Termodynamiskt system

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 26 juni 2021; kontroller kräver 4 redigeringar .

Ett termodynamiskt system  är en fysisk kropp (en uppsättning kroppar) som kan utbyta energi och (eller) materia med andra kroppar (mellan sig själva) [1] ; ett makroskopiskt fysiskt system tilldelat (faktiskt eller mentalt) för studier , bestående av ett stort antal partiklar och som inte kräver inblandning av mikroskopiska egenskaper hos enskilda partiklar för dess beskrivning [2] , "en del av universum som vi väljer ut för studier" [3] . Enheten för att mäta antalet partiklar i ett termodynamiskt system är vanligtvis Avogadro-talet [4] (cirka 6·10 23 partiklar per mol av ett ämne), vilket ger en uppfattning om storleksordningen i fråga. Restriktioner på naturen hos materialpartiklar som bildar ett termodynamiskt system införs inte: de kan vara atomer , molekyler , elektroner , joner , fotoner , etc. [5] [6] . Alla markbundna föremål som är synliga för blotta ögat eller med hjälp av optiska instrument ( mikroskop , spotting scope , etc.) kan hänföras till termodynamiska system: "Termodynamik är studiet av makroskopiska system vars rumsliga dimensioner och livslängd är tillräckliga för att utföra normala mätprocesser” [5] . Konventionellt inkluderar makroskopiska system objekt med storlekar från 10 −7  m (100 nm) till 10 12  m [7] .

Den nedre gränsens villkorlighet hänger bland annat samman med att det för termodynamiken inte är storleken på föremålet som är det viktiga utan antalet partiklar som bildar det. En kub av en idealgas med en kant på 100 nm innehåller cirka 27 000 partiklar under normala förhållanden (se Loschmidts konstant ).

Arbetsvätskan [K 1] , vars koncept används inom teknisk termodynamik , är ett exempel på ett termodynamiskt system.

En absolut fast kropp ur termodynamisk synvinkel är en enda partikel och av denna anledning, oavsett dess storlek, tillhör den inte termodynamiska system [9] .

Galaktiska och metagalaktiska system är inte termodynamiska [10] .

Vilken del av ett termodynamiskt system som helst kallas ett delsystem .

För att beskriva ett termodynamiskt system används makroskopiska parametrar som inte karakteriserar egenskaperna hos dess ingående partiklar, utan egenskaperna hos själva systemet: temperatur , tryck , volym , magnetisk induktion , elektrisk polarisation , massa och kemisk sammansättning av komponenterna , etc. [11] [12] .

Varje termodynamiskt system har gränser , verkliga eller villkorade, som skiljer det från miljön [13] , vilket betyder alla kroppar som inte ingår i det termodynamiska systemet [14] . Ibland talar man istället för omgivningen om en termostat [5] , det vill säga ett medium med så stor värmekapacitet att dess temperatur inte ändras under värmeväxlingen med det studerade systemet [15] [16] [17] . Som standard antas det att miljön är tillräckligt stor och därför beror dess parametrar inte på de processer som sker i det aktuella systemet. Dessutom brukar man anta att miljön befinner sig i ett tillstånd av termodynamisk jämvikt och att dess egenskaper inte beror på tid och rumsliga koordinater.

Det är viktigt att sammansättningen av det termodynamiska systemet inkluderar alla partiklar som finns i det område av utrymme som tilldelats för studier. Faktum är att i termodynamiken ibland är ett verkligt fysiskt system mentalt uppdelat i oberoende delsystem av objekt med speciella egenskaper, och samma volym anses samtidigt vara upptagen av två eller flera virtuella kvasioberoende (svagt interagerande med varandra) delsystem av partiklar av olika natur (exempelvis kännetecknas gasblandningen av partialtrycken av dess ingående gaser [18] ; joner och fria elektroner finns samtidigt i gasplasman med sina signifikant olika partialtemperaturer - joniska och elektroner [19] ] [20] ; subsystem av fononer och magnoner särskiljs i en kristall ; ett delsystem av kärnspinn en paramagnet kännetecknas av sin egen partiella spinntemperatur [21] , som kan ta negativa värden på Kelvin-skalan [22] [ 23] [24] ). Denna formella teknik tillåter oss att introducera partiella egenskaper för det betraktade delsystemet av partiklar , som inte nödvändigtvis är direkt relaterade till det fysiska systemet som helhet (se till exempel Negativ absolut temperatur ).

