ОСНОВЫНЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ Системы которые исследует термодинамика

ОСНОВЫНЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ. Системы, которые исследует термодинамика.

Каждая наука, и термодинамика также, изучает свои определенные области, ограничивая их и выделяя из необозримой сложности и многообразия всей совокупности бесчисленных процессов, протекающих в действительности. Этим упрощается задача познания неизвестного. Иначе ни одна наука не могла бы развиваться.

Термодинамика изучает состояние системы - некоторого определенного количества вещества. Что такое термодинамическая система? Каковы ее свойства? Что называется состоянием системы? Ответить на эти вопросы лучше всего конкретными примерами. Для термодинамика, изучающего химические реакции, системой будет та смесь многих реагирующих веществ в его приборе, где и протекают сложные химические превращения. Ученый-астрофизик назовет системой внутренность гигантской звезды того класса, который он изучает. Залив моря, где происходят кристаллизация и выделение солей из морской воды, - это тоже система для ученых, изучающих с точки зрения термодинамики солевые равновесия.

Перегретый водяной пар в рабочем колесе паровой турбины, взрывчатая газовая смесь паров горючего с воздухом в цилиндре двигателя автомашины, пары сверхвысокого давления в котельном агрегате тепловой электростанции - все это различные системы, свойства и состояния которых изучаются термодинамикой. Не следует думать, что системы, которые ученые изучают методами термодинамики, обязательно должны быть ограничены реальными твердыми стенками, например бронированными стенками колонн, в которых проводится синтез при высоком давлении на химическом заводе, стенками стеклянной колбы в лаборатории химика, стенками стального цилиндра в двигателе паровой машины или парового насоса. Исследователь может выделить изучаемую им систему воображаемыми мысленно границами: он может рассматривать образование облака в атмосфере, процессы, происходящие в живой клетке организма, состояние вещества внутри звезды, следить за процессами, протекающими в трубах реактора сложнейшего химического производства.

Система не может быть бесконечной. Термодинамика может изучать любые системы, но одно условие обязательно: система должна быть конечной. Она может быть ничтожно малой, такой, как, например, живая клетка, может быть гигантски большой, как звезда. Ее законы нельзя распространять не только на всю бесконечную Вселенную, но даже и на значительные области Вселенной, поскольку процессы в них в сильной степени определяются полями тяготения. Размеры систем, для которых применимы законы термодинамики, не могут быть и очень малыми. Эти законы утрачивают смысл для систем, состоящих всего из нескольких молекул.

Состояние и свойства системы. Состояние системы определяется температурой, давлением и объемом. Эти свойства системы хорошо всем знакомы, но они далеко не простые. Состояние водорода, водяного пара, любого газа, воды, любой жидкости, кристалла, самой сложной смеси реагирующих веществ полностью характеризуется соответствующими значениями свойств системы. Иногда ученомутермодинамику приходится принимать во внимание, учитывать и внешние воздействия на систему, от которых может зависеть ее состояние: силу тяжести (например, при изучении свободной атмосферы), электрические или магнитные поля. Состояние системы - это совокупность ее свойств. Изменилось состояние системы - изменились и значения ее свойств. Восстановилось снова прежнее состояние - восстановились прежние значения ее свойств. На настоящем состоянии системы ее прошлые состояния не отражаются. Вода остается той же самой водой, если ее заморозить, а потом растопить лед или сначала испарить воду, а потом сконденсировать пар. Изменение свойства не зависит от пути перехода системы из начального состояния в конечное. Очень важно, что справедливо и обратное утверждение: если при переходе системы из одного состояния в другое изменение некоторой величины не зависит от пути перехода, а определяется только начальным и конечным состояниями системы, то эта величина - свойство системы.

Уравнение состояния. И химику, и теплотехнику, и физику, и конструктору новых космических кораблей мало знать общие закономерности поведения системы вообще. Им нужно рассчитывать конкретные задачи. Для этого нужно знать уравнение состояния вещества. Его нельзя получить при помощи термодинамики. Оно должно быть найдено независимым путем: точными измерениями или теоретически. Уравнение состояния необходимо термодинамике знать заранее, без него она ничего не может рассчитать. Оно позволяет рассчитать для определенного вещества любую из четырех важнейших величин — количество вещества (т), его объем (v), давление (р) или температуру (Т), если известны три остальные величины: F(m, u, P, T)=0 Удобнее рассматривать один моль газа, тогда v в уравнении состояния означает мольный объем, т. е. объем одного моля вещества: F(u, P, T)=0

Вероятно, у многих может возникнуть вопрос: зачем нужно говорить о простых вещах так неопределенно, туманно и неясно? Если ученый изучает воду, так пусть он ее водой и называет. Дело в том, что термодинамика очень экономная наука. Если термодинамика дает уравнение для расчета химической реакции, то оно справедливо не только для какой-нибудь одной реакции, но и для всех химических реакций, где бы они ни протекали, кем бы ни проводились, при каких бы условиях ни осуществлялись и какие бы вещества в этих реакциях ни принимали участие. Непреложные термодинамические законы о превращениях энергии в тепловых машинах применимы ко всем тепловым двигателям, как бы они ни были построены, на каком бы принципе они ни работали, даже и к тем тепловым машинам, которые когда-нибудь будут изобретены. Поэтому гораздо правильнее и точнее эту замечательную особенность термодинамики выразить так: она изучает состояния и свойства термодинамической системы вообще, любой, какой угодно Графики уравнения состояния идеального газа. Вверху изображена зависимость объема от давления при постоянной температуре. Внизу - графики зависимостей изменения объема и давления от температуры. Этому уравнению подчиняется и воздух, только, конечно, нужно учитывать изменение температуры с изменением высоты

Наиболее важные процессы. Среди множества разнообразных процессов некоторые, наиболее простые, имеют особо важное значение для термодинамики. Из них здесь необходимо упомянуть два вида термодинамических процессов: 1. Те, которые протекают при постоянной температуре, носят название изотермических. Таких процессов и в природе, и в технике очень много. Изотермически, например, тает лед, вода превращается в пар, углекислый газ в сухой лед. Почти все процессы в живом организме протекают при постоянной температуре. 2. Те процессы, которые протекают без обмена теплом с окружающей средой, называются адиабатическими. Часто адиабатическим путем протекают очень быстрые процессы, когда система не успевает обменяться теплом с окружающей средой. Если вы заставите расшириться газ, помещенный в термос, ему придется расширяться адиабатическим путем. При этом газ охладится. Один французский рабочий-оружейник придумал в 1803 г. , когда еще не были изобретены спички, "воздушное огниво" - закрытую с одного конца трубку с поршнем. Очень быстрое и сильное сжатие воздуха в "воздушном огниве" приводит газ в раскаленное состояние, и трут, прикрепленный к поршню, воспламеняется. Это тоже адиабатический процесс. Конечно, и при изотермических, и при адиабатических процессах система взаимодействует с окружающей средой. При изотермических процессах система, совершая работу или изменяя состояние, поглощает из окружающей среды теплоту - ровно столько теплоты, что температура внутри системы остается постоянной. При адиабатических процессах система взаимодействует с окружающим миром, только совершая работу.