Termodynaaminen järjestelmä

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 26.6.2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 4 muokkausta .

Termodynaaminen järjestelmä  on fyysinen kappale (joukko kappaleita), joka pystyy vaihtamaan energiaa ja (tai) ainetta muiden kappaleiden kanssa (keskenään) [1] ; makroskooppinen fyysinen järjestelmä , joka on varattu (tosiasiallisesti tai henkisesti) tutkimukseen ja joka koostuu suuresta määrästä hiukkasia ja jonka kuvaukseen ei vaadita yksittäisten hiukkasten mikroskooppisia ominaisuuksia [2] , "osa universumista, jonka valitsemme tutkittavaksi" [3] . Termodynaamisen järjestelmän hiukkasten määrän mittausyksikkö on yleensä Avogadron luku [4] (noin 6·10 23 hiukkasta per mooli ainetta), joka antaa käsityksen kyseessä olevasta suuruusluokasta. Termodynaamisen järjestelmän muodostavien materiaalihiukkasten luonteelle ei ole asetettu rajoituksia: ne voivat olla atomeja , molekyylejä , elektroneja , ioneja , fotoneja jne. [5] [6] . Termodynaamisten järjestelmien ansioksi voidaan katsoa mikä tahansa paljaalla silmällä tai optisten instrumenttien ( mikroskoopit , tähtäinputket jne.) avulla näkyvä maanpäällinen esine: "Termodynamiikka on tutkimus makroskooppisista järjestelmistä, joiden tilamitat ja elinikä riittävät normaalin suorittamiseen. mittausprosessit” [5] . Perinteisesti makroskooppisiin järjestelmiin kuuluu esineitä, joiden koko on 10–7  m (100 nm) 10 12  m [7] .

Alarajan ehdollisuus liittyy muun muassa siihen, että termodynamiikalle ei ole tärkeää kohteen koko, vaan sen muodostavien hiukkasten määrä. Ideaalikaasun kuutio , jonka reuna on 100 nm, sisältää noin 27 000 hiukkasta normaaleissa olosuhteissa (katso Loschmidtin vakio ).

Työneste [K 1] , jonka käsitettä käytetään teknisessä termodynamiikassa , on esimerkki termodynaamisesta järjestelmästä.

Termodynaamisesti ehdottoman kiinteä kappale on yksittäinen hiukkanen ja tästä syystä se ei koosta riippumatta kuulu termodynaamisiin järjestelmiin [9] .

Galaktiset ja metagalaktiset järjestelmät eivät ole termodynaamisia [10] .

Mitä tahansa termodynaamisen järjestelmän osaa kutsutaan osajärjestelmäksi .

Termodynaamisen järjestelmän kuvaamiseen käytetään makroskooppisia parametreja , jotka eivät kuvaa sen osahiukkasten ominaisuuksia, vaan itse järjestelmän ominaisuuksia: lämpötila , paine , tilavuus , magneettinen induktio , sähköinen polarisaatio , komponenttien massa ja kemiallinen koostumus jne. [11] [12] .

Jokaisella termodynaamisella järjestelmällä on todelliset tai ehdolliset rajat , jotka erottavat sen ympäristöstä [13] , mikä tarkoittaa kaikkia kappaleita, jotka eivät sisälly termodynaamiseen järjestelmään [14] . Joskus ympäristön sijaan puhutaan termostaatista [5] , eli väliaineesta, jolla on niin suuri lämpökapasiteetti , että sen lämpötila ei muutu lämmönvaihdon aikana tutkittavan järjestelmän kanssa [15] [16] [17] . Oletuksena oletetaan, että ympäristö on riittävän suuri ja siksi sen parametrit eivät riipu tarkasteltavassa järjestelmässä tapahtuvista prosesseista. Lisäksi yleensä oletetaan, että ympäristö on termodynaamisen tasapainon tilassa eivätkä sen ominaisuudet riipu ajasta ja paikkakoordinaateista.

