Bdtyk

Термодинамика
Статья является частью одноименной серии.
Уравнение состояния
Идеальный газ
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править
См. также «Физический портал»

Термодинамическая система — тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом^[1]; выделяемая (реально или мысленно) для изучения макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц и не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц^[2], «часть Вселенной, которую мы выделяем для исследования»^[3]. Единицей измерения числа частиц в термодинамической системе обычно служит число Авогадро^[4] (примерно 6·10²³ частиц на моль вещества), дающее представление, о величинах какого порядка идёт речь. Ограничения на природу материальных частиц, образующих термодинамическую систему, не накладываются: это могут быть атомы, молекулы, электроны, ионы, фотоны и т. д.^[5][6]. Любой объект, видимый невооружённым глазом или с помощью оптических приборов (микроскопы, телескопы и т. п.), можно отнести к термодинамическим системам: «Термодинамика занимается изучением макроскопических систем, пространственные размеры которых и время существования достаточны для проведения нормальных процессов измерения»^[5]. Условно к макроскопическим системам относят объекты с размерами от 10^—7 м (100 нм) до 10¹² м^[7]. Условность нижней границы связана, помимо прочего, с тем, что для термодинамики важен не размер объекта, а число образующих его частиц. Куб идеального газа с ребром 100 нм при нормальных условиях содержит около 27 000 частиц (см. Постоянная Лошмидта).

Абсолютно твёрдое тело с термодинамической точки зрения представляет собой одну-единственную частицу и по этой причине вне зависимости от своих размеров к термодинамическим системам не относится^[8].

Любую часть термодинамической системы называют подсистемой.

Для описания термодинамической системы используются макроскопические параметры, характеризующие не свойства составляющих её частиц, а свойства самой системы: температуру, давление, объём, магнитную индукцию, электрическую поляризацию, массу и химический состав компонентов и др.^[9][10].

Каждая термодинамическая система имеет границы, реальные или условные, отделяющие её от окружающей среды^[11], под которой подразумевают все тела, не включённые в термодинамическую систему^[12]. Иногда вместо окружающей среды говорят о термостате^[5], т. е. среде с настолько большой теплоёмкостью, что её температура при теплообмене с изучаемой системой
не меняется^[13][14][15]. По умолчанию предполагается, что окружающая среда достаточно велика и поэтому её параметры не зависят от протекающих в рассматриваемой системе процессов. Кроме того, обычно подразумевается, что окружающая среда находится в состоянии термодинамического равновесия и её характеристики не зависят от времени и пространственных координат.

Важно, что в состав термодинамической системы включают все частицы, имеющиеся в выделяемой для изучения области пространства. Дело в том, что в термодинамике иногда мысленно разбивают реальную физическую систему на самостоятельные подсистемы объектов с особыми свойствами, и один и тот же объём рассматривают как занимаемый одновременно двумя и более виртуальными квазинезависимыми (слабо взаимодействующими друг с другом) парциальными подсистемами частиц разной природы (например, газовую смесь характеризуют парциальными давлениями составляющих её газов^[16]; в газовой плазме одновременно присутствуют ионы и свободные электроны со своими существенно отличными парциальными температурами — ионной и электронной^[17][18]; в кристалле выделяют подсистемы фононов и магнонов; подсистему ядерных спинов парамагнетика характеризуют собственной парциальной спиновой температурой ^[19], способной принимать отрицательные значения по шкале Кельвина^[20][21][22]). Данный формальный приём позволяет вводить для рассматриваемой подсистемы частиц парциальные характеристики, не обязательно имеющие прямое отношение к физической системе как единому целому (см., например, Отрицательная абсолютная температура).

Термодинамические системы служат предметом изучения термодинамики, статистической физики и физики сплошных сред.

