Основы термодинамики

Состояние макросистемы можно характеризовать макро- и микро-параметрами. Макропараметры еще называют термодинамическими: p – давление; V – объем; T – температура. Если эти параметры имеют определенные и постоянные значения для любой части макросистемы, состояние системы называют равновесным.

Равновесное состояние системы можно представить точкой в координатном пространстве, по осям которого откладываются значения параметров.

Перейти из одного состояния в другое система может через последовательность неравновесных или равновесных состояний. Чтобы переход проходил через равновесные состояния, систему надо переводить медленно. Такой процесс называется равновесным или квазистатическим. Квазистатический процесс можно изобразить в координатных осях, поскольку все промежуточные состояния могут быть показаны точками. Направление процесса отображается стрелкой.

р

V

Неравновесные процессы условно будем показывать пунктирными линиями, поскольку промежуточные состояния не определены.

Равновесный процесс может быть проведен в обратном порядке через те же промежуточные состояния, поэтому называется обратимым.

Ключевое понятие ТД – внутренняя энергия. Внутренней энергией макросистемы (U) называют величину, состоящую из:

1) Суммарной кинетической энергии хаотического движения частиц в Ц-системе;

2) Собственной потенциальной энергии взаимодействия всех частиц;

3) Внутренней энергии самих молекул, атомов, ядер.

Мы будем рассматривать такие процессы, в которых 3-е слагаемое не изменяется, его можно считать константой и будем определять внутреннюю энергию с точностью до константы.

Свойства внутренней энергии:

1. Это функция состояния. Это значит, что при переходе из состояния 1 в состояние 2 изменение внутренней энергии не зависит от пути перехода: ΔU = U₂ – U₁.

2. Это аддитивная величина, т.е. внутренняя энергия всей системы равна сумме внутренних энергий всех её частей.

Способы изменения внутренней энергии:

1) Совершение работы над системой (А^внеш) или самой системой (А). Причем А^внеш = − А. (1)

2) Теплопередача. Мерой теплопередачи является количество тепла Q.

Первое начало ТД утверждает, что при переходе макросистемы из одного состояния в другое выполняется следующее равенство

ΔU = А^внеш + Q. (2)

Если учесть соотношение (1), то можно 1-е начало ТД записать следующим образом:

Q = ΔU + А. (3)

Количество теплоты, сообщенное макросистеме, идет на изменение её внутренней энергии и совершение системой работы над внешними телами.

Все входящие в равенство (3) величины могут иметь и положительные, и отрицательные значения (сами ответьте, в каких случаях).

Процесс 1-2 можно разделить на бесконечно малые участки и записать 1-е начало ТД в дифференциальной форме:

δQ = dU + δА. (4)

Обратите внимание, что δQ – элементарное количество тепла и δА – элементарная работа не являются полными дифференциалами, поскольку Q и А являются функциями процесса, а не состояния.