On tärkeää, että termodynaamisen järjestelmän koostumus sisältää kaikki tutkimukseen varatun tilan alueella olevat hiukkaset. Tosiasia on, että termodynamiikassa joskus todellinen fyysinen järjestelmä jaetaan henkisesti itsenäisiin objektien alijärjestelmiin, joilla on erityisiä ominaisuuksia, ja saman tilavuuden katsotaan vallitsevan samanaikaisesti kahdella tai useammalla virtuaalisella lähes riippumattomalla (heikosti vuorovaikutuksessa keskenään) osittaisella osajärjestelmällä . luonteeltaan erilaisia ​​hiukkasia (esim. kaasuseokselle on tunnusomaista sen muodostavien kaasujen osapaineet [ 18] ; kaasuplasmassa on samanaikaisesti läsnä ioneja ja vapaita elektroneja, joiden osalämpötilat eroavat merkittävästi - ioni ja elektroni [19] ] [20] ; kiteessä erotetaan fononien ja magnonien alajärjestelmät ; paramagneetin ydinspinien alajärjestelmälle on tunnusomaista oma osittainen spin lämpötila [21] , joka voi saada negatiivisia arvoja Kelvinin asteikolla [22] [ 23] [24] ). Tämän muodollisen tekniikan avulla voimme ottaa käyttöön osittaisia ​​ominaisuuksia tarkasteltavalle hiukkasten osajärjestelmälle , jotka eivät välttämättä liity suoraan fyysiseen järjestelmään kokonaisuutena (katso esimerkiksi Negatiivinen absoluuttinen lämpötila ).

Termodynaamiset järjestelmät ovat termodynamiikan , tilastollisen fysiikan ja jatkumofysiikan tutkimuksen kohteena .

Termodynaamisten järjestelmien luokittelu

Sisäisten prosessien mukaan järjestelmät erotetaan toisistaan ​​[25]

Ympäristön kanssa tapahtuvan vuorovaikutuksen luonteen perusteella järjestelmät erotetaan toisistaan ​​[13] :

Järjestelmän termodynaamiseen kuvaukseen käytettyjen tilaparametrien mukaan ne erottavat: yksinkertaiset järjestelmät , yksinkertaiset avoimet järjestelmät ja monimutkaiset järjestelmät .

.

Yksinkertaiset kappaleet ovat isotrooppisia kappaleita (isos - yhtä suuri, tropos - suunta, yleensä - kehon tilan ja fysikaalisten ominaisuuksien yhtäläisyys sen kaikissa kohdissa ja kaikissa suunnissa), erityisesti: kaasut, höyryt, nesteet ja monet kiintoaineet, jotka ovat termodynaamisessa tasapainossa eivätkä ole pintajännityksen, gravitaatio- ja sähkömagneettisten voimien ja kemiallisten muutosten vaikutuksen alaisia. Yksinkertaisten kappaleiden tutkimukset termodynamiikassa ovat eniten kiinnostavia teoreettisesti ja käytännössä.

Jos aineet, jotka muodostavat järjestelmän tarkastelussa olosuhteissa ( paine , lämpötila ) eivät ole kemiallisesti vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, järjestelmää kutsutaan fysikaaliseksi . Jos järjestelmän aineet reagoivat keskenään, puhutaan kemiallisesta järjestelmästä [41] [42] [43] .

Termodynaamisen järjestelmän todellinen eristäminen ympäristöstä tapahtuu seinien ( rajapinnat , väliseinät , kuoret ) [44] avulla: liikkuvat ja kiinteät, läpäisevät ja ainetta läpäisemättömät (on myös puoliläpäiseviä väliseiniä ). Dewar-alus on hyvä esimerkki [45] adiabaattisesta ( lämpöä eristävästä [46] ) kuoresta . Väliseinämää, joka ei estä lämmönsiirtoa, eli ei ole adiabaattinen, kutsutaan diatermiseksi [47] [48] ( lämpöä läpäiseväksi [49] ).

Koska avoimissa järjestelmissä käsitteiden "työ" ja "lämpö" tulkinta menettää yksiselitteisyytensä [50] , adiabaattisuuden idea menettää varmuutensa. Jotta avoimissa järjestelmissä voitaisiin palauttaa varmuutta ja säilyttää ajatus adiabaattisesta eristämisestä lämmönsiirron kieltoon ja adiabaattisesta eristämisestä vain työn muodossa tapahtuvan energianvaihdon mahdollistavana ajatuksen vastaavuuteen, on olemassa kolmas energiansiirron muoto. lisätty lämpöön ja työhön - järjestelmän muodostavien aineiden massojen uudelleenjakautumisenergia [51] [52] [53] [54] ja adiabaattisen kuoren ominaisuuksia täydennetään vaatimuksella, että kuori on aineelle läpäisemätön [55] [56] [57] [58] [29] [32] . Valitettavasti tämä teknisessä termodynamiikassa laajasti käytetyn "adiabaattisuuden" käsitteen tulkinnan ainutlaatuisuuden palauttamismenetelmä tekee samalla adiabaattisuuden käsitteestä hyödyttömän avoimien järjestelmien tapauksessa käytännön näkökulmasta. niin, että "adiabaattisuuden" käsitettä ei käytetä tällaisten järjestelmien kemiallisessa termodynamiikassa .

