Termodynamický systém

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 26. června 2021; kontroly vyžadují 4 úpravy .

Termodynamický systém  je fyzické tělo (soubor těles) schopné vyměňovat energii a (nebo) hmotu s jinými tělesy (mezi sebou samými) [1] ; makroskopický fyzikální systém určený (vlastně nebo mentálně) ke studiu , sestávající z velkého množství částic a nevyžadující pro svůj popis zapojení mikroskopických charakteristik jednotlivých částic [2] , "část vesmíru, kterou si vybereme pro studium" [3] . Jednotkou pro měření počtu částic v termodynamickém systému je obvykle Avogadroovo číslo [4] (přibližně 6·10 23 částic na mol látky), které dává představu o příslušné velikosti. Omezení povahy hmotných částic tvořících termodynamický systém nejsou uložena: mohou to být atomy , molekuly , elektrony , ionty , fotony atd. [5] [6] . Jakýkoli pozemský objekt viditelný pouhým okem nebo pomocí optických přístrojů ( mikroskopy , pozorovací dalekohledy atd.) lze přiřadit k termodynamickým systémům: „Termodynamika je studium makroskopických systémů, jejichž prostorové rozměry a životnost jsou dostatečné k provádění normálních procesy měření“ [5] . Makroskopické systémy obvykle zahrnují objekty o velikostech od 10 −7  m (100 nm) do 10 12  m [7] .

Podmíněnost spodní hranice souvisí mimo jiné s tím, že pro termodynamiku není důležitá velikost objektu, ale počet částic, které jej tvoří. Krychle ideálního plynu s hranou 100 nm obsahuje za normálních podmínek asi 27 000 částic (viz Loschmidtova konstanta ).

Pracovní tekutina [K 1] , jejíž koncept se používá v technické termodynamice , je příkladem termodynamického systému.

Absolutně pevné těleso z termodynamického hlediska je jedna částice a z tohoto důvodu, bez ohledu na svou velikost, nepatří do termodynamických systémů [9] .

Galaktické a metagalaktické systémy nejsou termodynamické [10] .

Jakákoli část termodynamického systému se nazývá podsystém .

K popisu termodynamického systému se používají makroskopické parametry , které charakterizují nikoli vlastnosti jeho částic, ale vlastnosti samotného systému: teplota , tlak , objem , magnetická indukce , elektrická polarizace , hmotnost a chemické složení složek atd. [11] [12] .

Každý termodynamický systém má hranice , reálné nebo podmíněné, oddělující ho od okolí [13] , což znamená všechna tělesa, která nejsou zahrnuta do termodynamického systému [14] . Někdy se místo o prostředí mluví o termostatu [5] , tedy o médiu s tak velkou tepelnou kapacitou , že se jeho teplota nemění při výměně tepla se zkoumaným systémem [15] [16] [17] . Standardně se předpokládá, že prostředí je dostatečně velké, a proto jeho parametry nezávisí na procesech probíhajících v uvažovaném systému. Navíc se obvykle předpokládá, že prostředí je ve stavu termodynamické rovnováhy a jeho charakteristiky nezávisí na čase a prostorových souřadnicích.

Je důležité, aby složení termodynamického systému zahrnovalo všechny částice přítomné v oblasti prostoru určeného pro studium. Faktem je, že v termodynamice je někdy skutečný fyzikální systém mentálně rozdělen na nezávislé subsystémy objektů se speciálními vlastnostmi a stejný objem je považován za současně obsazený dvěma nebo více virtuálními kvazi nezávislými (slabě interagujícími) dílčími subsystémy . částic různé povahy (např. směs plynů je charakterizována parciálními tlaky plynů, z nichž se skládá [18] ; v plynném plazmatu jsou současně přítomny ionty a volné elektrony s jejich výrazně odlišnými parciálními teplotami - iontová a elektronová [19 ] [20] ; subsystémy fononů a magnonů jsou rozlišeny v krystalu , subsystém jaderných spinů paramagnet se vyznačuje vlastní parciální spinovou teplotou [21] , která může nabývat záporných hodnot na Kelvinově stupnici [22] [ 23] [24] ). Tato formální technika nám umožňuje zavést dílčí charakteristiky pro uvažovaný subsystém částic , které nemusí nutně přímo souviset s fyzikálním systémem jako celkem (viz např. Záporná absolutní teplota ).

