Термодинамическое состояние
| Термодинамика |
|---|
 |
|
|
|
|
В термодинамике термодинамическое состояние системы — это ее состояние в определенный момент времени; то есть полностью идентифицируются значениями подходящего набора параметров, известных как переменные состояния , параметры состояния или термодинамические переменные. Если для системы задан такой набор значений термодинамических переменных, значения всех термодинамических свойств системы определяются однозначно. Обычно по умолчанию за термодинамическое состояние принимается состояние термодинамического равновесия . Это означает, что состояние — это не просто состояние системы в определенный момент времени, но то же самое, неизменное в течение неопределенно длительного периода времени.
термодинамическое состояние определяющие Свойства ,
- Температура ( T ) представляет собой среднюю кинетическую энергию частиц в системе. Это мера того, насколько горячая или холодная система.
- Давление ( P ) — это сила, с которой частицы системы воздействуют на единицу площади стенок контейнера.
- Объем ( V ) относится к пространству, занимаемому системой.
- Состав определяет количество каждого компонента, присутствующего в системах с более чем одним компонентом (например, смесях).
Термодинамический путь [ править ]
Когда система переходит из одного состояния в другое, говорят, что она проходит определенный путь. Путь можно описать тем, как изменяются свойства, например, изотермический (постоянная температура) или изобарический (постоянное давление) пути.
Термодинамика устанавливает идеализированную концептуальную структуру, которую можно резюмировать формальной схемой определений и постулатов. Термодинамические состояния относятся к числу фундаментальных или примитивных объектов или понятий схемы, для которых их существование является первичным и определяющим, а не выводится или конструируется из других концепций. [1] [2] [3]
Термодинамическая система – это не просто физическая система . [4] Скорее, в целом, бесконечно много различных альтернативных физических систем составляют данную термодинамическую систему, потому что в целом физическая система имеет гораздо больше микроскопических характеристик, чем упоминается в термодинамическом описании. Термодинамическая система — макроскопический объект , микроскопические детали которого не рассматриваются явно в его термодинамическом описании. Количество переменных состояния, необходимых для определения термодинамического состояния, зависит от системы и не всегда известно заранее; обычно это обнаруживается на основе экспериментальных данных. Число всегда два или более; обычно это не более нескольких десятков. Хотя число переменных состояния фиксируется экспериментом, остается выбор, какую из них использовать для того или иного удобного описания; данную термодинамическую систему можно альтернативно идентифицировать с помощью нескольких различных вариантов выбора набора переменных состояния. Выбор обычно делается на основе стен и окружения, которые актуальны для помещения. термодинамические процессы , которые необходимо учитывать в системе. Например, если предполагается учитывать теплообмен в системе, то стенка системы должна быть теплопроницаемой, и эта стена должна соединять систему с телом в окружающей среде, которое имеет определенную, не зависящую от времени температуру. . [5] [6]
Для равновесной термодинамики в термодинамическом состоянии системы ее содержимое находится во внутреннем термодинамическом равновесии, с нулевыми потоками всех величин как внутри, так и между системой и окружающей средой. Для Планка основной характеристикой термодинамического состояния системы, состоящей из одной фазы , в отсутствие внешнего силового поля, является пространственная однородность. [7] Для неравновесной термодинамики подходящий набор идентифицирующих переменных состояния включает в себя некоторые макроскопические переменные, например, ненулевой пространственный градиент температуры, которые указывают на отклонение от термодинамического равновесия. Такие переменные состояния, определяющие неравновесие, указывают на то, что внутри системы или между системой и окружающей средой может возникать некоторый ненулевой поток. [8]
Переменные состояния и функции состояния [ править ]
 |
Термодинамическую систему можно идентифицировать или описать различными способами. Наиболее непосредственно его можно идентифицировать по подходящему набору переменных состояния. Менее непосредственно его можно описать подходящим набором величин, включающим переменные состояния и функции состояния.
Первичная или первоначальная идентификация термодинамического состояния тела материи осуществляется с помощью непосредственно измеримых обычных физических величин. Для некоторых простых целей для данного тела данного химического состава достаточным набором таких величин являются «объем и давление».
Помимо непосредственно измеримых обычных физических переменных, которые первоначально определяют термодинамическое состояние системы, система характеризуется дополнительными величинами, называемыми функциями состояния , которые также называются переменными состояния, термодинамическими переменными, величинами состояния или функциями состояния. Они однозначно определяются термодинамическим состоянием, поскольку оно было идентифицировано исходными переменными состояния. Таких государственных функций много. Примерами являются внутренняя энергия , энтальпия , свободная энергия Гельмгольца , свободная энергия Гиббса , термодинамическая температура и энтропия . Для данного тела данного химического строения, когда его термодинамическое состояние полностью определяется его давлением и объемом, тогда его температура определяется однозначно. Термодинамическая температура представляет собой специфически термодинамическую концепцию, в то время как исходные непосредственно измеряемые переменные состояния определяются посредством обычных физических измерений без ссылки на термодинамические концепции; по этой причине полезно рассматривать термодинамическую температуру как функцию состояния.
