Параметры и уравнения состояния.

Наличие воздействия какого-либо рода может быть определено по изменению конкретной физической величины, называемой координатой состояния системы. Если взаимодействие данного рода имеет место, то координата обязательно изменится. Если воздействие отсутствует, то эта координата остается постоянной и никакими другими воздействиями не может быть изменена.

При механическом деформационном взаимодействии, совершающемся под влиянием равномерно распределенного давления, такой координатой будет являться объем V рабочего тела. Действительно, если рассмотреть в качестве системы газ, находящийся в цилиндре под поршнем, то при неравенстве давлений над и под поршнем последний будет перемещаться вверх или вниз, а объем газа V будет либо уменьшаться, либо увеличиваться. При жестком закреплении поршня, если жесткими являются и стенки цилиндра, никакими иными путями нельзя добиться изменения объема. Постоянство объема газа dV = 0 будет свидетельствовать об отсутствии механического деформационного взаимодействия.

При химических и фазовых превращениях происходит изменение одной и той же величины — массы М. Если в системе совершается химическая реакция, то происходят уменьшение массы исходных веществ и увеличение массы продуктов реакции. То же происходит и при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другие. Если же в системе устанавливается химическое или фазовое равновесие, то массы веществ, образующих систему, остаются постоянными: dM = 0. Следовательно, координатой при химических и фазовых превращениях является масса.

При рассмотрении тепловых взаимодействий тепловая координата непосредственно на опыте не измеряется и не наблюдается. Она может быть вычислена через другие наблюдаемые на опыте величины. Такой физической величиной является энтропия системы S. При наличии теплообмена энтропия изменяется: dS Ф 0; при отсутствии теплообмена она остается постоянной: dS = 0.

Рассмотрение различного рода взаимодействий можно было бы продолжить и определить каждому взаимодействию свою координату.

Итак, по поведению координат состояния системы можно судить о наличии или отсутствии данного воздействия. Однако не менее важен вопрос об условиях возможности осуществления данного воздействия на систему.

Для любого рода взаимодействий можно установить более определенную физическую величину, при равенстве которой в системе и окружающей среде воздействия данного рода не существует. Назовем такие физические величины потенциалами. Разность соответствующих потенциалов внутри и вне системы является движущей причиной данного процесса в системе. При равенстве потенциалов внутри и вне системы взаимодействие данного рода не может быть осуществлено.

В случае механического деформационного взаимодействия роль потенциала играет давление р. Так, при равенстве давлений внутри и вне системы невозможно осуществить расширение или сжатие системы.

Теплообмен между двумя телами возможен только при наличии разности температур этих тел, следовательно, тепловым потенциалом является температура Т.

Электрическое взаимодействие может быть осуществлено только при наличии разности электрических потенциалов U и т.д.

Количественной мерой какого-либо воздействия является произведение потенциала на измерение соответствующей координаты. Так, элементарная работа введения механического деформационного воздействия при равномерном распределении давления равна dL = pdV, элементарное количество теплоты dQ = TdS и т.д.

Одновременно следует установить правило знаков. Знак воздействия рассматривается с точки зрения термодинамической системы (или рабочего тела). Так, теплота dQ положительна, если подводится к системе от окружающей среды (dQ = -dQ), работа dL положительна, если совершается внутренними силами против внешних (dL = -dL').

Координаты и потенциалы системы называют термодинамическими параметрами состояния.

Параметры состояния относят к единице массы, рассматривая удельные величины:

удельный объем, м3/кг, плотность, кг/м3,

удельную энтропию, кДж/(кг • К),

К параметрам состояния относятся также величины внутренней энергии

и энтальпию

где pV — потенциальная энергия давления.

Под внутренней энергией понимают кинетическую энергию теплового движения молекул, зависящую от температуры тела, и потенциальную энергию их силового взаимодействия.

Термодинамические параметры находятся между собой в функциональной зависимости, называемой уравнением состояния системы. В зависимости от числа воздействия, т.е. от степени свободы системы, для каждой системы существуют свои уравнения состояния, характеризующие определенные связи между термодинамическими параметрами.

Для реальной системы уравнение состояния термодинамики получается только из опыта. Так, для системы с двумя степенями свободы — тепловой и механической — уравнение состояния в общем виде записывается как

Для каждой конкретной термодинамической системы уравнения состояния определяются из модельных представлений о структуре вещества или опытным путем.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >