Termodinamikai rendszer

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. június 26-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 4 szerkesztést igényelnek .

A termodinamikai rendszer  olyan fizikai test (testek halmaza), amely képes energiát és (vagy) anyagot cserélni más testekkel (maguk között) [1] ; egy makroszkopikus fizikai rendszer (valójában vagy mentálisan) tanulmányozásra , amely nagyszámú részecskéből áll, és nem igényli az egyes részecskék mikroszkopikus jellemzőinek bevonását a leírásához [2] , "az Univerzum egy része, amelyet tanulmányozásra kiválasztunk" [3] . A termodinamikai rendszerben a részecskék számának mérésére szolgáló egység általában az Avogadro-szám [4] (kb. 6·10 23 részecske egy mól anyagra), amely képet ad a kérdéses nagyságrendről. A termodinamikai rendszert alkotó anyagrészecskék természetére vonatkozóan nincsenek korlátozások: lehetnek atomok , molekulák , elektronok , ionok , fotonok stb. [5] [6] . A termodinamikai rendszereknek tulajdonítható minden szabad szemmel vagy optikai eszközök ( mikroszkópok , távcsövek stb.) segítségével látható földi objektumok: „A termodinamika olyan makroszkopikus rendszerek tanulmányozása, amelyek térbeli méretei és élettartama elegendő a normál működéshez. mérési folyamatok” [5] . A makroszkópos rendszerek hagyományosan 10–7  m (100 nm) és 10 12  m közötti objektumokat foglalnak magukban [7] .

Az alsó határ feltételessége többek között azzal függ össze, hogy a termodinamika számára nem a tárgy mérete, hanem az azt alkotó részecskék száma a fontos. Egy ideális gáz 100 nm élű kocka normál körülmények között körülbelül 27 000 részecskét tartalmaz (lásd a Loschmidt-állandót ).

A munkaközeg [K 1] , amelynek fogalmát a műszaki termodinamikában használják , a termodinamikai rendszer példája.

A termodinamikai szempontból abszolút szilárd test egyetlen részecske, ezért méretétől függetlenül nem tartozik a termodinamikai rendszerek közé [9] .

A galaktikus és metagalaktikus rendszerek nem termodinamikusak [10] .

A termodinamikai rendszer bármely részét alrendszernek nevezzük .

A termodinamikai rendszer leírásához makroszkopikus paramétereket használnak , amelyek nem az alkotó részecskék tulajdonságait, hanem magának a rendszernek a tulajdonságait jellemzik: hőmérséklet , nyomás , térfogat , mágneses indukció , elektromos polarizáció , az összetevők tömege és kémiai összetétele stb. [11] [12] .

Minden termodinamikai rendszernek vannak valós vagy feltételes határai , amelyek elválasztják a környezettől [13] , ami minden olyan testet jelent, amely nem szerepel a termodinamikai rendszerben [14] . Néha a környezet helyett termosztátról beszélnek [5] , vagyis olyan nagy hőkapacitású közegről, hogy a hőmérséklete nem változik a vizsgált rendszerrel történő hőcsere során [15] [16] [17] . Alapértelmezésben azt feltételezzük, hogy a környezet elég nagy, ezért paraméterei nem függenek a vizsgált rendszerben lezajló folyamatoktól. Ezenkívül általában azt feltételezik, hogy a környezet termodinamikai egyensúlyi állapotban van, és jellemzői nem függnek az időtől és a térbeli koordinátáktól.

Fontos, hogy a termodinamikai rendszer összetétele tartalmazza az összes olyan részecskét, amely a tanulmányozásra kijelölt térben található. A tény az, hogy a termodinamikában néha egy valós fizikai rendszert mentálisan különálló tulajdonságokkal rendelkező objektumok független alrendszereire osztanak fel, és ugyanazt a térfogatot egyidejűleg két vagy több virtuális, kvázi független (egymással gyengén kölcsönható) részleges alrendszernek tekintik. különböző természetű részecskékből (például , a gázelegyet az alkotó gázok parciális nyomása jellemzi [18] ; ionok és szabad elektronok egyidejűleg vannak jelen a gázplazmában jelentősen eltérő parciális hőmérsékletükkel - ionos és elektronos [19] ] [20] ; egy kristályban fononok és magnonok alrendszereit különböztetik meg; a paramágnes nukleáris spineinek alrendszerét saját részleges spin-hőmérséklet jellemzi [21] , amely negatív értékeket vehet fel a Kelvin-skálán [22] [ 23] [24] ). Ez a formális technika lehetővé teszi olyan részjellemzők bevezetését a részecskék vizsgált alrendszerére , amelyek nem feltétlenül kapcsolódnak közvetlenül a fizikai rendszer egészéhez (lásd például: Negatív abszolút hőmérséklet ).