Классификация термодинамических систем |

Жидкость в колбе без пробки — открытая система, границы образуют стенки колбы и поверхность раздела жидкость — атмосфера; содержимое закрытой пробкой колбы — закрытая система, границы системы — стенки колбы и пробка; содержимое помещённой в сосуд Дьюара и закрытой пробкой колбы — изолированная система

Простейшая закрытая термодеформационная система — газ в цилиндре с поршнем

Газ в цилиндре с поршнем — закрытая термодеформационная система; всё, что за пределами окрашенного жёлтым пространства, — внешняя среда

Газ в цилиндре с поршнем — открытая термодеформационная система; всё, что за пределами окрашенного красным пространства, — внешняя среда

Сосуд Дьюара как пример адиабатной оболочки

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы^[11]:

• 
  изолированные, не способные обмениваться с внешней средой ни энергией, ни веществом^[1];


• 
  адиабатно изолированные, не способные к обмену с внешней средой веществом, но допускающие обмен энергией в виде работы^{[23][24][25][26]}. Обмен энергией в форме теплоты для таких систем исключён^{[1][27][28][29]};


• 
  закрытые, не способные обмениваться с внешней средой веществом^[1], но способные к энергообмену с окружающей средой^[30];


• 
  открытые, способные обмениваться веществом (и, следовательно, энергией) с другими системами^[30][31] (внешней средой);


• 
  частично открытые, обменивающиеся с внешней средой веществом, но при этом не все составляющие вещества принимают участие в материальном обмене (например, из-за наличия полупроницаемых перегородок)^[32].

По используемым для термодинамического описания системы параметрам состояния различают: простые системы, простые открытые системы и сложные системы.

• Простой системой (простым телом^[33], термодеформационная система^[34]) называется такая равновесная система, физическое состояние которой вполне определяется значениями двух независимых переменных — функций состояния простого тела (x,y){displaystyle (x,y)}, например, значениями температуры и удельного объема (t,v){displaystyle (t,v)} или давления и удельного объема (P,v){displaystyle (P,v)}. Выражение зависимости трех характеристик состояния простого тела (x,y,z){displaystyle (x,y,z)}, являющихся попарно независимыми, называется уравнением состояния этого тела:

φ(x,y,z)=0{displaystyle varphi (x,y,z)=0}.

Простыми телами являются изотропные тела (isos— равный, tropos — направление, в целом — равенство характеристик состояния и физических свойств тела во всех его точках и во всех направлениях), в частности: газы, пары, жидкости и многие твёрдые тела, находящиеся в термодинамическом равновесии и не подверженные действию поверхностного натяжения, гравитационных и электромагнитных сил и химических превращений. Исследования простых тел в термодинамике представляют наибольший теоретический и практический интерес.

• 
  простые открытые системы, отличаются от простых систем способностью обмениваться веществом с окружающей средой. Для термодинамического описания таких систем с k{displaystyle k} независимыми компонентами необходимы k+2{displaystyle k+2} независимых параметра состояния, включая массу (количество вещества, число частиц) каждого независимого компонента^[35];


• 
  сложными системами называют все термодинамические системы, не попадающие под определения простых систем, и простых открытых систем. К сложным системам принято относить диэлектрики, магнетики, сверхпроводники, упругие твёрдые тела, поверхности раздела фаз, системы в поле тяготения и в состоянии невесомости, электрохимические системы, равновесное тепловое излучение. Некоторые авторы в число сложных включают и простые открытые системы^[36]. Для термодинамического описания таких систем, как упругий стержень/нить или пружина, поверхность раздела фаз, тепловое излучение необходим только один независимый параметр состояния^[37].

Если входящие в состав системы вещества в рассматриваемом диапазоне условий (давление, температура) химически не взаимодействуют между собой, то систему называют физической. Если же вещества системы реагируют друг с другом, то говорят о химической системе^[38][39][40].

Реальную изоляцию термодинамической системы от окружающей среды осуществляют посредством стенок (поверхностей раздела, перегородок, оболочек)^[41]: подвижных и неподвижных, проницаемых и непроницаемых для вещества (существуют и полупроницаемые перегородки). Сосуд Дьюара служит хорошим примером^[42]адиабатной (термоизолирующей^[43]) оболочки. Перегородка, не препятствующая теплообмену, то есть не являющаяся адиабатной, называется диатермической^[44][45] (теплопроницаемой^[46]).