Termodynamiska system är föremål för studier i termodynamik , statistisk fysik och kontinuumfysik .

Klassificering av termodynamiska system

Enligt interna processer särskiljs system [25]

Genom arten av interaktion med miljön särskiljs system [13] :

Enligt tillståndsparametrarna som används för den termodynamiska beskrivningen av systemet skiljer de: enkla system , enkla öppna system och komplexa system .

.

Enkla kroppar är isotropiska kroppar (isos - lika, tropos - riktning, i allmänhet - likheten mellan egenskaperna hos tillståndet och kroppens fysiska egenskaper på alla dess punkter och i alla riktningar), i synnerhet: gaser, ångor, vätskor och många fasta ämnen som är i termodynamisk jämvikt och inte är föremål för verkan av ytspänning, gravitationskrafter och elektromagnetiska krafter och kemiska omvandlingar. Studier av enkla kroppar inom termodynamik är av största teoretiska och praktiska intresse.

Om ämnena som utgör systemet i det övervägda intervallet av förhållanden ( tryck , temperatur ) inte interagerar kemiskt med varandra, kallas systemet fysikaliskt . Om substanserna i systemet reagerar med varandra, så talar man om ett kemiskt system [41] [42] [43] .

Den verkliga isoleringen av det termodynamiska systemet från omgivningen utförs med hjälp av väggar ( gränssnitt , skiljeväggar , skal ) [44] : rörliga och orörliga, permeabla och ogenomträngliga för materia (det finns också semipermeabla skiljeväggar ). Dewar-kärlet är ett bra exempel [45] på ett adiabatiskt ( värmeisolerande [46] ) skal . En skiljevägg som inte förhindrar värmeöverföring, det vill säga inte är adiabatisk, kallas diatermisk [47] [48] ( värmegenomsläpplig [49] ).

Eftersom tolkningen av begreppen "arbete" och "värme" för öppna system förlorar sin entydighet [50] , förlorar idén om adiabaticitet sin säkerhet. För att återställa säkerheten och bevara likvärdigheten mellan idén om adiabatisk isolering som ett förbud mot värmeöverföring, och adiabatisk isolering som tillåter energiutbyte endast i form av arbete, för öppna system, är en tredje form av energiöverföring läggas till värme och arbete - energin för omfördelning av massorna av de ämnen som utgör systemet [51] [ 52] [53] [54] , och egenskaperna hos det adiabatiska skalet kompletteras med kravet att skalet ska vara ogenomtränglig för ämnet [55] [56] [57] [58] [29] [32] . Tyvärr gör denna metod för att återställa det unika i tolkningen av begreppet "adiabaticitet", som används flitigt inom teknisk termodynamik , samtidigt begreppet adiabaticitet värdelöst ur praktisk synvinkel i fallet med öppna system, så att begreppet "adiabaticitet" inte används i kemisk termodynamik för sådana system.

Ett termodynamiskt system kallas homogent om det inte finns några separationsytor mellan någon av dess delar [1] och därför systemets egenskaper kontinuerligt ändras från punkt till punkt [59] . Ett homogent system med samma egenskaper när som helst kallas homogent [59] [1] . Exempel på homogena system är lösningar (gas, flytande och fast). En gasfas av stor utsträckning längs gravitationsfältets gradient (till exempel jordens atmosfär en molnfri och vindstilla dag) är ett exempel på en inhomogen homogen fas (se barometrisk formel ).