Termodynaamista järjestelmää kutsutaan homogeeniseksi , jos sen osien välillä ei ole erotuspintoja [ 1] ja siksi järjestelmän ominaisuudet muuttuvat jatkuvasti pisteestä pisteeseen [59] . Homogeenista järjestelmää, jolla on samat ominaisuudet missä tahansa kohdassa, kutsutaan homogeeniseksi [59] [1] . Esimerkkejä homogeenisista systeemeistä ovat liuokset (kaasu, neste ja kiinteä). Kaasufaasi, joka on laajasti gravitaatiokentän gradienttia pitkin (esimerkiksi maapallon ilmakehä pilvettömänä ja tuulettomana päivänä) on esimerkki epähomogeenisesta homogeenisesta faasista (katso barometrinen kaava ).

Termodynaamista järjestelmää kutsutaan heterogeeniseksi , jos se koostuu useista homogeenisista osista, joilla on erilaiset ominaisuudet. Pinnoilla, jotka erottavat heterogeenisen järjestelmän homogeenisiä osia, ainakin yksi aineen termodynaaminen ominaisuus muuttuu äkillisesti [60] [1] . Usein (mutta ei aina) käyttöliittymä on näkyvissä.

Heterogeenisen järjestelmän homogeenista osaa kutsutaan faasiksi [60] . Vähemmän tiukasti, mutta selkeämmin vaiheita kutsutaan "järjestelmän homogeenisiksi osiksi, jotka erotetaan muista osista näkyvillä rajapinnoilla" [12] . Esimerkkinä jää-vesi-kostea ilmajärjestelmä. Homogeeninen järjestelmä sisältää vain yhden vaiheen; heterogeeninen järjestelmä koostuu kahdesta tai useammasta vaiheesta [61] . Heterogeenisen järjestelmän vaiheiden lukumäärä noudattaa Gibbsin vaihesääntöä . Samalla aineella voi kiinteässä aggregaatiotilassa olla useita faaseja (rombinen ja monokliininen rikki , harmaa ja valkoinen tina jne.) [60] .

Kuvassa on yksi termodynaamisten järjestelmien luokitteluvaihtoehdoista.

Katso myös

Kommentit

  1. ↑ Työnesteellä tarkoitetaan moottoreiden suhteen ainetta ( kaasu , neste , kiinteä ) , jonka avulla orgaanisen polttoaineen palaessa ja ydinpolttoaineesta ydinreaktioissa vapautuva energia muunnetaan hyödylliseksi mekaaniseksi työksi [8 ] .