Поскольку для открытых систем трактовка понятий «работа» и «теплота» теряет свою однозначность^[47], то и представление об адиабатности утрачивает определённость. Чтобы восстановить определённость и сохранить эквивалентность представления об адиабатной изоляции как накладывающей запрет на теплообмен, и адиабатной изоляции как допускающей энергообмен только в форме работы, для открытых систем к теплоте и работе добавляют третью форму передачи энергии — энергию перераспределения масс составляющих систему веществ ^{[48][49][50][51]}, а свойства адиабатной оболочки дополняют требованием непроницаемости оболочки для вещества^{[52][53][54][55][26][29]}. К сожалению, такой способ восстановления однозначности трактовки понятия «адиабатность», широко используемого в технической термодинамике, одновременно делает представление об адиабатности бесполезным с практической точки зрения в случае открытых систем, так что в химической термодинамике таких систем понятие «адиабатность» не используют.

Термодинамическую систему называют гомогенной, если между любыми её частями нет поверхностей раздел^[1] и, следовательно, свойства системы непрерывно изменяется от точки к точке^[56]. Гомогенную систему с одинаковыми свойствами в любой точке называют однородной^[56][1]. Примерами гомогенных систем служат растворы (газовые, жидкие и твердые). Газовая фаза большой протяженности вдоль градиента поля тяготения (например, земная атмосфера в безоблачный и безветренный день) — пример неоднородной гомогенной фазы (см. Барометрическая формула).

Термодинамическую систему называют гетерогенной, если она состоит из нескольких гомогенных частей с разными свойствами. На поверхностях, разделяющих гомогенные части гетерогенной системы, хотя бы одно термодинамическое свойство вещества изменяются скачком^[57][1]. Часто (но не всегда) поверхность раздела является видимой.

Гомогенную часть гетерогенной системы называют фазой^[57]. Менее строго, но более наглядно фазами называют «гомогенные части системы, отделенные от остальных частей видимыми поверхностями раздела»^[10]. Примером может служить система «лёд — вода — влажный воздух». Гомогенная система содержит только одну фазу; гетерогенная система состоит из двух или более фаз^[58]. Число фаз в гетерогенной системе подчиняется правилу фаз Гиббса. Одно и то же вещество в твёрдом агрегатном состоянии может иметь несколько фаз (ромбическая и моноклинная сера, серое и белое олово и др.)^[57].

На рисунке изображён один из вариантов классификации термодинамических систем.

Один из вариантов классификации термодинамических систем

См. также |

• Осмос


• Отрицательная абсолютная температура


• Поверхность раздела фаз


• Термодинамическая фаза

Примечания |

Литература |

• Münster A. Classical Thermodynamics. — London e. a.: Wiley-Interscience, 1970. — xiv + 387 p. — ISBN 0 471 62430 6.


• Архаров А. М., Исаев С. И., Кожинов И. А. и др. Теплотехника / Под. общ. ред. В. И. Крутова. — М.: Машиностроение, 1986. — 432 с.


• Базаров И. П. Термодинамика. — 5-е изд. — СПб.—М.—Краснодар: Лань, 2010. — 384 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978–5–8114–1003–3.


• Белов Г. В. Термодинамика. Часть 1. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Юрайт, 2017. — 265 с. — (Бакалавр. Академический курс). — ISBN 978-5-534-02731-0.


• Белоконь Н. И. Основные принципы термодинамики. — М.: Недра, 1968. — 112 с.


• Белонучкин В. Е. Краткий курс термодинамики. — 2-е. — М.: МФТИ, 2010. — 164 с. — ISBN 978-5-7417-0337-3.


• Борщевский А. Я. Физическая химия. Том 1 online. Общая и химическая термодинамика. — М.: Инфра-М, 2017. — 868 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — ISBN 978-5-16-104227-4.


• Бэр Г. Д. Техническая термодинамика. — М.: Мир, 1977. — 519 с.


• Вукалович М. П., Новиков И. И. Термодинамика. — М.: Машиностроение, 1972. — 671 с.


• Герасимов Я. И., Древинг В. П., Еремин Е. Н. и др. Курс физической химии / Под общ. ред. Я. И. Герасимова. — 2-е изд. — М.: Химия, 1970. — Т. I. — 592 с.


• Гамеева О. С. Физическая и коллоидная химия. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1969. — 408 с.


• Горшков В. С., Савельев В. Г., Федоров Н. Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. — М.: Высшая школа, 1988. — 400 с. — ISBN 5-06-001389-8.


• Гуров К. П. Феноменологическая термодинамика необратимых процессов: Физические основы. — М.: Наука, 1978. — 128 с.


• Гухман А. А. Об основаниях термодинамики. — 2-е изд., испр. — М.: Изд-во ЛКИ, 2010. — 384 с. — ISBN 978-5-382-01105-9.