Ett termodynamiskt system kallas heterogent om det består av flera homogena delar med olika egenskaper. På ytor som separerar homogena delar av ett heterogent system förändras åtminstone en termodynamisk egenskap hos ett ämne abrupt [60] [1] . Ofta (men inte alltid) är gränssnittet synligt.

Den homogena delen av ett heterogent system kallas en fas [60] . Mindre strikt, men tydligare, kallas faser "homogena delar av systemet, separerade från andra delar av synliga gränssnitt" [12] . Ett exempel är systemet med is-vatten-fuktig luft. Ett homogent system innehåller endast en fas; ett heterogent system består av två eller flera faser [61] . Antalet faser i ett heterogent system följer Gibbs fasregel . Samma substans i fast aggregationstillstånd kan ha flera faser (rhombiskt och monoklint svavel , grått och vitt tenn , etc.) [60] .

Figuren visar ett av alternativen för att klassificera termodynamiska system.

Se även

Kommentarer

  1. Arbetsvätskan i förhållande till motorer förstås som ett ämne ( gas , flytande , fast ) , med hjälp av vilket den energi som frigörs vid förbränning av organiskt bränsle och vid kärnreaktioner från kärnbränsle omvandlas till nyttigt mekaniskt arbete [8 ] .

Anteckningar

  1. 1 2 3 4 5 6 7 Termodynamik. Grundläggande koncept. Terminologi. Bokstavsbeteckningar på kvantiteter, 1984 , sid. 6.
  2. Physical encyclopedia, vol. 5, 1998 , sid. 84.
  3. Zalewski, K., Phenomenological and Statistical Thermodynamics, 1973 , sid. 9.
  4. Kvasnikov I. A., Thermodynamics, 2002 , sid. 17.
  5. 1 2 3 Kubo R., Thermodynamics, 1970 , sid. elva.
  6. Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , sid. 206.
  7. Khachkuruzov G. A., Fundamentals of General and Chemical Thermodynamics, 1979 , sid. åtta.
  8. Kuprikov M. Yu. , Jetmotor, 2015 .
  9. Borshchevsky A. Ya., Physical chemistry, vol. 1, 2017 , sid. 40.
  10. Skakov S. V. , Teknisk termodynamik, 2014 , sid. 6.
  11. Fysik. Big Encyclopedic Dictionary, 1998 , sid. 521.
  12. 1 2 Gerasimov Ya. I. et al., Course of Physical chemistry, vol. 1, 1970 , sid. 27.
  13. 1 2 Prigozhin I., Kondepudi D., Modern thermodynamics, 2002 , sid. arton.
  14. GOST R 57700.4-2017 Numerisk modellering av fysiska processer. Termer och definitioner inom kontinuummekanikens områden: hydromekanik, gasdynamik, sid. 4. . Hämtad 18 juli 2018. Arkiverad från originalet 18 juli 2018.
  15. Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , sid. 40.
  16. Kozlov V.V., Gibbs Ensembles and Nonequilibrium Statistical Mechanics, 2008 , sid. 171.
  17. Putilov K. A., Thermodynamics, 1971 , sid. 101.
  18. Fysik. Big Encyclopedic Dictionary, 1998 , sid. 522.
  19. Belonuchkin V. E. Short course of thermodynamics, 2010 , sid. 160.
  20. Frank-Kamenetsky D. A., Lectures on Plasma Physics, 1968 , sid. 53.
  21. Spin temperatur - artikel från Physical Encyclopedia
  22. Spintemperatur - artikel från Great Soviet Encyclopedia
  23. Landau L. D., Lifshits E. M., Statistical physics. Del 1, 2002 , sid. 262.
  24. Powles, D. Negativa absoluta temperaturer, 1964 .
