигляд його f(p,V , T)= 0. Одне з найважливіших завдань ФГ – визначити рівняння стану будь-якої системи. Поки що точне рівняння стану відомо лише ідеальних газів (рівняння Клапейрона - Менделєєва).

pV = nRT, ( 1.1)

де R- Універсальна газова постійна = 8.314 Дж / (моль.К) .

[p] = Па, 1атм = 1,013 * 105 Па = 760 мм рт.ст.,

[V] = м 3 , [T] = До, [n] = моль, N = 6.02 * 1023 моль-1. Реальні гази лише наближено описуються даним рівнянням, і що вище тиск і нижче температура, то більше вписувалося відхилення від цього рівняння стану.

Розрізняють рівноважнеі нерівноважнестани ТДС.

Класична термодинаміка, зазвичай, обмежується розглядом рівноважних станів ТДС. Рівновага - це такий стан, до якого мимоволі приходить ТДС, і в якому вона може існувати нескінченно довго без зовнішніх впливів. Для визначення рівноважного стану завжди потрібно менше параметрів, ніж для нерівноважних систем.

Рівноважний стан поділяють на:

- стійке(стабільний) стан, при якому будь-яка нескінченно мала вплив викликає тільки нескінченно мала зміна стану, а при усуненні цього впливу система повертається у вихідний стан;

- метастабільнестан, у якому деякі кінцеві впливу викликають кінцеві зміни стану, які зникають при усунення цих впливів.

Зміна стану ТДС пов'язана зі зміною хоча б однієї з її термодинамічних змінних термодинамічний процес. Особливістю опису термодинамічних процесів і те, що вони характеризуються не швидкостями зміни властивостей, а величинами змін. Процес у термодинаміці – це послідовність станів системи, яка веде від початкового набору термодинамічних параметрів до кінцевого. Розрізняють такі термодинамічні процеси:

- мимовільні, для здійснення яких не потрібно витрачати енергію;

- мимовільні, що відбуваються лише за витрати енергії;

- Необоротні(або нерівноважні) – коли внаслідок процесу неможливо повернути систему до початкового стану.

-оборотні – це ідеалізовані процеси, які відбуваються у прямому та зворотному напрямку через одні й ті самі проміжні стани, і після завершення циклу ні в системі, ні в навколишньому середовищі не спостерігається жодних змін.

Функції стану- Це характеристики системи, які залежать тільки від параметрів стану, але не залежать від способу досягнення.

Функції стану характеризуються такими властивостями:

Нескінченна мала зміна функції fє повним диференціалом df;

Зміна функції при переході зі стану 1 до стану 2 визначається лише цими станами ∫ df = f 2 – f 1

Через війну будь-якого циклічного процесу функція стану змінюється, тобто. дорівнює нулю.

Теплота та робота– способи обміну енергією між ТДС та довкіллям. Теплота та робота характеристики процесу, вони не є функціями стану.

Робота- Форма обміну енергією на макроскопічному рівні, коли відбуваються спрямоване переміщення об'єкта. Робота вважається позитивною, якщо її робить система проти зовнішніх сил.

Теплота– форма обміну енергією мікроскопічному рівні, тобто. у формі зміни хаотичного руху молекул. Прийнято вважати позитивною теплоту, отриману системою, і роботу, виконану з неї, тобто. діє "егоїстичний принцип" .

Найбільш часто використовуваними одиницями виміру енергії та роботи, зокрема, у термодинаміці є джоуль (Дж) у системі СІ та позасистемна одиниця – калорія (1 кал = 4,18 Дж).

Залежно від характеру об'єкта розрізняють різні види роботи:

1. Механічна - переміщення тіла

dА хутро = - F ех dl.(2.1)

Робота – скалярне твір 2-х векторів сили та переміщення, тобто.

|dА хутро | = F dl cosα. Якщо напрям зовнішньої сили протилежний переміщенню, що здійснюється внутрішніми силами, то cosα < 0.

2. Робота розширення (найчастіше розглядається розширення газу)

dА = - р dV (1.7)

Проте треба пам'ятати, що це вираз справедливо лише з оборотного протікання процесу.

3. Електрична - Переміщення електричних зарядів

dА ел = -jdq,(2.2)

де j -Електричний потенціал.

