Sistem termodinamic

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 26 iunie 2021; verificările necesită 4 modificări .

Un sistem termodinamic  este un corp fizic (un set de corpuri) capabil să facă schimb de energie și (sau) materie cu alte corpuri (între ele) [1] ; un sistem fizic macroscopic alocat (de fapt sau mental) pentru studiu , constând dintr-un număr mare de particule și care nu necesită implicarea caracteristicilor microscopice ale particulelor individuale pentru descrierea sa [2] , „o parte a Universului pe care o selectăm pentru studiu” [3] . Unitatea de măsurare a numărului de particule dintr-un sistem termodinamic este de obicei numărul Avogadro [4] (aproximativ 6·10 23 particule pe mol de substanță), care oferă o idee despre ordinul de mărime în cauză. Nu se impun restricții asupra naturii particulelor materiale care formează un sistem termodinamic: pot fi atomi , molecule , electroni , ioni , fotoni , etc. [5] [6] . Orice obiect terestru vizibil cu ochiul liber sau cu ajutorul instrumentelor optice ( microscoape , lunete spot , etc.) poate fi atribuit sistemelor termodinamice: „Termodinamica este studiul sistemelor macroscopice ale căror dimensiuni spațiale și durata de viață sunt suficiente pentru a desfășura normal. procese de măsurare” [5] . În mod convențional, sistemele macroscopice includ obiecte cu dimensiuni de la 10 −7  m (100 nm) la 10 12  m [7] .

Condiționalitatea limitei inferioare este legată, printre altele, de faptul că pentru termodinamică nu dimensiunea obiectului este importantă, ci numărul de particule care îl formează. Un cub de gaz ideal cu o margine de 100 nm conține aproximativ 27.000 de particule în condiții normale (vezi constanta lui Loschmidt ).

Fluidul de lucru [K 1] , al cărui concept este utilizat în termodinamica tehnică , este un exemplu de sistem termodinamic.

Un corp absolut solid din punct de vedere termodinamic este o singură particulă și din acest motiv, indiferent de dimensiunea sa, nu aparține sistemelor termodinamice [9] .

Sistemele galactice și metagalactice nu sunt termodinamice [10] .

Orice parte a unui sistem termodinamic se numește subsistem .

Pentru a descrie un sistem termodinamic, se folosesc parametri macroscopici care caracterizează nu proprietățile particulelor sale constitutive, ci proprietățile sistemului însuși: temperatură , presiune , volum , inducție magnetică , polarizare electrică , masa și compoziția chimică a componentelor etc. [11] [12] .

Fiecare sistem termodinamic are granițe , reale sau condiționate, separându-l de mediu [13] , ceea ce înseamnă toate corpurile care nu sunt incluse în sistemul termodinamic [14] . Uneori, în loc de mediu, se vorbește despre un termostat [5] , adică un mediu cu o capacitate de căldură atât de mare încât temperatura acestuia nu se modifică în timpul schimbului de căldură cu sistemul studiat [15] [16] [17] . În mod implicit, se presupune că mediul este suficient de mare și, prin urmare, parametrii acestuia nu depind de procesele care au loc în sistemul luat în considerare. În plus, se presupune de obicei că mediul se află într-o stare de echilibru termodinamic și caracteristicile sale nu depind de timp și coordonatele spațiale.

Este important ca compoziția sistemului termodinamic să includă toate particulele prezente în regiunea spațiului alocată studiului. Faptul este că, în termodinamică, uneori un sistem fizic real este împărțit mental în subsisteme independente de obiecte cu proprietăți speciale, iar același volum este considerat ca fiind ocupat simultan de două sau mai multe subsisteme parțiale virtuale cvasi-independente (care interacționează slab între ele). de particule de natură diferită (de exemplu, amestecul de gaze este caracterizat de presiunile parțiale ale gazelor sale constitutive [18] ; ionii și electronii liberi sunt prezenți simultan în plasma gazoasă cu temperaturile parțiale semnificativ diferite - ionice și electroni [19] ] [20] ; subsistemele de fononi și magnoni se disting într-un cristal ; un subsistem de spini nucleari un paramagnet este caracterizat de propria sa temperatură parțială de spin [21] , care poate lua valori negative pe scara Kelvin [22] [ 23] [24] ). Această tehnică formală ne permite să introducem caracteristici parțiale pentru subsistemul considerat de particule , care nu sunt neapărat legate direct de sistemul fizic în ansamblu (vezi, de exemplu, Temperatura absolută negativă ).