A termodinamikai rendszerek a termodinamika , a statisztikai fizika és a kontinuumfizika tanulmányozásának tárgyát képezik .

Termodinamikai rendszerek osztályozása

A belső folyamatok szerint rendszereket különböztetnek meg [25]

A környezettel való interakció jellege szerint a rendszereket megkülönböztetik [13] :

A rendszer termodinamikai leírásához használt állapotparaméterek szerint megkülönböztetik az egyszerű rendszereket , az egyszerű nyílt rendszereket és az összetett rendszereket .

.

Az egyszerű testek izotróp testek (isos - egyenlő, tropos - irány, általában - a test állapotának és fizikai tulajdonságainak egyenlősége minden pontján és minden irányban), különösen: gázok, gőzök, folyadékok és sok olyan szilárd anyag, amely termodinamikai egyensúlyban van, és nincs kitéve felületi feszültségnek, gravitációs és elektromágneses erőknek és kémiai átalakulásoknak. Az egyszerű testek termodinamikai vizsgálata a legnagyobb elméleti és gyakorlati érdeklődésre számot tartó.

Ha a rendszert alkotó anyagok az adott körülmények között ( nyomás , hőmérséklet ) nem lépnek kémiai kölcsönhatásba egymással, akkor a rendszert fizikainak nevezzük . Ha a rendszer anyagai reagálnak egymással, akkor kémiai rendszerről beszélünk [41] [42] [43] .

A termodinamikai rendszer valódi elszigetelése a környezettől falak ( interfészek , válaszfalak , héjak ) [44] segítségével valósul meg : mozgatható és mozdítható, anyagáteresztő és át nem eresztő (vannak félig áteresztő válaszfalak is ). A Dewar-edény jó példa [45] az adiabatikus ( hőszigetelő [46] ) héjra . Az olyan válaszfalat, amely nem akadályozza meg a hőátadást, azaz nem adiabatikus, diatermikusnak [47] [48] ( hőáteresztő [49] ) nevezzük.

Mivel a nyílt rendszerek esetében a „munka” és a „hő” fogalmak értelmezése elveszti egyértelműségét [50] , az adiabaticitás gondolata elveszti bizonyosságát. A bizonyosság helyreállítása és az adiabatikus izoláció mint a hőátadás tilalmának, valamint az adiabatikus izoláció mint az energiacserét csak munka formájában lehetővé tévő gondolat egyenértékűségének megőrzése a nyitott rendszerek esetében az energiaátvitel harmadik formája. hozzáadva a hőhez és a munkához - a rendszert alkotó anyagok tömegeinek újraelosztási energiája [51] [52] [53] [54] , és az adiabatikus héj tulajdonságait kiegészíti az a követelmény, hogy a héj legyen áthatolhatatlan az anyag számára [55] [56] [57] [58] [29] [32] . Sajnos a műszaki termodinamikában széles körben használt "adiabaticitás" értelmezése egyediségének helyreállítására szolgáló módszer egyúttal gyakorlati szempontból is használhatatlanná teszi az adiabaticitás fogalmát a nyílt rendszerek esetében. hogy az "adiabaticitás" fogalmát ne használják az ilyen rendszerek kémiai termodinamikájában .

Egy termodinamikai rendszert homogénnek nevezünk, ha egyik része között sem található elválasztófelület [ 1] , és ezért a rendszer tulajdonságai pontról pontra folyamatosan változnak [59] . A bármely ponton azonos tulajdonságokkal rendelkező homogén rendszert homogénnek nevezzük [ 59] [1] . A homogén rendszerek példái az oldatok (gázos, folyékony és szilárd halmazállapotúak). A gravitációs tér gradiense mentén nagy kiterjedésű gázfázis (például a Föld légköre felhő- és szélcsendes napon) az inhomogén homogén fázis példája (lásd a barometrikus képletet ).

Egy termodinamikai rendszert heterogénnek nevezünk, ha több, eltérő tulajdonságú homogén részből áll. Egy heterogén rendszer homogén részeit elválasztó felületeken egy anyag legalább egy termodinamikai tulajdonsága hirtelen megváltozik [60] [1] . A felület gyakran (de nem mindig) látható.