Termodynamické systémy jsou předmětem studia termodynamiky , statistické fyziky a fyziky kontinua .

Klasifikace termodynamických systémů

Podle vnitřních procesů se rozlišují systémy [25]

Podle povahy interakce s prostředím se systémy rozlišují [13] :

Podle stavových parametrů použitých pro termodynamický popis systému rozlišují: jednoduché systémy , jednoduché otevřené systémy a komplexní systémy .

.

Jednoduchá tělesa jsou izotropní tělesa (isos - stejný, tropos - směr, obecně - rovnost charakteristik stavu a fyzikálních vlastností tělesa ve všech jeho bodech a ve všech směrech), zejména: plyny, páry, kapaliny a mnoho pevných látek, které jsou v termodynamické rovnováze a nepodléhají působení povrchového napětí, gravitačních a elektromagnetických sil a chemických přeměn. Studium jednoduchých těles v termodynamice má největší teoretický a praktický zájem.

Pokud látky, které tvoří systém v uvažovaném rozsahu podmínek ( tlak , teplota ) , spolu chemicky neinteragují , pak se systém nazývá fyzikální . Pokud látky systému mezi sebou reagují, pak se mluví o chemickém systému [41] [42] [43] .

Skutečná izolace termodynamického systému od okolí se provádí pomocí stěn ( rozhraní , přepážek , plášťů ) [44] : pohyblivých a nepohyblivých, propustných a nepropustných pro hmotu (existují i ​​příčky polopropustné ). Dewarova nádoba je dobrým příkladem [45] adiabatického ( tepelně izolačního [46] ) pláště . Přepážka, která nebrání přenosu tepla, tedy není adiabatická, se nazývá diatermická [47] [48] ( tepelně propustná [49] ).

Protože u otevřených systémů ztrácí výklad pojmů „práce“ a „teplo“ svou jednoznačnost [50] , ztrácí pak myšlenka adiabaticity svoji jistotu. Aby se obnovila jistota a zachovala se ekvivalence myšlenky adiabatické izolace jako zákazu přenosu tepla, a adiabatické izolace, která umožňuje výměnu energie pouze ve formě práce, pro otevřené systémy je třetí forma přenosu energie. přidáno k teplu a práci - energie redistribuce hmot látek tvořících systém [51] [ 52] [53] [54] , a vlastnosti adiabatického obalu jsou doplněny požadavkem, aby obal byl pro látku neprostupný [55] [56] [57] [58] [29] [32] . Bohužel tento způsob obnovení jedinečnosti výkladu pojmu „adiabaticita“, který je široce používán v technické termodynamice , zároveň v případě otevřených systémů z praktického hlediska činí koncept adiabaticity zbytečným. takže v chemické termodynamice takových systémů se pojem „adiabaticita“ nepoužívá .

Termodynamický systém se nazývá homogenní , pokud mezi žádnou z jeho částí nejsou žádné separační plochy [1] , a proto se vlastnosti systému plynule mění bod od bodu [59] . Homogenní systém se stejnými vlastnostmi v libovolném bodě se nazývá homogenní [59] [1] . Příkladem homogenních systémů jsou roztoky (plyn, kapalina a pevná látka). Plynná fáze velkého rozsahu podél gradientu gravitačního pole (například zemská atmosféra za bezoblačného a bezvětrného dne) je příkladem nehomogenní homogenní fáze (viz barometrický vzorec ).

