Termodynamisk system

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 26. juni 2021; checks kræver 4 redigeringer .

Et termodynamisk system  er et fysisk legeme (et sæt af legemer), der er i stand til at udveksle energi og (eller) stof med andre legemer (mellem sig selv) [1] ; et makroskopisk fysisk system tildelt (faktisk eller mentalt) til undersøgelse , bestående af et stort antal partikler og ikke kræver involvering af mikroskopiske karakteristika af individuelle partikler for dets beskrivelse [2] , "en del af universet, som vi udvælger til undersøgelse" [3] . Enheden til måling af antallet af partikler i et termodynamisk system er normalt Avogadro-tallet [4] (ca. 6·10 23 partikler pr. mol af et stof), hvilket giver en idé om den pågældende størrelsesorden. Begrænsninger på arten af ​​materialepartikler, der danner et termodynamisk system, er ikke pålagt: de kan være atomer , molekyler , elektroner , ioner , fotoner osv. [5] [6] . Ethvert terrestrisk objekt, der er synligt for det blotte øje eller ved hjælp af optiske instrumenter ( mikroskoper , spotting -skoper , osv.) kan henføres til termodynamiske systemer: "Termodynamik er studiet af makroskopiske systemer, hvis rumlige dimensioner og levetid er tilstrækkelige til at udføre normale måleprocesser” [5] . Konventionelt omfatter makroskopiske systemer objekter med størrelser fra 10 −7  m (100 nm) til 10 12  m [7] .

Betingelsen af ​​den nedre grænse hænger blandt andet sammen med, at det for termodynamikken ikke er størrelsen af ​​objektet, der er vigtigt, men antallet af partikler, der danner det. En terning af en ideel gas med en kant på 100 nm indeholder omkring 27.000 partikler under normale forhold (se Loschmidts konstant ).

Arbejdsvæsken [K 1] , hvis koncept bruges i teknisk termodynamik , er et eksempel på et termodynamisk system.

Et absolut fast legeme set ud fra et termodynamisk synspunkt er en enkelt partikel og af denne grund, uanset dens størrelse, hører det ikke til termodynamiske systemer [9] .

Galaktiske og metagalaktiske systemer er ikke termodynamiske [10] .

Enhver del af et termodynamisk system kaldes et undersystem .

For at beskrive et termodynamisk system bruges makroskopiske parametre , der ikke karakteriserer egenskaberne af dets bestanddele, men selve systemets egenskaber: temperatur , tryk , volumen , magnetisk induktion , elektrisk polarisering , masse og kemisk sammensætning af komponenterne osv. [11] [12] .

Hvert termodynamisk system har grænser , reelle eller betingede, der adskiller det fra omgivelserne [13] , hvilket betyder alle legemer, der ikke er inkluderet i det termodynamiske system [14] . Nogle gange taler man i stedet for miljøet om en termostat [5] , altså et medium med så stor en varmekapacitet, at dets temperatur ikke ændres under varmevekslingen med det undersøgte system [15] [16] [17] . Som standard antages det, at miljøet er stort nok, og derfor afhænger dets parametre ikke af de processer, der foregår i det pågældende system. Derudover antages det normalt, at miljøet er i en tilstand af termodynamisk ligevægt , og dets karakteristika afhænger ikke af tid og rumlige koordinater.

Det er vigtigt, at sammensætningen af ​​det termodynamiske system inkluderer alle de partikler, der er til stede i det område af rummet, der er allokeret til undersøgelse. Faktum er, at i termodynamik er et virkeligt fysisk system nogle gange mentalt opdelt i uafhængige undersystemer af objekter med specielle egenskaber, og det samme volumen anses for samtidigt at være optaget af to eller flere virtuelle kvasi-uafhængige (svagt interagerende med hinanden) delsystemer af partikler af forskellig natur (f.eks. er gasblandingen karakteriseret ved partialtrykket af dens bestanddele [18] ; ioner og frie elektroner er samtidig til stede i gasplasmaet med deres væsentligt forskellige partielle temperaturer - ionisk og elektron [19] ] [20] ; subsystemer af fononer og magnoner skelnes i en krystal ; et undersystem af nukleare spins en paramagnet er karakteriseret ved sin egen partielle spintemperatur [21] , som kan tage negative værdier på Kelvin-skalaen [22] [ 23] [24] ). Denne formelle teknik giver os mulighed for at introducere partielle karakteristika for det betragtede delsystem af partikler , som ikke nødvendigvis er direkte relateret til det fysiske system som helhed (se f.eks. Negativ absolut temperatur ).

Termodynamiske systemer er genstand for undersøgelse i termodynamik , statistisk fysik og kontinuumsfysik .

Klassifikation af termodynamiske systemer

Ifølge interne processer skelnes systemer [25]

Ved arten af ​​interaktion med miljøet skelnes systemer [13] :

Ifølge de tilstandsparametre, der bruges til den termodynamiske beskrivelse af systemet , skelner de mellem: simple systemer , enkle åbne systemer og komplekse systemer .

.

Simple kroppe er isotrope kroppe (isos - lige, tropos - retning, generelt - ligheden mellem egenskaberne ved tilstanden og kroppens fysiske egenskaber på alle dens punkter og i alle retninger), især: gasser, dampe, væsker og mange faste stoffer, der er i termodynamisk ligevægt og ikke er udsat for påvirkning af overfladespænding, gravitations- og elektromagnetiske kræfter og kemiske transformationer. Studier af simple legemer i termodynamik er af den største teoretiske og praktiske interesse.

Hvis de stoffer, der udgør systemet i det betragtede område af forhold ( tryk , temperatur ) ikke kemisk interagerer med hinanden, så kaldes systemet fysisk . Hvis systemets stoffer reagerer med hinanden, så taler man om et kemisk system [41] [42] [43] .

Den virkelige isolation af det termodynamiske system fra omgivelserne udføres ved hjælp af vægge ( grænseflader , skillevægge , skaller ) [44] : bevægelige og ubevægelige, permeable og uigennemtrængelige for stof (der er også semipermeable skillevægge ). Dewar-fartøjet er et godt eksempel [45] på en adiabatisk ( termoisolerende [46] ) skal . En skillevæg, der ikke forhindrer varmeoverførsel, det vil sige ikke er adiabatisk, kaldes diatermisk [47] [48] ( varmegennemtrængelig [49] ).

Da fortolkningen af ​​begreberne "arbejde" og "varme" for åbne systemer mister sin entydighed [50] , så mister ideen om adiabaticitet sin sikkerhed. For at genoprette sikkerheden og bevare ækvivalensen af ​​ideen om adiabatisk isolation som et forbud mod varmeoverførsel, og adiabatisk isolation som kun tillader energiudveksling i form af arbejde, for åbne systemer, er en tredje form for energioverførsel. tilført varme og arbejde - energien til omfordeling af masserne af de stoffer, der udgør systemet [51] [ 52] [53] [54] , og egenskaberne for den adiabatiske skal suppleres med kravet om, at skallen skal være uigennemtrængeligt for stoffet [55] [56] [57] [58] [29] [32] . Desværre gør denne metode til at genoprette det unikke ved fortolkningen af ​​begrebet "adiabaticitet", som er meget brugt i teknisk termodynamik , samtidig begrebet adiabaticitet ubrugeligt fra et praktisk synspunkt i tilfælde af åbne systemer, således at begrebet "adiabaticitet" ikke bruges i kemisk termodynamik af sådanne systemer.

Et termodynamisk system kaldes homogent , hvis der ikke er adskillelsesflader mellem nogen af ​​dets dele [1] , og systemets egenskaber derfor konstant ændrer sig fra punkt til punkt [59] . Et homogent system med de samme egenskaber på et hvilket som helst tidspunkt kaldes homogent [59] [1] . Eksempler på homogene systemer er opløsninger (gas, væske og faststof). En gasfase af stor udstrækning langs gravitationsfeltets gradient (f.eks. jordens atmosfære på en skyfri og vindstille dag) er et eksempel på en inhomogen homogen fase (se barometrisk formel ).

Et termodynamisk system kaldes heterogent , hvis det består af flere homogene dele med forskellige egenskaber. På overflader, der adskiller homogene dele af et heterogent system, ændres mindst én termodynamisk egenskab ved et stof brat [60] [1] . Ofte (men ikke altid) er grænsefladen synlig.

Den homogene del af et heterogent system kaldes en fase [60] . Mindre strengt, men mere tydeligt, kaldes faser "homogene dele af systemet, adskilt fra andre dele af synlige grænseflader" [12] . Et eksempel er systemet med is-vand-fugtig luft. Et homogent system indeholder kun én fase; et heterogent system består af to eller flere faser [61] . Antallet af faser i et heterogent system overholder Gibbs fasereglen . Det samme stof i en fast aggregeringstilstand kan have flere faser (rhombisk og monoklint svovl , gråt og hvidt tin osv.) [60] .

Figuren viser en af ​​mulighederne for at klassificere termodynamiske systemer.

Se også

Kommentarer

  1. Arbejdsvæsken i forhold til motorer forstås som et stof ( gas , væske , fast stof ) , ved hjælp af hvilket den energi, der frigives ved forbrænding af organisk brændsel og ved kernereaktioner fra atombrændsel , omdannes til nyttigt mekanisk arbejde [8 ] .

Noter

  1. 1 2 3 4 5 6 7 Termodynamik. Basale koncepter. Terminologi. Bogstavbetegnelser for mængder, 1984 , s. 6.
  2. Physical encyclopedia, bind 5, 1998 , s. 84.
  3. Zalewski, K., Phenomenological and Statistical Thermodynamics, 1973 , s. 9.
  4. Kvasnikov I. A., Thermodynamics, 2002 , s. 17.
  5. 1 2 3 Kubo R., Thermodynamics, 1970 , s. elleve.
  6. Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , s. 206.
  7. Khachkuruzov G. A., Fundamentals of General and Chemical Thermodynamics, 1979 , s. otte.
  8. Kuprikov M. Yu. , Jetmotor, 2015 .
  9. Borshchevsky A. Ya., Fysisk kemi, bind 1, 2017 , s. 40.
  10. Skakov S. V. , Teknisk termodynamik, 2014 , s. 6.
  11. Fysik. Big Encyclopedic Dictionary, 1998 , s. 521.
  12. 1 2 Gerasimov Ya. I. et al., Course of Physical Chemistry, bind 1, 1970 , s. 27.
  13. 1 2 Prigozhin I., Kondepudi D., Modern thermodynamics, 2002 , s. atten.
  14. GOST R 57700.4-2017 Numerisk modellering af fysiske processer. Begreber og definitioner inden for kontinuummekanik: hydromekanik, gasdynamik, s. 4. . Hentet 18. juli 2018. Arkiveret fra originalen 18. juli 2018.
  15. Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , s. 40.
  16. Kozlov V.V., Gibbs Ensembles and Nonequilibrium Statistical Mechanics, 2008 , s. 171.
  17. Putilov K. A., Thermodynamics, 1971 , s. 101.
  18. Fysik. Big Encyclopedic Dictionary, 1998 , s. 522.
  19. Belonuchkin V. E. Short course of thermodynamics, 2010 , s. 160.
  20. Frank-Kamenetsky D. A., Lectures on Plasma Physics, 1968 , s. 53.
  21. Spin temperatur - artikel fra Physical Encyclopedia
  22. Spin temperatur - artikel fra Great Soviet Encyclopedia
  23. Landau L. D., Lifshits E. M., Statistisk fysik. Del 1, 2002 , s. 262.
  24. Powles, D. Negative Absolute Temperatures, 1964 .
  25. Dobroborsky B.S. Maskinsikkerhed og den menneskelige faktor / Red. d.t.s., prof. S.A. Volkov. - Sankt Petersborg. : SPbGASU, 2011. - S. 33 - 35. - 114 s. — ISBN 978-5-9227-0276-8 . Arkiveret 20. januar 2022 på Wayback Machine
  26. Novikov I.I., Thermodynamics, 1984 , s. otte.
  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., Phenomenological and Statistical Thermodynamics, 1973 , s. ti.
  30. Atkins P., de Paula J., Physical Chemistry, del 1, 2007 , s. 51.
  31. Khachkuruzov G. A., Fundamentals of General and Chemical Thermodynamics, 1979 , s. tyve.
  32. 1 2 Vukalovich M. P., Novikov I. I., Thermodynamics, 1972 , s. tyve.
  33. 1 2 GOST IEC 60050-113-2015 International Electrotechnical Dictionary. Del 113. Fysik i elektroteknik (IEC 60050-113:2011, IDT), s. 17. . Hentet 18. juli 2018. Arkiveret fra originalen 16. juli 2018.
  34. Termodynamik. Basale koncepter. Terminologi. Bogstavbetegnelser for mængder, 1984 .
  35. Storonkin A. V., Thermodynamics of heterogeneous systems, del 1-2, 1967 , s. 120-121.
  36. Belokon N.I., Grundlæggende principper for termodynamik, 1968 , s. 12.
  37. Gukhman A. A., On the foundations of thermodynamics, 2010 , s. 66.
  38. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , s. 141.
  39. Sychev V.V., Complex thermodynamic systems, 2009 , s. 257.
  40. Sychev V.V., Complex thermodynamic systems, 2009 .
  41. Komponenter (i termodynamik og kemi) // Great Soviet Encyclopedia, 1973. (utilgængeligt link) . Hentet 25. april 2015. Arkiveret fra originalen 5. marts 2021. 
  42. Gorshkov V.S. et al., Physical chemistry of silicates, 1988 , s. 193.
  43. Gameeva O. S., Fysisk og kolloid kemi, 1969 , s. 162.
  44. Physical encyclopedia, bind 4, 1994 , s. 196.
  45. Sivukhin D.V., General course of physics, bind 2, 2005 , s. 42.
  46. R. Haase, Thermodynamics of irreversible processes, 1967 , s. 19.
  47. Münster A., ​​Classical Thermodynamics, 1970 , s. tyve.
  48. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , s. 32.
  49. Belov G.V., Termodynamik, del 1, 2017 , s. 23.
  50. R. Haase, Thermodynamics of irreversible processes, 1967 , s. 25.
  51. Physical encyclopedia, bind 3, 1992 , s. 555 .
  52. Tamm M. E., Tretyakov Yu. D., Fysiske og kemiske grundlag for uorganisk kemi, 2004 , s. elleve.
  53. I. Prigozhin, D. Kondepudi, Modern thermodynamics, 2002 , s. 52.
  54. Kubo R., Thermodynamics, 1970 , s. 16.
  55. Magaev O. V. et al., Fundamentals of chemical thermodynamics, 2017 , s. otte.
  56. Kvasnikov I. A., Thermodynamics, 2002 , s. 22.
  57. Petrov N., Brankov J., Modern problems of thermodynamics, 1986 , s. 66.
  58. K. P. Gurov, Fænomenologisk termodynamik af irreversible processer, 1978 , s. 9.
  59. 1 2 Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , s. 21.
  60. 1 2 3 Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , s. 22.
  61. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , s. femten.

Litteratur

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