  25. Dobroborsky B.S. Maskinsäkerhet och den mänskliga faktorn / Ed. d.t.s., prof. S.A. Volkov. - St Petersburg. : SPbGASU, 2011. - S. 33 - 35. - 114 sid. — ISBN 978-5-9227-0276-8 . Arkiverad 20 januari 2022 på Wayback Machine
  26. Novikov I.I., Thermodynamics, 1984 , sid. åtta.
  27. Haywood R., Thermodynamics of equilibrium processes, 1983 , sid. 56.
  28. G. D. Baer, ​​Technical thermodynamics, 1977 , sid. 73-74.
  29. 1 2 Zalewski K., Phenomenological and Statistical Thermodynamics, 1973 , sid. tio.
  30. Atkins P., de Paula J., Physical Chemistry, del 1, 2007 , sid. 51.
  31. Khachkuruzov G. A., Fundamentals of General and Chemical Thermodynamics, 1979 , sid. tjugo.
  32. 1 2 Vukalovich M. P., Novikov I. I., Thermodynamics, 1972 , sid. tjugo.
  33. 1 2 GOST IEC 60050-113-2015 International Electrotechnical Dictionary. Del 113. Fysik i elektroteknik (IEC 60050-113:2011, IDT), sid. 17. . Hämtad 18 juli 2018. Arkiverad från originalet 16 juli 2018.
  34. Termodynamik. Grundläggande koncept. Terminologi. Bokstavsbeteckningar på kvantiteter, 1984 .
  35. Storonkin A. V., Thermodynamics of heterogeneous systems, delar 1-2, 1967 , sid. 120-121.
  36. Belokon N.I., Grundläggande principer för termodynamiken, 1968 , sid. 12.
  37. Gukhman A. A., On the foundations of thermodynamics, 2010 , sid. 66.
  38. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , sid. 141.
  39. Sychev V.V., Complex thermodynamic systems, 2009 , sid. 257.
  40. Sychev V.V., Complex thermodynamic systems, 2009 .
  41. Komponenter (i termodynamik och kemi) // Great Soviet Encyclopedia, 1973. (otillgänglig länk) . Hämtad 25 april 2015. Arkiverad från originalet 5 mars 2021. 
  42. Gorshkov V.S. et al., Physical chemistry of silicates, 1988 , sid. 193.
  43. Gameeva O. S., Physical and colloidal chemistry, 1969 , sid. 162.
  44. Physical encyclopedia, vol. 4, 1994 , sid. 196.
  45. Sivukhin D.V., General course of physics, vol. 2, 2005 , sid. 42.
  46. R. Haase, Thermodynamics of irreversible processes, 1967 , sid. 19.
  47. Münster A., ​​Classical Thermodynamics, 1970 , sid. tjugo.
  48. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , sid. 32.
  49. Belov G.V., Thermodynamics, del 1, 2017 , sid. 23.
  50. R. Haase, Thermodynamics of irreversible processes, 1967 , sid. 25.
  51. Physical encyclopedia, vol. 3, 1992 , sid. 555 .
  52. Tamm M. E., Tretyakov Yu. D., Physical and chemical foundations of inorganic chemistry, 2004 , sid. elva.
  53. I. Prigozhin, D. Kondepudi, Modern thermodynamics, 2002 , sid. 52.
  54. Kubo R., Thermodynamics, 1970 , sid. 16.
  55. Magaev O. V. et al., Fundamentals of chemical thermodynamics, 2017 , sid. åtta.
  56. Kvasnikov I. A., Thermodynamics, 2002 , sid. 22.
  57. Petrov N., Brankov J., Modern problems of thermodynamics, 1986 , sid. 66.
  58. K. P. Gurov, Fenomenologisk termodynamik av irreversibla processer, 1978 , sid. 9.
  59. 1 2 Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , sid. 21.
  60. 1 2 3 Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , sid. 22.
  61. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , sid. femton.

Litteratur

Tekniska högskolan|LGTU]], 2014. — 113 sid. — ISBN 978-5-88247-698-3 .