4. Поверхнева - Зміна площі поверхні,

dА поверхн. = -sdS,(2.3)

де s -поверхневий натяг.

5. Загальний вираз для роботи

dА = - Ydx,(2.4)

Y- Узагальнена сила, dx -узагальнена координата, таким чином робота може розглядатися як твір інтенсивного чинника зміну екстенсивного.

6. Усі види роботи, крім роботи розширення, називаються корисний роботою (dА'). dА = рdV + dА' (2.5)

7. За аналогією можна запровадити поняття хімічної роботи, коли спрямовано переміщається k-а хімічна речовина, n k– екстенсивна властивість, при цьому інтенсивний параметр m kназивається хімічним потенціалом k-ої речовини

dА хім = -Sm k dn k. (2.6)

Термодинамічна система– сукупність макроскопічних тіл, які можуть взаємодіяти між собою та з іншими тілами (зовнішнім середовищем) – обмінюватися з ними енергією та речовиною. Обмін енергією та речовиною може відбуватися як усередині самої системи між її частинами, так і між системою та зовнішнім середовищем. Залежно від можливих способів ізоляції системи від довкілля розрізняють кілька видів термодинамічних систем.

Відкритою системоюназивається термодинамічна система, яка може обмінюватися речовиною та енергією із зовнішнім середовищем. Типовими прикладами таких систем можуть бути всі живі організми, і навіть рідина, маса якої безупинно зменшується внаслідок випаровування чи кипіння.

Термодинамічна системаназивається закритоюякщо вона не може обмінюватися із зовнішнім середовищем ні енергією, ні речовиною. Замкнутоюсистемою називатимемо термодинамическую систему, ізольовану в механічному відношенні, тобто. не здатну до обміну енергією із зовнішнім середовищем шляхом виконання роботи. Прикладом такої системи може бути газ, укладений у посудину постійного обсягу. Термодинамічна система називається адіабатноїякщо вона не може обмінюватися з іншими системами енергією шляхом теплообміну.

Термодинамічні параметри (параметрами стану)називаються фізичні величини, що служать характеристики стану термодинамічної системи.

Прикладами термодинамічних властивостей є тиск, обсяг, температура, концентрація. Розрізняють два типи термодинамічних параметрів: екстенсивніі інтенсивні. Перші пропорційні кількості речовини у цій термодинамічної системі, другі не залежить від кількості речовини у системі. Найпростішим екстенсивним параметром є обсяг Vсистеми. Величину v, рівну відношенню обсягу системи до її маси, називають питомим об'ємом системи. Найпростішими інтенсивними параметрами є тиск рі температура Т.

Тиском називається фізична величина

де dFn– модуль нормальної сили, що діє на малу ділянку поверхні тіла пло-
щадю dS.

Якщо тиск і питомий об'єм мають ясний і простий фізичний зміст, набагато складнішим і менш наочним є поняття температури. Зауважимо насамперед, що поняття температури, строго кажучи, має сенс лише рівноважних станів системи.

Рівноважний стан термодинамічної системи– стан системи, у якому всі параметри мають певні значення й у якому система може залишатися скільки завгодно довго. Температура у всіх частинах термодинамічної системи, яка перебуває в рівноважному стані, однакова.

Під час теплообміну між двома тілами з різною температурою відбувається передача теплоти від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою. Цей процес припиняється, коли температури обох тіл вирівнюються.

Температура системи, що у рівноважному стані, служить мірою інтенсивності теплового руху атомів, молекул та інших частинок, що утворюють систему. У системі частинок, описуваних законами класичної статистичної фізики і що у рівноважному стані, середня кінетична енергія теплового руху частинок прямо пропорційна термодинамічної температурі системи. Тому іноді кажуть, що температура характеризує ступінь нагрітості тіла.