Переход от заданного исходного термодинамического состояния к заданному конечному термодинамическому состоянию термодинамической системы называется термодинамическим процессом; обычно это передача материи или энергии между системой и окружающей средой. В любом термодинамическом процессе, какими бы ни были промежуточные условия во время его прохождения, общее соответствующее изменение значения каждой переменной термодинамического состояния зависит только от начального и конечного состояний. Для идеализированного непрерывного или квазистатического процесса это означает, что бесконечно малые приращения таких переменных являются точными дифференциалами . Вместе постепенные изменения на протяжении всего процесса, а также начальное и конечное состояния полностью определяют идеализированный процесс.
В наиболее часто цитируемом простом примере идеального газа термодинамическими переменными будут любые три переменные из следующих четырех: количество вещества , давление , температура и объем . Таким образом, термодинамическое состояние будет располагаться в трехмерном пространстве состояний. Оставшаяся переменная, а также другие величины, такие как внутренняя энергия и энтропия , будут выражаться как функции состояния этих трех переменных. Функции состояния удовлетворяют определенным универсальным ограничениям, выраженным в законах термодинамики , и зависят от особенностей материалов, составляющих конкретную систему.
различные термодинамические диаграммы Для моделирования переходов между термодинамическими состояниями были разработаны .
Состояние равновесия [ править ]
|
Физические системы, встречающиеся в природе, практически всегда динамичны и сложны, но во многих случаях макроскопические физические системы поддаются описанию на основе близости к идеальным состояниям. Одним из таких идеальных условий является состояние устойчивого равновесия. Такое состояние является примитивным объектом классической или равновесной термодинамики, в которой оно называется термодинамическим состоянием. Основываясь на многих наблюдениях, термодинамика постулирует, что все системы, изолированные от внешней среды, будут развиваться так, чтобы приблизиться к уникальным устойчивым состояниям равновесия. Существует ряд различных типов равновесия, соответствующих различным физическим переменным, и система достигает термодинамического равновесия, когда одновременно выполняются условия всех соответствующих типов равновесия. Ниже перечислены несколько различных типов равновесия.
- Тепловое равновесие : когда температура во всей системе одинакова, система находится в тепловом равновесии.
- Механическое равновесие : если в каждой точке данной системы нет изменения давления с течением времени и нет движения материала, система находится в механическом равновесии.
- Фазовое равновесие : это происходит, когда масса каждой отдельной фазы достигает значения, которое не меняется со временем.
- Химическое равновесие . При химическом равновесии химический состав системы установился и не меняется со временем.
Ссылки [ править ]
- ^ Каллен, HB (1960/1985), с. 13.
- ^ Каратеодори, К. (1909).
- ^ Марсланд, Р. III , Браун, Х.Р., Валенте, Г. (2015).
- ^ Джейнс, ET (1965), стр. 397.
- ^ Пригожин И. , Дефай Р. (1950/1954), с. 1.
- ^ Земанский, М.В. , Диттман, Р.Х. (1937/1981), стр. 10. 6.
- ^ Планк, М. , (1923/1927), с. 3.
- ^ Я, Британская Колумбия (2002).
Библиография [ править ]
- Бейлин, М. (1994). Обзор термодинамики , Американский институт физики, Нью-Йорк, ISBN 0-88318-797-3 .
- Ценгель, Юнус; Майкл А. Боэлс (2011). Термодинамика: инженерный подход . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-352932-5 .
- Каллен, Х.Б. (1960/1985). Термодинамика и введение в термостатистику , (1-е издание, 1960 г.), 2-е издание, 1985 г., Уайли, Нью-Йорк, ISBN 0-471-86256-8 .
- Каратеодори, К. (1909). «Исследования по основам термодинамики» (PDF) . Математические летописи . 67 (3): 355–386. дои : 10.1007/BF01450409 . Перевод можно найти здесь . Наиболее надежный перевод можно найти у Кестина Дж. (1976). Второй закон термодинамики , Дауден, Хатчинсон и Росс, Страудсбург, Пенсильвания.
- Эу, Британская Колумбия (2002). Обобщенная термодинамика. Термодинамика необратимых процессов и обобщенная гидродинамика , Kluwer Academic Publishers, Дордрехт, ISBN 1-4020-0788-4 .
- Джейнс, ET (1965). Гиббс против энтропии Больцмана, Am. Дж. Физ. , 33 : 391–398.
- Моделл, Майкл; Роберт С. Рид (1974). Термодинамика и ее приложения . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN 0-13-914861-2 .
- Марсланд, Р. III , Браун, Х. Р., Валенте, Г. (2015). Время и необратимость в аксиоматической термодинамике , Ам. Дж. Физ. , 83 (7): 628–634.
- Планк, М. (1923/1927). Трактат по термодинамике , перевод А. Огга, третье английское издание, Longmans, Green and Co. , Лондон.
- Пригожин И. , Дефе Р. (1950/1954). Химическая термодинамика , Longmans, Green & Co, Лондон.
- Тиса, Л. (1966). Обобщенная термодинамика , MIT Press, Кембридж, Массачусетс.
- Земанский, М.В. , Диттман, Р.Х. (1937/1981). Тепло и термодинамика. Учебник для среднего уровня , шестое издание, McGraw-Hill Book Company, Нью-Йорк, ISNM 0-07-072808-9.