• Залевски К. Феноменологическая и статистическая термодинамика: Краткий курс лекций / Пер. с польск. под. ред. Л. А. Серафимова. — М.: Мир, 1973. — 168 с.


• Квасников И. А. Термодинамика и статистическая физика. — 2-е изд. — М.: Едиториал УРСС, 2002. — Т. 1. Термодинамика. — 238 с. — ISBN 5-354-00077-7.


• Козлов В. В.,. Ансамбли Гиббса и неравновесная статистическая механика. — М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2008. — 205 с. — ISBN 978-5-93972-645-0.


• Кубо Р. Термодинамика. — М.: Мир, 1970. — 304 с.


• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — 5-е изд. — М.: Физматлит, 2002. — 616 с. — (Теоретическая физика в 10 томах. Том 5). — ISBN 5-9221-0054-8.


• Магаев О. В., Минакова Т. С., Цыро Л. В. Основы химической термодинамики. — Томск: ИД Томск. гос. ун-та, 2017. — 208 с. — ISBN 978-5-94621-652-4.


• Мюнстер А. Химическая термодинамика. — М.: Мир, 1971. — 296 с.


• Новиков И. И. Термодинамика. — М.: Машиностроение, 1984. — 592 с.


• Петров Н., Бранков Й. Современные проблемы термодинамики. — Пер. с болг. — М.: Мир, 1986. — 287 с.


• Полянин А. Д., Полянин В. Д., Попов В. А. и др. Краткий справочник для инженеров и студентов. — М.: Международная программа образования, 1996. — 432 с. — ISBN 5-7753-0001-7.


• Поулз Д. Отрицательные абсолютные температуры и температуры во вращающихся системах координат (рус.) // Успехи физических наук. — 1964. — Т. 84, № 4. — С. 693—713.


• Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур / Пер. с англ. — М.: Мир, 2002. — 461 с. — (Лучший зарубежный учебник). — ISBN 5-03-003538-9.


• Путилов К. А. Термодинамика / Отв. ред. М. Х. Карапетьянц. — М.: Наука, 1971. — 376 с.


• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 5-е изд., испр. — М.: Физматлит, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5.


• Сторонкин А. В. Термодинамика гетерогенных систем. Части 1 и 2. — М.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1967. — 448 с.


• Сычёв В. В. Сложные термодинамические системы. — 5-е изд., перераб. и доп.. — М: Издательский дом МЭИ, 2009. — 296 с. — ISBN 978-5-383-00418-0.


• Тамм М. Е., Третьяков Ю. Д. Неорганическая химия. Том 1. Физико-химические основы неорганической химии / Под. ред. акад. Ю. Д. Третьякова. — М.: Академия, 2004. — 240 с. — (Высшее профессиональное образование). — ISBN 5-7695-1446-9.


• Термодинамика. Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин / Отв. ред. И. И. Новиков. — АН СССР. Комитет научно-технической терминологии. Сборник определений. Вып. 103. — М.: Наука, 1984. — 40 с.


• Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — 944 с. — ISBN 5-85270-306-0.


• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3: Магнитоплазменный — Пойнтинга теорема. — 672 с. — ISBN 5-85270-019-3.


• Хаазе Р.^[de]. Термодинамика необратимых процессов / Пер. с нем. под ред. А. В. Лыкова. — М.: Мир, 1967. — 544 с.


• Хачкурузов Г. А. Основы общей и химической термодинамики. — М.: Высшая школа, 1979. — 268 с.


• Хейвуд Р. Термодинамика равновесных процессов. Руководство для инженеров и научных работников. — М.: Мир, 1983. — 493 с.


• Черноуцан А. И. Краткий курс физики. — М: Физматлит, 2002. — 320 с. — ISBN 5-9921-0292-3.


• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — 704 с. — ISBN 5-85270-087-8.


• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7.


• Франк-Каменецкий Д. А. Лекции по физике плазмы. — 2-е. — М.: Атомиздат, 1968. — 287 с.


• Эткинс П., де Паула Дж. Физическая химия. В 3-х частях. Часть 1. Равновесная термодинамика. — М.: Мир, 2007. — 495 с. — (Лучший зарубежный учебник). — ISBN 5-03-003786-1.