Termodynamický systém se nazývá heterogenní , pokud se skládá z několika homogenních částí s různými vlastnostmi. Na plochách oddělujících homogenní části heterogenního systému se prudce mění alespoň jedna termodynamická vlastnost látky [60] [1] . Často (ale ne vždy) je rozhraní viditelné.

Homogenní část heterogenního systému se nazývá fáze [60] . Méně přísně, ale jasněji se fáze nazývají „homogenní části systému, oddělené od ostatních částí viditelnými rozhraními“ [12] . Příkladem je systém led-voda-vlhký vzduch. Homogenní systém obsahuje pouze jednu fázi; heterogenní systém se skládá ze dvou nebo více fází [61] . Počet fází v heterogenním systému se řídí Gibbsovým fázovým pravidlem . Stejná látka v pevném stavu agregace může mít několik fází (rombická a jednoklonná síra , šedý a bílý cín atd.) [60] .

Obrázek ukazuje jednu z možností klasifikace termodynamických systémů.

Viz také

Komentáře

  1. Pracovní tekutina je ve vztahu k motorům chápána jako látka ( plyn , kapalina , pevná látka ), pomocí které se energie uvolněná při spalování organického paliva a při jaderných reakcích z jaderného paliva přeměňuje na užitečnou mechanickou práci [8 ] .