При вимірі температури, яке можна проводити тільки непрямим шляхом, використовується залежність від температури цілого ряду фізичних властивостей тіла, що піддаються прямому або непрямому виміру. Наприклад, при зміні температури тіла змінюються його довжина та об'єм, щільність, пружні властивості, електричний опір тощо. Зміна будь-якої з цих властивостей є основою вимірювань температури. Для цього необхідно, щоб для одного (вибраного) тіла, що називається термометричним тілом, була відома функціональна залежність цієї властивості від температури. Для практичних вимірювань температури використовуються температурні шкали, встановлені за допомогою термометричних тіл. У Міжнародній стоградусній температурній шкалі температура виявляється у градусах Цельсія (°С) [А. Цельсій (1701–1744) – шведський учений] та позначається t, Причому приймається, що при нормальному тиску 1,01325 × 10 5 Па температури плавлення льоду і кипіння води рівні, відповідно, 0 і 100 °С. У термодинамічній температурній шкалі температура виявляється у Кельвінах (К) [У. Томсон, лорд Кельвін (1821-1907) - англійський фізик], позначається Ті називається термодинамічної температури. Зв'язок між термодинамічною температурою Ті температурою за стоградусною шкалою має вигляд T = t + 273,15.

Температура T= 0 К (за стоградусною шкалою t= -273,15 ° С) називається абсолютним нулемтемператури або нулем за термодинамічною шкалою температур.

Параметри стану системи поділяються на зовнішні та внутрішні. Зовнішніми параметрамиСистеми називаються фізичні величини, що залежать від положення в просторі та різних властивостей (наприклад електричних зарядів) тіл, які є зовнішніми по відношенню до даної системи. Наприклад, для газу таким параметром є обсяг Vсудини,
в якому знаходиться газ, тому що обсяг залежить від розташування зовнішніх тіл – стінок судини. Атмосферний тиск є зовнішнім параметром для рідини у відкритій посудині. Внутрішні параметриСистеми називаються фізичні величини, що залежать як від положення зовнішніх по відношенню до системи тіл, так і від координат і швидкостей частинок, що утворюють цю систему. Наприклад, внутрішніми параметрами газу є його тиск і енергія, які залежать від координат і швидкостей рухомих молекул і від густини газу.

Під термодинамічний процесрозуміють всяку зміну стану розглянутої термодинамічної системи, що характеризується зміною її термодинамічних параметрів. Термодинамічний процес називається рівноважнимякщо в цьому процесі система проходить безперервний ряд нескінченно близьких термодинамічно рівноважних станів. Реальні процеси зміни стану системи завжди відбуваються з кінцевою швидкістю і тому можуть бути рівноважними. Очевидно, однак, що реальний процес зміни стану системи буде тим ближчим до рівноважного, чим повільніше він відбувається, тому такі процеси називають квазістатичними.

Прикладами найпростіших термодинамічних процесів можуть бути такі процеси:

а) ізотермічний процес, при якому температура системи не змінюється ( T= const);

б) ізохорний процес, що відбувається при постійному обсязі системи ( V= const);

в) ізобарний процес, що відбувається при постійному тиску в системі ( p= const);

г) адіабатний процес, що відбувається без теплообміну між системою та зовнішнім середовищем.

Розглянемо особливості термодинамічних систем. Під ними прийнято розуміти фізичні макроскопічні форми, що складаються із значної кількості частинок, які не передбачають використання для опису макроскопічних показників кожної окремої частки.

Немає обмежень у природі матеріальних частинок, що є складовими компонентами таких систем. Вони можуть бути представлені у вигляді молекул, атомів, іонів, електронів, фотонів.

Особливості

Проаналізуємо характерні характеристики термодинамічних систем. Як приклад, можна навести будь-який предмет, який можна спостерігати без використання телескопів, мікроскопів. Щоб дати повноцінний опис такій системі, підбирають макроскопічні деталі, завдяки яким можна визначити обсяг, тиск, температуру, електричну поляризацію, магнітну індукцію, хімічний склад, масу компонентів.

Для будь-яких термодинамічних систем існують умовні чи реальні межі, які відокремлюють їхню довкілля. Замість неї часто використовують поняття термостата, що характеризується такою високою величиною теплоємності, що у разі теплообміну з системою, що аналізується, температурний показник зберігає незмінне значення.

Класифікація систем

Розглянемо, що є класифікація термодинамічних систем. Залежно від характеру взаємодії її з довкіллям, прийнято виділяти:

• ізольовані види, які не обмінюються ні речовиною, ні енергією із зовнішнім середовищем;
• адіабатично ізольовані, що не здійснюють обміну із зовнішнім середовищем речовиною, але вступають в обмін роботою або енергією;
• у закритих термодинамічних систем немає обміну речовиною, допускається лише зміна величини енергії;
• відкриті системи характеризуються повною передачею енергії, речовини;
• частково відкриті можуть мати напівпроникні перегородки, тому повною мірою брати участь у матеріальному обміні.