Sistemele termodinamice sunt obiectul de studiu în termodinamică , fizica statistică și fizica continuumului .

Clasificarea sistemelor termodinamice

După procesele interne, sistemele se disting [25]

Prin natura interacțiunii cu mediul, sistemele se disting [13] :

După parametrii de stare utilizați pentru descrierea termodinamică a sistemului , se disting: sisteme simple , sisteme deschise simple și sisteme complexe .

.

Corpurile simple sunt corpuri izotrope (izos - egal, tropos - direcție, în general - egalitatea caracteristicilor stării și proprietăților fizice ale corpului în toate punctele sale și în toate direcțiile), în special: gaze, vapori, lichide și multe solide care se află în echilibru termodinamic și nu sunt supuse acțiunii tensiunii superficiale, forțelor gravitaționale și electromagnetice și transformărilor chimice. Studiile corpurilor simple în termodinamică sunt de cel mai mare interes teoretic și practic.

Dacă substanțele care alcătuiesc sistemul în intervalul considerat de condiții ( presiune , temperatură ) nu interacționează chimic între ele, atunci sistemul se numește fizic . Dacă substanțele sistemului reacționează între ele, atunci se vorbește despre un sistem chimic [41] [42] [43] .

Izolarea reală a sistemului termodinamic de mediul înconjurător se realizează prin intermediul pereților ( interfețe , pereți despărțitori , cochilii ) [44] : mobili și imobile, permebili și impermeabili la materie (există și pereți semipermeabile ). Vasul Dewar este un bun exemplu [45] de carcasă adiabatică ( termoizolantă [46] ) . O partiție care nu împiedică transferul de căldură, adică nu este adiabatică, se numește diatermic [47] [48] ( permeabil la căldură [49] ).

Întrucât pentru sistemele deschise interpretarea conceptelor „muncă” și „căldură” își pierde lipsa de ambiguitate [50] , atunci ideea de adiabaticitate își pierde certitudinea. Pentru a restabili certitudinea și a păstra echivalența ideii de izolare adiabatică ca impunând interzicerea transferului de căldură și izolarea adiabatică ca permite schimbul de energie numai sub formă de lucru, pentru sistemele deschise, o a treia formă de transfer de energie este adăugat la căldură și muncă - energia de redistribuire a maselor substanțelor care alcătuiesc sistemul [51] [ 52] [53] [54] , iar proprietățile învelișului adiabatic sunt completate de cerința ca învelișul să fie impenetrabil pentru substanță [55] [56] [57] [58] [29] [32] . Din păcate, această metodă de restabilire a unicității interpretării conceptului de „adiabatitate”, care este utilizat pe scară largă în termodinamica tehnică , face, în același timp, conceptul de adiabaticitate inutil din punct de vedere practic în cazul sistemelor deschise, astfel încât conceptul de „adiabatitate” nu este folosit în termodinamica chimică a unor astfel de sisteme.

Un sistem termodinamic se numește omogen dacă nu există suprafețe de separare între niciuna dintre părțile sale [1] și, prin urmare, proprietățile sistemului se modifică continuu de la un punct la altul [59] . Un sistem omogen cu aceleași proprietăți în orice punct se numește omogen [59] [1] . Exemple de sisteme omogene sunt soluțiile (gazoase, lichide și solide). O fază gazoasă de mare întindere de-a lungul gradientului câmpului gravitațional (de exemplu, atmosfera pământului într-o zi fără nori și fără vânt) este un exemplu de fază omogenă neomogenă (vezi formula barometrică ).