Poznámky

  1. 1 2 3 4 5 6 7 Termodynamika. Základní pojmy. Terminologie. Písmenná označení veličin, 1984 , s. 6.
  2. Fyzická encyklopedie, díl 5, 1998 , s. 84.
  3. Zalewski, K., Fenomenologická a statistická termodynamika, 1973 , s. 9.
  4. Kvasnikov I. A., Termodynamika, 2002 , s. 17.
  5. 1 2 3 Kubo R., Termodynamika, 1970 , str. jedenáct.
  6. Bazarov I.P., Termodynamika, 2010 , s. 206.
  7. Khachkuruzov G. A., Základy obecné a chemické termodynamiky, 1979 , s. osm.
  8. Kuprikov M. Yu. , Proudový motor, 2015 .
  9. Borshchevsky A. Ya., Physical chemistry, vol. 1, 2017 , s. 40.
  10. Skakov S. V. , Technická termodynamika, 2014 , s. 6.
  11. Fyzika. Velký encyklopedický slovník, 1998 , str. 521.
  12. 1 2 Gerasimov Ya. I. et al., Kurz fyzikální chemie, svazek 1, 1970 , str. 27.
  13. 1 2 Prigozhin I., Kondepudi D., Moderní termodynamika, 2002 , str. osmnáct.
  14. GOST R 57700.4-2017 Numerické modelování fyzikálních procesů. Pojmy a definice v oborech mechaniky kontinua: hydromechanika, dynamika plynů, str. 4 . Získáno 18. července 2018. Archivováno z originálu 18. července 2018.
  15. Bazarov I.P., Termodynamika, 2010 , s. 40.
  16. Kozlov V.V., Gibbsovy soubory a nerovnovážná statistická mechanika, 2008 , s. 171.
  17. Putilov K. A., Termodynamika, 1971 , s. 101.
  18. Fyzika. Velký encyklopedický slovník, 1998 , str. 522.
  19. Belonuchkin V. E. Krátký kurz termodynamiky, 2010 , s. 160.
  20. Frank-Kamenetsky D. A., Lectures on Plasma Physics, 1968 , s. 53.
  21. Teplota otáčení – článek z Fyzické encyklopedie
  22. Teplota otáčení – článek z Velké sovětské encyklopedie
  23. Landau L. D., Lifshits E. M., Statistická fyzika. Část 1, 2002 , str. 262.
  24. Powles, D. Negativní absolutní teploty, 1964 .
  25. Dobroborsky B.S. Bezpečnost strojů a lidský faktor / Ed. d.t.s., prof. S.A. Volkov. - Petrohrad. : SPbGASU, 2011. - S. 33 - 35. - 114 s. — ISBN 978-5-9227-0276-8 . Archivováno 20. ledna 2022 na Wayback Machine
  26. Novikov I.I., Termodynamika, 1984 , s. osm.
  27. Haywood R., Termodynamika rovnovážných procesů, 1983 , s. 56.
  28. G. D. Baer, ​​​​Technická termodynamika, 1977 , s. 73-74.
  29. 1 2 Zalewski K., Fenomenologická a statistická termodynamika, 1973 , s. deset.
  30. Atkins P., de Paula J., Fyzikální chemie, část 1, 2007 , str. 51.
  31. Khachkuruzov G. A., Základy obecné a chemické termodynamiky, 1979 , s. dvacet.
  32. 1 2 Vukalovič M. P., Novikov I. I., Termodynamika, 1972 , s. dvacet.
  33. 1 2 GOST IEC 60050-113-2015 Mezinárodní elektrotechnický slovník. Část 113. Fyzika v elektrotechnice (IEC 60050-113:2011, IDT), s. 17 . Získáno 18. července 2018. Archivováno z originálu 16. července 2018.
  34. Termodynamika. Základní pojmy. Terminologie. Písmenná označení veličin, 1984 .
  35. Storonkin A. V., Termodynamika heterogenních systémů, díly 1-2, 1967 , s. 120-121.
  36. Belokon N.I., Základní principy termodynamiky, 1968 , s. 12.
  37. Gukhman A. A., O základech termodynamiky, 2010 , s. 66.
  38. A. Munster, Chemická termodynamika, 1971 , str. 141.
  39. Sychev V.V., Komplexní termodynamické systémy, 2009 , s. 257.
  40. Sychev V.V., Komplexní termodynamické systémy, 2009 .
  41. Komponenty (v termodynamice a chemii) // Velká sovětská encyklopedie, 1973. (nepřístupný odkaz) . Získáno 25. dubna 2015. Archivováno z originálu dne 5. března 2021. 
  42. Gorshkov V.S. et al., Fyzikální chemie silikátů, 1988 , str. 193.
  43. Gameeva O. S., Fyzikální a koloidní chemie, 1969 , s. 162.
  44. Fyzická encyklopedie, díl 4, 1994 , s. 196.
  45. Sivukhin D.V., Obecný kurz fyziky, díl 2, 2005 , s. 42.
  46. R. Haase, Termodynamika nevratných procesů, 1967 , s. 19.
  47. Münster A., ​​​​Klasická termodynamika, 1970 , s. dvacet.
  48. A. Munster, Chemická termodynamika, 1971 , str. 32.
  49. Belov G.V., Termodynamika, část 1, 2017 , str. 23.
  50. R. Haase, Termodynamika nevratných procesů, 1967 , s. 25.
  51. Fyzická encyklopedie, díl 3, 1992 , s. 555 .
  52. Tamm M. E., Treťjakov Yu. D., Fyzikální a chemické základy anorganické chemie, 2004 , str. jedenáct.
  53. I. Prigozhin, D. Kondepudi, Moderní termodynamika, 2002 , str. 52.
  54. Kubo R., Termodynamika, 1970 , str. 16.
  55. Magaev O. V. et al., Základy chemické termodynamiky, 2017 , s. osm.
  56. Kvasnikov I. A., Termodynamika, 2002 , s. 22.
  57. Petrov N., Brankov J., Moderní problémy termodynamiky, 1986 , s. 66.
  58. K. P. Gurov, Fenomenologická termodynamika nevratných procesů, 1978 , s. 9.
  59. 1 2 Bazarov I.P., Termodynamika, 2010 , str. 21.
  60. 1 2 3 Bazarov I.P., Termodynamika, 2010 , str. 22.
  61. A. Munster, Chemická termodynamika, 1971 , str. patnáct.

Literatura

Technická univerzita|LGTU]], 2014. — 113 s. - ISBN 978-5-88247-698-3 .