Muistiinpanot

  1. 1 2 3 4 5 6 7 Termodynamiikka. Peruskonseptit. Terminologia. Määrien kirjainmerkinnät, 1984 , s. 6.
  2. Physical encyclopedia, osa 5, 1998 , s. 84.
  3. Zalewski, K., Fenomenologinen ja tilastollinen termodynamiikka, 1973 , s. 9.
  4. Kvasnikov I. A., Thermodynamics, 2002 , s. 17.
  5. 1 2 3 Kubo R., Thermodynamics, 1970 , s. yksitoista.
  6. Bazarov I.P., Termodynamiikka, 2010 , s. 206.
  7. Khachkuruzov G. A., Yleisen ja kemiallisen termodynamiikan perusteet, 1979 , s. kahdeksan.
  8. Kuprikov M. Yu. , Suihkumoottori, 2015 .
  9. Borshchevsky A. Ya., Physical chemistry, osa 1, 2017 , s. 40.
  10. Skakov S. V. , Tekninen termodynamiikka, 2014 , s. 6.
  11. Fysiikka. Big Encyclopedic Dictionary, 1998 , s. 521.
  12. 1 2 Gerasimov Ya. I. et ai., Course of Physical Chemistry, osa 1, 1970 , s. 27.
  13. 1 2 Prigozhin I., Kondepudi D., Modern thermodynamics, 2002 , s. kahdeksantoista.
  14. GOST R 57700.4-2017 Fysikaalisten prosessien numeerinen mallinnus. Termit ja määritelmät jatkumomekaniikan aloilla: hydromekaniikka, kaasudynamiikka, s. 4. . Haettu 18. heinäkuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 18. heinäkuuta 2018.
  15. Bazarov I.P., Termodynamiikka, 2010 , s. 40.
  16. Kozlov V.V., Gibbs Ensembles and Nonequilibrium Statistical Mechanics, 2008 , s. 171.
  17. Putilov K. A., Termodynamiikka, 1971 , s. 101.
  18. Fysiikka. Big Encyclopedic Dictionary, 1998 , s. 522.
  19. Belonuchkin V. E. Termodynamiikan lyhyt kurssi, 2010 , s. 160.
  20. Frank-Kamenetsky D. A., Luentoja plasmafysiikasta, 1968 , s. 53.
  21. Linkouslämpötila - artikkeli Physical Encyclopediasta
  22. Linkouslämpötila - artikkeli Great Soviet Encyclopediasta
  23. Landau L.D., Lifshits E.M., Tilastollinen fysiikka. Osa 1, 2002 , s. 262.
  24. Powles, D. Negative Absolute Temperatures, 1964 .
  25. Dobroborsky B.S. Koneiden turvallisuus ja inhimillinen tekijä / Toim. d.t.s., prof. S.A. Volkov. - Pietari. : SPbGASU, 2011. - S. 33 - 35. - 114 s. — ISBN 978-5-9227-0276-8 . Arkistoitu 20. tammikuuta 2022 Wayback Machinessa
  26. Novikov I.I., Thermodynamics, 1984 , s. kahdeksan.
  27. Haywood R., Thermodynamics of equilibrium Processes, 1983 , s. 56.
  28. G. D. Baer, ​​​​Technical thermodynamics, 1977 , s. 73-74.
  29. 1 2 Zalewski K., Fenomenologinen ja tilastollinen termodynamiikka, 1973 , s. kymmenen.
  30. Atkins P., de Paula J., Physical Chemistry, Osa 1, 2007 , s. 51.
  31. Khachkuruzov G. A., Yleisen ja kemiallisen termodynamiikan perusteet, 1979 , s. kaksikymmentä.
  32. 1 2 Vukalovich M. P., Novikov I. I., Thermodynamics, 1972 , s. kaksikymmentä.
  33. 1 2 GOST IEC 60050-113-2015 Kansainvälinen sähkötekninen sanakirja. Osa 113. Fysiikka sähkötekniikassa (IEC 60050-113:2011, IDT), s. 17. . Haettu 18. heinäkuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 16. heinäkuuta 2018.
  34. Termodynamiikka. Peruskonseptit. Terminologia. Määrien kirjainmerkinnät, 1984 .
  35. Storonkin A. V., Heterogeenisten järjestelmien termodynamiikka, osat 1-2, 1967 , s. 120-121.
  36. Belokon N.I., Termodynamiikan perusperiaatteet, 1968 , s. 12.
  37. Gukhman A. A., Termodynamiikan perusteista, 2010 , s. 66.
  38. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , s. 141.
  39. Sychev V.V., Monimutkaiset termodynaamiset järjestelmät, 2009 , s. 257.
  40. Sychev V.V., Monimutkaiset termodynaamiset järjestelmät, 2009 .
  41. Komponentit (termodynamiikassa ja kemiassa) // Great Soviet Encyclopedia, 1973. (pääsemätön linkki) . Haettu 25. huhtikuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 5. maaliskuuta 2021. 
  42. Gorshkov V.S. et ai., Physical chemistry of silicaates, 1988 , s. 193.
  43. Gameeva O. S., Fysikaalinen ja kolloidinen kemia, 1969 , s. 162.
  44. Physical encyclopedia, osa 4, 1994 , s. 196.
  45. Sivukhin D.V., Yleinen fysiikan kurssi, osa 2, 2005 , s. 42.
  46. R. Haase, Peruuttamattomien prosessien termodynamiikka, 1967 , s. 19.
  47. Münster A., ​​​​Classical Thermodynamics, 1970 , s. kaksikymmentä.
  48. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , s. 32.
  49. Belov G.V., Termodynamiikka, osa 1, 2017 , s. 23.
  50. R. Haase, Peruuttamattomien prosessien termodynamiikka, 1967 , s. 25.
  51. Physical encyclopedia, osa 3, 1992 , s. 555 .
  52. Tamm M. E., Tretyakov Yu. D., Epäorgaanisen kemian fysikaaliset ja kemialliset perusteet, 2004 , s. yksitoista.
  53. I. Prigozhin, D. Kondepudi, Moderni termodynamiikka, 2002 , s. 52.
  54. Kubo R., Thermodynamics, 1970 , s. 16.
  55. Magaev O. V. et ai., Kemiallisen termodynamiikan perusteet, 2017 , s. kahdeksan.
  56. Kvasnikov I. A., Thermodynamics, 2002 , s. 22.
  57. Petrov N., Brankov J., Termodynamiikan nykyongelmat, 1986 , s. 66.
  58. K. P. Gurov, Peruuttamattomien prosessien fenomenologinen termodynamiikka, 1978 , s. 9.
  59. 1 2 Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , s. 21.
  60. 1 2 3 Bazarov I.P., Termodynamiikka, 2010 , s. 22.
  61. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , s. viisitoista.

Kirjallisuus

Teknillinen yliopisto|LGTU]], 2014. — 113 s. - ISBN 978-5-88247-698-3 .