Залежно від опису, параметри термодинамічної системи можуть поділятися на складні та прості варіанти.

Особливості простих систем

Простими системами називають рівноважні стани, визначити фізичний стан яких можна питомим обсягом, температурою, тиском. Приклади термодинамічних систем подібного типу - ізотропні тіла, що мають рівні характеристики у різних напрямках та точках. Так, рідини, газоподібні речовини, тверді тіла, які перебувають у стані термодинамічної рівноваги, не зазнають впливу електромагнітних та гравітаційних сил, поверхневого натягу, хімічних перетворень. Аналіз простих тіл визнаний у термодинаміці важливим та актуальним з практичної та теоретичної точки зору.

Внутрішня енергія термодинамічної системи такого виду пов'язана з навколишнім світом. При описі використовують кількість частинок, масу речовини кожного окремого компонента.

Складні системи

До складних належать термодинамічні системи, які не потрапляють під прості види. Наприклад, ними є магнетики, діелектрики, тверді пружні тіла, надпровідники, поверхні поділу фаз, теплове випромінювання, електрохімічні системи. Як параметри, що використовуються для їх опису, відзначимо пружність пружини або стрижня, поверхня фазового розділу, теплове випромінювання.

Фізичною системою називають таку сукупність, у якій немає хімічної взаємодії між речовинами в межах показників температури, тиску, вибраних для дослідження. А хімічними системами називають ті варіанти, які мають на увазі взаємодію між її окремими компонентами.

Внутрішня енергія термодинамічної системи залежить від наявності її ізоляції з навколишнім світом. Наприклад, як варіант адіабатичної оболонки, можна уявити судину Дьюара. Гомогенний характер проявляється у системи, де всі компоненти мають подібні властивості. Прикладами їх є газові, тверді, рідкі розчини. Типовим прикладом газової гомогенної фази є атмосфера Землі.

Особливості термодинаміки

Цей розділ науки займається вивченням основних закономірностей перебігу процесів, пов'язані з виділенням, поглинанням енергії. У хімічній термодинаміці передбачається вивчення взаємних перетворень складових частин системи, встановлення закономірностей переходу одного виду енергії в інший за заданих умов (тиску, температури, об'єму).

Система, що є об'єктом термодинамічного дослідження, може бути представлена ​​у вигляді будь-якого об'єкта природи, що включає велику кількість молекул, які відокремлені межею поділу з іншими реальними об'єктами. Під станом системи маються на увазі сукупність її властивостей, які дозволяють визначати її з позицій термодинаміки.

Висновок

У будь-якій системі спостерігається перехід одного виду енергії до іншої, встановлюється термодинамічна рівновага. Розділ фізики, що займається детальним вивченням перетворень, змін, збережень енергії, має особливе значення. Наприклад, у хімічній кінетиці можна не просто описати стан системи, а й розрахувати умови, що сприяють її зміщенню у потрібному напрямку.

Закон Гесса, що пов'язує ентальпію, ентропію аналізованого перетворення, дає можливість виявляти можливість мимовільного перебігу реакції, розраховувати кількість теплоти, що виділяється (поглинається) термодинамічної системою.

Термохімія, що базується на основах термодинаміки, має практичне значення. Завдяки цьому розділу хімії, на виробництві проводять попередні розрахунки ефективності палива та доцільності впровадження певних технологій у реальне виробництво. Відомості, одержувані з термодинаміки, дозволяють застосовувати явища пружності, термоелектрики, в'язкості, намагнічування для промислового виробництва різних матеріалів.

Газ у металевій посудині є прикладом системи з нерухомими межами. Якщо необхідно проаналізувати газ у балоні для стінки судини - це нерухомі межі. Якщо необхідно проаналізувати повітря у повітряній кулі, поверхня повітряної кулі – рухомий кордон. Якщо нагріти повітря в повітряній кулі, еластичні стінки кульки розтягуються, і межа системи змінюється з розширенням газу.