Un sistem termodinamic se numește eterogen dacă este format din mai multe părți omogene cu proprietăți diferite. Pe suprafețele care separă părți omogene ale unui sistem eterogen, cel puțin o proprietate termodinamică a unei substanțe se modifică brusc [60] [1] . Adesea (dar nu întotdeauna) interfața este vizibilă.

Partea omogenă a unui sistem eterogen se numește fază [60] . Mai puțin strict, dar mai clar, fazele sunt numite „părți omogene ale sistemului, separate de alte părți prin interfețe vizibile” [12] . Un exemplu este sistemul de gheață-apă-aer umed. Un sistem omogen conține o singură fază; un sistem eterogen este format din două sau mai multe faze [61] . Numărul de faze dintr-un sistem eterogen respectă regula fazei Gibbs . Aceeași substanță în stare solidă de agregare poate avea mai multe faze ( sulf rombic și monoclinic , staniu gri și alb etc.) [60] .

Figura prezintă una dintre opțiunile de clasificare a sistemelor termodinamice.

Vezi și

Comentarii

  1. Fluidul de lucru în raport cu motoarele este înțeles ca o substanță ( gaz , lichid , solid ), cu ajutorul căreia energia eliberată în timpul arderii combustibilului organic și în reacțiile nucleare din combustibilul nuclear este transformată în lucru mecanic util [8]. ] .

