| Термодинамика | |||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 | |||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||
Книга
КатегорияДля термодинамики , А термодинамическое состояние из системы является его состояние в то время , определенного, который полностью идентифицируется значениями подходящего набора параметров , известных как переменных состояния , параметры состояния или термодинамическими переменные. Как только такой набор значений термодинамических переменных определен для системы, значения всех термодинамических свойств системы определяются однозначно. Обычно по умолчанию за термодинамическое состояние принимается состояние термодинамического равновесия . Это означает, что состояние - это не просто состояние системы в определенное время, а то, что состояние остается неизменным в течение неопределенно длительного периода времени.
Термодинамика устанавливает идеализированную концептуальную структуру, которую можно резюмировать формальной схемой определений и постулатов. Термодинамические состояния относятся к числу фундаментальных или примитивных объектов или понятий схемы, для которых их существование является первичным и определяющим, а не производными или построенными из других понятий. [1] [2] [3]
Термодинамическая система не просто физическая система. [4]Скорее, в общем, бесконечно много различных альтернативных физических систем составляют данную термодинамическую систему, потому что в целом физическая система имеет гораздо больше микроскопических характеристик, чем упоминается в термодинамическом описании. Термодинамическая система - это макроскопический объект, микроскопические детали которого явно не рассматриваются в его термодинамическом описании. Количество переменных состояния, необходимых для определения термодинамического состояния, зависит от системы и не всегда известно до эксперимента; его обычно находят на основании экспериментальных данных. Число всегда два или больше; обычно не больше нескольких десятков. Хотя количество переменных состояния фиксируется экспериментально, остается выбор, какую из них использовать для конкретного удобного описания;В качестве альтернативы данная термодинамическая система может быть идентифицирована несколькими различными вариантами набора переменных состояния. Выбор обычно делается на основе стен и антуража, актуальных для дома.термодинамические процессы , которые необходимо учитывать в системе. Например, если предполагается рассмотреть теплопередачу для системы, то стенка системы должна быть проницаемой для тепла, и эта стена должна соединять систему с телом в окружающей среде, которое имеет определенную неизменную во времени температуру. . [5] [6]
Для равновесной термодинамики в термодинамическом состоянии системы ее содержимое находится во внутреннем термодинамическом равновесии с нулевым потоком всех величин, как внутренних, так и между системой и окружающей средой. Для Планка главной характеристикой термодинамического состояния системы, состоящей из одной фазы , в отсутствие внешнего силового поля является пространственная однородность. [7] Для неравновесной термодинамикиподходящий набор идентифицирующих переменных состояния включает в себя некоторые макроскопические переменные, например ненулевой пространственный градиент температуры, которые указывают на отклонение от термодинамического равновесия. Такие неравновесные идентифицирующие переменные состояния указывают на то, что некоторый ненулевой поток может происходить внутри системы или между системой и окружающей средой. [8]
Переменные состояния и функции состояния [ править ]
Термодинамическая система может быть идентифицирована или описана различными способами. Наиболее прямо его можно идентифицировать по подходящему набору переменных состояния. Менее прямо это можно описать подходящим набором величин, который включает переменные состояния и функции состояния.
Первичная или первоначальная идентификация термодинамического состояния тела материи осуществляется непосредственно измеряемыми обычными физическими величинами. Для некоторых простых целей для данного тела с заданным химическим составом достаточным набором таких величин является «объем и давление».
Помимо непосредственно измеряемых обычных физических переменных, которые первоначально определяют термодинамическое состояние системы, система характеризуется дополнительными величинами, называемыми функциями состояния , которые также называются переменными состояния, термодинамическими переменными, величинами состояния или функциями состояния. Они однозначно определяются термодинамическим состоянием, поскольку оно было идентифицировано исходными переменными состояния. Таких государственных функций много. Примерами являются внутренняя энергия , энтальпия , свободная энергия Гельмгольца , свободная энергия Гиббса , термодинамический температуры и энтропии. Для данного тела с данным химическим строением, когда его термодинамическое состояние полностью определяется его давлением и объемом, тогда его температура определяется однозначно. Термодинамическая температура - это специфическая термодинамическая концепция, в то время как исходные непосредственно измеряемые переменные состояния определяются обычными физическими измерениями без ссылки на термодинамические концепции; по этой причине полезно рассматривать термодинамическую температуру как функцию состояния.
Переход от заданного начального термодинамического состояния к заданному конечному термодинамическому состоянию термодинамической системы известен как термодинамический процесс; обычно это передача материи или энергии между системой и окружающей средой. В любом термодинамическом процессе, какими бы ни были промежуточные условия во время прохождения, полное соответствующее изменение значения каждой переменной термодинамического состояния зависит только от начального и конечного состояний. Для идеализированного непрерывного или квазистатического процесса это означает, что бесконечно малые приращения таких переменных являются точными дифференциалами . Вместе постепенные изменения на протяжении всего процесса, а также начальное и конечное состояния полностью определяют идеализированный процесс.
В наиболее часто цитируемом простом примере, идеальном газе , термодинамические переменные будут любыми тремя переменными из следующих четырех: количество вещества , давление , температура и объем . Таким образом, термодинамическое состояние будет охватывать трехмерное пространство состояний. Оставшаяся переменная, а также другие величины, такие как внутренняя энергия и энтропия , будут выражены как функции состояния этих трех переменных. Функции состояния удовлетворяют определенным универсальным ограничениям, выраженным в законах термодинамики , и они зависят от особенностей материалов, из которых состоит конкретная система.
Были разработаны различные термодинамические диаграммы для моделирования переходов между термодинамическими состояниями.
Состояние равновесия [ править ]
Физические системы, встречающиеся в природе, практически всегда динамичны и сложны, но во многих случаях макроскопические физические системы поддаются описанию на основе близости к идеальным условиям. Одним из таких идеальных условий является состояние устойчивого равновесия. Такое состояние является примитивным объектом классической или равновесной термодинамики, в которой оно называется термодинамическим состоянием. Основываясь на многих наблюдениях, термодинамика постулирует, что все системы, изолированные от внешней среды, будут развиваться, чтобы приблизиться к уникальным стабильным состояниям равновесия. Существует ряд различных типов равновесия, соответствующих различным физическим переменным, и система достигает термодинамического равновесия, когда одновременно выполняются условия всех соответствующих типов равновесия. Ниже перечислены несколько различных типов равновесия.
- Тепловое равновесие : когда температура во всей системе одинакова, система находится в тепловом равновесии.
- Механическое равновесие : если в каждой точке данной системы давление не изменяется со временем и нет движения материала, система находится в механическом равновесии.
- Фазовое равновесие : это происходит, когда масса каждой отдельной фазы достигает значения, которое не изменяется со временем.
- Химическое равновесие : в химическом равновесии химический состав системы установился и не меняется со временем.
Ссылки [ править ]
- ^ Каллен, HB (1960/1985), стр. 13.
- ^ Carathéodory, C. (1909).
- ^ Marsland, Р. III , Браун, HR, Валента, G. (2015).
- ↑ Jaynes, ET (1965), стр. 397.
- ^ Пригожин И. , Defay Р. (1950/1954), стр. 1.
- ^ Zemanksy, MW , Dittman, RH (1937/1981), стр. 6.
- ^ Планк, М. , (1923/1927), стр. 3.
- ^ Eu, BC (2002).
Библиография [ править ]
- Байлын, М. (1994). Обзор термодинамики , Американский институт физики Press, Нью-Йорк, ISBN 0-88318-797-3 .
- Ценгель, Юнус; Майкл А. Боэлс (2011). Термодинамика - инженерный подход . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-352932-5.
- Каллен, HB (1960/1985). Термодинамика и введение в термостатистику , (1-е издание, 1960 г.), 2-е издание, 1985 г., Wiley, New York, ISBN 0-471-86256-8 .
- Каратеодори, К. (1909). "Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik" (PDF) . Mathematische Annalen . 67 (3): 355–386. DOI : 10.1007 / BF01450409 .Перевод можно найти здесь . Наиболее надежный перевод можно найти у Kestin, J. (1976). Второй закон термодинамики , Dowden, Hutchinson & Ross, Stroudsburg PA.
- Eu, BC (2002). Обобщенная термодинамика. Термодинамика необратимых процессов и обобщенная гидродинамика , Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, ISBN 1-4020-0788-4 .
- Джейнс, ET (1965). Гиббс против энтропий Больцмана, Am. J. Phys. , 33 : 391–398.
- Моделл, Майкл; Роберт С. Рид (1974). Термодинамика и ее приложения . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN 0-13-914861-2.
- Марсланд, Р. III , Браун, Х. Р., Валенте, Г. (2015). Время и необратимость в аксиоматической термодинамике , Am. J. Phys. , 83 (7): 628–634.
- Планк, М. (1923/1927). Трактат по термодинамике , перевод А. Огга, третье английское издание, Longmans, Green and Co. , Лондон.
- Пригожин И. , Дефай Р. (1950/1954). Химическая термодинамика , Longmans, Green & Co, Лондон.
- Тиса, Л. (1966). Обобщенная термодинамика , MIT Press, Cambridge MA.
- Земанки М.В., Диттман Р.Х. (1937/1981). Тепло и термодинамика. Учебник среднего уровня , шестое издание, McGraw-Hill Book Company, Нью-Йорк, ISNM 0-07-072808-9.
См. Также [ править ]
- Возбужденное состояние
- Основное состояние
- Стационарное состояние