Простір, суміжний з кордоном, називається середовищем. У всіх термодинамічних системє середовище, яке може бути джерелом або забирати його. Середовище може також виконати роботу над системою або випробовувати на собі роботу системи.

Системи можуть бути більшими чи маленькими, залежно від кордонів. Наприклад, система може охоплювати всю холодильну систему чи газ одному з циліндрів компресора. Вона може існувати у вакуумі або може містити декілька фаз однієї чи більше речовин. Отже, дійсні системи можуть містити сухе повітря та (дві речовини) або воду та водяна пара(Дві стадії однієї і тієї ж речовини). Однорідна система складається з однієї речовини, однієї фази або однорідної суміші декількох компонентів.

Системи бувають замкнутимиабо відкритими. У замкненій лише енергія перетинає її межі. Отже, теплота може переходити через межі замкнутої системи в середу або з середовища в систему.

У відкритій системі і енергія, і маса можуть переходити із системи у середу та назад. При аналізі насосів та теплообмінників необхідна відкрита система, оскільки рідини повинні перетинати кордони під час аналізу. Якщо масова витрата відкритої системи стійка і однорідна, то її називають відкритою системою з постійною витратою. Масова витрата показує, відкрита чи закрита вона.

Стан термодинамічної системивизначається фізичними властивостями речовини. Температура, тиск, обсяг, внутрішня енергія, та ентропія - це властивості, що визначають стан, при якому існує речовина. Так як стан системи - це стан рівноваги, його можна визначити лише тоді, коли властивості системи стабілізовані і більше не змінюються.

Іншими словами, стан системи можна описати, коли вона перебуває у стані рівноваги з навколишнім середовищем.

Вступ. Предмет теплотехніки. Основні поняття та визначення. Термодинамічна система. Параметри стану. Температура. Тиск. Питомий обсяг. Рівняння стану. Рівняння Ван-дер-Ваальса .

Співвідношення між одиницями:

1 бар = 10 5 Па

1 кг/см 2 (атмосфера) = 9.8067 10 4 Па

1мм рт. ст (міліметр ртутного стовпа) = 133 Па

1мм вод. ст. (міліметр водного стовпа) = 9.8067 Па

густина - відношення маси речовини до обсягу займаної цією речовиною.

Питомий обсяг - величина обернена щільності, тобто. відношення обсягу зайнятого речовиною до його маси.

Визначення: Якщо в термодинамічній системі змінюється хоча б один із параметрів будь-якого тіла, що входить в систему, то в системі відбувається термодинамічний процес .

Основні термодинамічні параметри стану Р, V, Тоднорідного тіла залежать один від одного і взаємно пов'язані рівнянням стану:

F (P, V, Т)

Для ідеального газу рівняння стану записується як:

P- тиск

v- питомий обсяг

T- температура

R- Постійна газова (у кожного газу своє значення)

Якщо відомо рівняння стану, то визначення стану найпростіших систем досить знати дві незалежні змінні з 3-х

Р = f1 (v, т); v = f2 (Р, Т); Т = f3 (v, Р).

Термодинамічні процеси часто зображуються на графіках стану, де по осях відкладено параметри стану. Крапки, на площині такого графіка, відповідають певному стану системи, лінії на графіці відповідають термодинамічних процесів, що переводять систему з одного стану до іншого.

Розглянемо термодинамічну систему, що складається з одного тіла будь-якого газу в посудині з поршнем, причому посудина і поршень у цьому випадку є зовнішнім середовищем.

Нехай, наприклад, відбувається нагрівання газу в посудині, можливі два випадки:

1) Якщо поршень зафіксований і обсяг не змінюється, то відбудеться підвищення тиску в посудині. Такий процес називається ізохорним(v = const), що йде при постійному обсязі;

Рис. 1.1. Ізохорні процеси в P - Tкоординатах: v 1 >v 2 >v 3

2) Якщо поршень вільний, то газ, що нагрівається, буде розширюватися, при постійному тиску такий процес називається ізобаричним (P= const), що йде при постійному тиску.

Рис. 1.2 Ізобарні процеси в v - Tкоординатах: P 1 >P 2 >P 3

Якщо, переміщуючи поршень, змінювати обсяг газу в посудині, температура газу теж буде змінюватися, проте можна охолоджуючи посудину при стисканні газу і нагріваючи при розширенні можна досягти того, що температура буде постійною при змінах об'єму та тиску, такий процес називається ізотермічним (Т= Const).