Note

  1. 1 2 3 4 5 6 7 Termodinamică. Noțiuni de bază. Terminologie. Scrisoare desemnări de cantități, 1984 , p. 6.
  2. Enciclopedia fizică, vol. 5, 1998 , p. 84.
  3. Zalewski, K., Termodinamică fenomenologică și statistică, 1973 , p. 9.
  4. Kvasnikov I. A., Termodinamică, 2002 , p. 17.
  5. 1 2 3 Kubo R., Termodinamică, 1970 , p. unsprezece.
  6. Bazarov I.P., Termodinamică, 2010 , p. 206.
  7. Khachkuruzov G. A., Fundamentals of General and Chemical Thermodynamics, 1979 , p. opt.
  8. Kuprikov M. Yu. , Motor cu reacție, 2015 .
  9. Borshchevsky A. Ya., Physical chemistry, vol. 1, 2017 , p. 40.
  10. Skakov S. V. , Termodinamică tehnică, 2014 , p. 6.
  11. Fizica. Marele Dicționar Enciclopedic, 1998 , p. 521.
  12. 1 2 Gerasimov Ya. I. și colab., Curs de chimie fizică, vol. 1, 1970 , p. 27.
  13. 1 2 Prigozhin I., Kondepudi D., Termodinamică modernă, 2002 , p. optsprezece.
  14. GOST R 57700.4-2017 Modelarea numerică a proceselor fizice. Termeni și definiții în domeniile mecanicii continue: hidromecanica, dinamica gazelor, p. 4. . Preluat la 18 iulie 2018. Arhivat din original la 18 iulie 2018.
  15. Bazarov I.P., Termodinamică, 2010 , p. 40.
  16. Kozlov V.V., Gibbs Ensembles and Nonequilibrium Statistical Mechanics, 2008 , p. 171.
  17. Putilov K. A., Termodinamică, 1971 , p. 101.
  18. Fizica. Marele Dicționar Enciclopedic, 1998 , p. 522.
  19. Belonuchkin V. E. Curs scurt de termodinamică, 2010 , p. 160.
  20. Frank-Kamenetsky D. A., Lectures on Plasma Physics, 1968 , p. 53.
  21. Temperatura de rotație - articol din Enciclopedia fizică
  22. Temperatura de rotație - articol din Marea Enciclopedie Sovietică
  23. Landau L. D., Lifshits E. M., Statistical physics. Partea 1, 2002 , p. 262.
  24. Powles, D. Temperaturi absolute negative, 1964 .
  25. Dobroborsky B.S. Siguranța mașinilor și a factorului uman / Ed. d.t.s., prof. S.A. Volkov. - Sankt Petersburg. : SPbGASU, 2011. - S. 33 - 35. - 114 p. — ISBN 978-5-9227-0276-8 . Arhivat pe 20 ianuarie 2022 la Wayback Machine
  26. Novikov I.I., Termodinamică, 1984 , p. opt.
  27. Haywood R., Thermodynamics of equilibrium processes, 1983 , p. 56.
  28. G. D. Baer, ​​​​Termodinamică tehnică, 1977 , p. 73-74.
  29. 1 2 Zalewski K., Termodinamică fenomenologică și statistică, 1973 , p. zece.
  30. Atkins P., de Paula J., Physical Chemistry, Part 1, 2007 , p. 51.
  31. Khachkuruzov G. A., Fundamentals of General and Chemical Thermodynamics, 1979 , p. douăzeci.
  32. 1 2 Vukalovich M. P., Novikov I. I., Termodinamică, 1972 , p. douăzeci.
  33. 1 2 GOST IEC 60050-113-2015 Dicționar electrotehnic internațional. Partea 113. Fizica în inginerie electrică (IEC 60050-113:2011, IDT), p. 17. . Preluat la 18 iulie 2018. Arhivat din original la 16 iulie 2018.
  34. Termodinamică. Noțiuni de bază. Terminologie. Litere de desemnare a cantităților, 1984 .
  35. Storonkin A. V., Thermodynamics of heterogeneous systems, parts 1-2, 1967 , p. 120-121.
  36. Belokon N.I., Principiile de bază ale termodinamicii, 1968 , p. 12.
  37. Gukhman A. A., Pe fundamentele termodinamicii, 2010 , p. 66.
  38. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , p. 141.
  39. Sychev V.V., Sisteme termodinamice complexe, 2009 , p. 257.
  40. Sychev V.V., Sisteme termodinamice complexe, 2009 .
  41. Componente (în termodinamică și chimie) // Marea Enciclopedie Sovietică, 1973. (link inaccesibil) . Preluat la 25 aprilie 2015. Arhivat din original la 5 martie 2021. 
  42. Gorshkov V.S. și colab., Physical chemistry of silicates, 1988 , p. 193.
  43. Gameeva O. S., Physical and coloidal chemistry, 1969 , p. 162.
  44. Enciclopedia fizică, vol. 4, 1994 , p. 196.
  45. Sivukhin D.V., Curs general de fizică, vol. 2, 2005 , p. 42.
  46. R. Haase, Termodinamica proceselor ireversibile, 1967 , p. 19.
  47. Münster A., ​​Thermodinamica clasică, 1970 , p. douăzeci.
  48. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , p. 32.
  49. Belov G.V., Termodinamică, partea 1, 2017 , p. 23.
  50. R. Haase, Termodinamica proceselor ireversibile, 1967 , p. 25.
  51. Enciclopedia fizică, vol. 3, 1992 , p. 555 .
  52. Tamm M. E., Tretyakov Yu. D., Fundamentele fizice și chimice ale chimiei anorganice, 2004 , p. unsprezece.
  53. I. Prigozhin, D. Kondepudi, Termodinamică modernă, 2002 , p. 52.
  54. Kubo R., Termodinamică, 1970 , p. 16.
  55. Magaev O. V. și colab., Fundamentals of chemical thermodynamics, 2017 , p. opt.
  56. Kvasnikov I. A., Termodinamică, 2002 , p. 22.
  57. Petrov N., Brankov J., Modern problems of thermodynamics, 1986 , p. 66.
  58. K. P. Gurov, Termodinamica fenomenologică a proceselor ireversibile, 1978 , p. 9.
  59. 1 2 Bazarov I.P., Termodinamică, 2010 , p. 21.
  60. 1 2 3 Bazarov I.P., Termodinamică, 2010 , p. 22.
  61. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , p. cincisprezece.

Literatură

Universitatea Tehnică|LGTU]], 2014. — 113 p. — ISBN 978-5-88247-698-3 .