Рис. 1.3 Ізотермічні процеси P - vкоординатах: Т 1 >T 2 >T 3

Процес, при якому відсутній теплообмін між системою та навколишнім середовищем, називається адіабатним, при цьому кількість теплоти в системі залишається постійними ( Q= Const). У реальному житті адіабатних процесів немає оскільки повністю ізолювати систему від довкілля неможливо. Однак, часто відбуваються процеси, при яких теплообмінному з навколишнім середовищем дуже малий, наприклад, швидке стиснення газу в посудині поршнем, коли тепло не встигає відводитися за рахунок нагрівання поршня та судини.

Рис. 1.4 Зразковий графік адіабатного процесу P - vкоординати.

Визначення: Круговий процес (Цикл) - це сукупність процесів, що повертають систему до початкового стану. Число окремих процесів може бути будь-яким у циклі.

Поняття кругового процесу є для нас ключовим у термодинаміці, оскільки робота АЕС заснована на пароводяному циклі, тобто ми можемо розглядати випаровування води в активній зоні (АЗ), обертання парою ротора турбіни, конденсацію пари і надходження води в АЗ як якийсь замкнутий термодинамічний процес або цикл.

Визначення: Робочі тіло - певна кількість речовини, яка, беручи участь у термодинамічному циклі, робить корисну роботу. Робочим тілом у реакторній установці РБМК є вода, яка після випаровування в активній зоні у вигляді пари здійснює роботу в турбіні, обертаючи ротор.

Визначення: Передача енергії в термодинамічному процесі від одного тіла до іншого, пов'язана зі зміною об'єму робочого тіла, з переміщенням його у зовнішньому просторі або зі зміною його положення називається роботою процесу .

Термодинамічна система

Технічна термодинаміка (т/д) розглядає закономірності взаємного перетворення теплоти на роботу. Вона встановлює взаємозв'язок між тепловими, механічними та хімічними процесами, що відбуваються в теплових та холодильних машинах, вивчає процеси, що відбуваються в газах та парах, а також властивості цих тіл за різних фізичних умов.

Термодинаміка базується на двох основних законах (початках) термодинаміки:

I закон термодинаміки- Закон перетворення та збереження енергії;

II закон термодинаміки- встановлює умови протікання та спрямованість макроскопічних процесів у системах, що складаються з великої кількості частинок.

Технічна т/д, застосовуючи основні закони до процесів перетворення теплоти на механічну роботу і назад, дає можливість розробляти теорії теплових двигунів, досліджувати процеси, які у них тощо.

Об'єктом дослідження є термодинамічна система,якою може бути група тіл, тіло чи частина тіла. Те, що знаходиться поза системою називається довкіллям. Т/д система це сукупність макроскопічних тіл, що обмінюються енергією один з одним та навколишнім середовищем. Наприклад: т/д система - газ, що знаходиться в циліндрі з поршнем, а довкілля - циліндр, поршень, повітря, стіни приміщення.

Ізольована система - т/д система, що не взаємодіє з навколишнім середовищем.

Адіабатна (теплоізольована) система - система має адіабатну оболонку, яка виключає обмін теплотою (теплообмін) із навколишнім середовищем.

Однорідна система - Система, що має у всіх своїх частинах однаковий склад та фізичні властивості.

Гомогенна система - однорідна система за складом та фізичною будовою, усередині якої немає поверхонь розділу (лід, вода, гази).

Гетерогенна система - Система, що складається з декількох гомогенних частин (фаз) з різними фізичними властивостями, відокремлених одна від одної видимими поверхнями розділу (лід та вода, вода та пара).
У теплових машинах (двигунах) механічна робота здійснюється за допомогою робочих тіл – газ, пар.

Властивості кожної системи характеризуються рядом величин, які прийнято називати термодинамічні параметрами. Розглянемо деякі з них, використовуючи при цьому відомі з курсу фізики молекулярно-кінетичні уявлення про ідеальний газ як про сукупність молекул, які мають зникаючи малі розміри, знаходяться в безладному тепловому русі і взаємодіють один з одним лише при зіткненнях.

Тиск обумовлено взаємодією молекул робочого тіла з поверхнею і чисельно дорівнює силі, що діє на одиницю площі поверхні тіла по нормалі до останньої. Відповідно до молекулярно-кінетичної теорії тиск газу визначається співвідношенням

Де n- Число молекул в одиниці об'єму;

т- Маса молекули; з 2- Середня квадратична швидкість поступального руху молекул.

У Міжнародній системі одиниць (СІ) тиск виявляється у паскалях (1 Па = 1 Н/м 2 ). Оскільки ця одиниця мала, зручніше використовувати 1 кПа = 1000 Па та 1 МПа = 10 6 Па.

Тиск вимірюється за допомогою манометрів, барометрів та вакуумметрів.

Рідинні і пружинні манометри вимірюють надлишковий тиск, що є різницею між повним або абсолютним тиском. рвимірюваного середовища та атмосферним тиском

pатм, тобто.

Прилади для вимірювання тиску нижче атмосферного називаються вакуум-метрами; їх показання дають значення розрідження (або вакууму):

тобто надлишок атмосферного тиску над абсолютним.

Слід зазначити, що параметр стану є абсолютний тиск. Саме воно входить до термодинамічних рівнянь.

Температуроюназивається фізична величина, Що характеризує ступінь нагрітості тілаПоняття про температуру випливає з наступного твердження: якщо дві системи перебувають у тепловому контакті, то разі нерівності їх температур вони обмінюватися теплотою друг з одним, якщо їх температури рівні, то теплообміну нічого очікувати.

З погляду молекулярно-кінетичних уявлень температура є міра інтенсивності теплового руху молекул. Її чисельне значення пов'язане з величиною середньої кінетичної енергії молекул речовини:

де k- Постійна Больцмана, що дорівнює 1,380662.10? 23 Дж/К. Температура T, визначена в такий спосіб, називається абсолютною .

У системі СІ одиницею температури є кельвін (К); практично широко застосовується градус Цельсія (°С). Співвідношення між абсолютною Тта стоградусної Iтемпературами має вигляд

У промислових та лабораторних умовах температуру вимірюють за допомогою рідинних термометрів, пірометрів, термопар та інших приладів.

Питомий обсяг v— це обсяг одиниці маси речовини.Якщо однорідне тіло масою Мзаймає обсяг v,то за визначенням

v= V/М.

У системі СІ одиниця питомого обсягу 1 м3/кг. Між питомим обсягом речовини та її щільність існує очевидне співвідношення:

Для порівняння величин, що характеризують системи в однакових станах, вводиться поняття «нормальні фізичні умови»:

p= 760 мм рт. = 101,325 кПа; T= 273,15 K.

У різних галузях техніки та різних країнах вводять свої, дещо відмінні від наведених «нормальні умови», наприклад, «технічні» ( p= 735,6 мм рт. = 98 кПа, t= 15?C) або нормальні умови для оцінки продуктивності компресорів ( p= 101,325 кПа, t= 20?С) і т.д.

Якщо всі термодинамічні параметри постійні в часі і однакові у всіх точках системи, такий стан системи називаєтьсярівно-навесні .

Якщо між різними точками в системі існують різниці температур, тисків та інших параметрів, то вона єнерівноважний. У такій системі під дією градієнтів параметрів виникають потоки теплоти, речовини та інші, які прагнуть повернути її стан рівноваги. Досвід показує, що ізольована система з часом завжди приходить у стан рівноваги і ніколи мимоволі вийти з нього не може.У класичній термодинаміці розглядаються лише рівноважні системи.

Рівняння стану.Для рівноважної термодинамічної системи існує функціональний зв'язок між параметрами стану, що називається рівнянням стану. Досвід показує, що питомий об'єм, температура та тиск найпростіших систем, якими є гази, пари чи рідини, пов'язані. термічним рівняннямстан виду:

Рівняння стану можна надати іншу форму:

Ці рівняння показують, що з трьох основних параметрів, що визначають стан системи, незалежними є два будь-які.

Для вирішення завдань методами термодинаміки необхідно знати рівняння стану. Однак воно не може бути отримане в рамках термодинаміки і повинно бути знайдено експериментально, або методами статистичної фізики. Конкретний вид рівняння стану залежить від індивідуальних властивостей речовини.