A heterogén rendszer homogén részét fázisnak nevezzük [60] . Kevésbé szigorúan, de egyértelműbben a fázisokat „a rendszer homogén részeinek nevezzük, amelyeket látható interfészek választanak el a többi résztől” [12] . Ilyen például a jég-víz-nedves levegő rendszer. Egy homogén rendszer csak egy fázist tartalmaz; egy heterogén rendszer két vagy több fázisból áll [61] . Egy heterogén rendszerben a fázisok száma megfelel a Gibbs-féle fázisszabálynak . Ugyanannak az anyagnak szilárd halmazállapotban több fázisa lehet (rombikus és monoklin kén , szürke és fehér ón stb.) [60] .

Az ábra a termodinamikai rendszerek osztályozásának egyik lehetőségét mutatja.

Lásd még

Megjegyzések

  1. A munkaközeg a motorokkal kapcsolatban olyan anyagot ( gáz , folyékony , szilárd ) jelent, amelynek segítségével a szerves tüzelőanyag elégetésekor és a nukleáris üzemanyagból a nukleáris reakciók során felszabaduló energiát hasznos mechanikai munkává alakítják [8 ] .

Jegyzetek

  1. 1 2 3 4 5 6 7 Termodinamika. Alapfogalmak. Terminológia. A mennyiségek betűjeles megjelölései, 1984 , p. 6.
  2. Fizikai enciklopédia, 5. kötet, 1998 , p. 84.
  3. Zalewski, K., Fenomenológiai és statisztikai termodinamika, 1973 , p. 9.
  4. Kvasnikov I. A., Termodinamika, 2002 , p. 17.
  5. 1 2 3 Kubo R., Termodinamika, 1970 , p. tizenegy.
  6. Bazarov I.P., Termodinamika, 2010 , p. 206.
  7. Khachkuruzov G. A., Az általános és kémiai termodinamika alapjai, 1979 , p. nyolc.
  8. Kupikov M. Yu. , Sugárhajtómű, 2015 .
  9. Borshchevsky A. Ya., Fizikai kémia, 1. kötet, 2017 , p. 40.
  10. Skakov S. V. , Műszaki termodinamika, 2014 , p. 6.
  11. Fizika. Nagy enciklopédikus szótár, 1998 , p. 521.
  12. 1 2 Gerasimov Ya. I. és társai, Fizikai kémia kurzusa, 1. kötet, 1970 , p. 27.
  13. 1 2 Prigozhin I., Kondepudi D., Modern termodinamika, 2002 , p. tizennyolc.
  14. GOST R 57700.4-2017 Fizikai folyamatok numerikus modellezése. Fogalmak és definíciók a kontinuummechanika területein: hidromechanika, gázdinamika, p. 4. . Letöltve: 2018. július 18. Az eredetiből archiválva : 2018. július 18.
  15. Bazarov I.P., Termodinamika, 2010 , p. 40.
  16. Kozlov V.V., Gibbs Ensembles and Nonequilibrium Statistical Mechanics, 2008 , p. 171.
  17. Putilov K. A., Termodinamika, 1971 , p. 101.
  18. Fizika. Nagy enciklopédikus szótár, 1998 , p. 522.
  19. Belonuchkin V. E. Termodinamika rövid kurzusa, 2010 , p. 160.
  20. Frank-Kamenetsky D. A., Lectures on Plasma Physics, 1968 , p. 53.
  21. Centrifugálási hőmérséklet - cikk a Physical Encyclopedia -ból
  22. Centrifugálási hőmérséklet - cikk a Great Soviet Encyclopedia- ból
  23. Landau L. D., Lifshits E. M., Statisztikai fizika. 1. rész, 2002 , p. 262.
  24. Powles, D. Negative Absolute Temperatures, 1964 .
  25. Dobroborsky B.S. A gépek biztonsága és az emberi tényező / Szerk. d.t.s., prof. S.A. Volkov. - Szentpétervár. : SPbGASU, 2011. - S. 33 - 35. - 114 p. — ISBN 978-5-9227-0276-8 . Archiválva : 2022. január 20. a Wayback Machine -nél
  26. Novikov I. I., Termodinamika, 1984 , p. nyolc.
  27. Haywood R., Az egyensúlyi folyamatok termodinamikája, 1983 , p. 56.
  28. G. D. Baer, ​​Technical thermodynamics, 1977 , p. 73-74.
  29. 1 2 Zalewski K., Fenomenológiai és statisztikai termodinamika, 1973 , p. tíz.
  30. Atkins P., de Paula J., Fizikai kémia, 1. rész, 2007 , p. 51.
  31. Khachkuruzov G. A., Az általános és kémiai termodinamika alapjai, 1979 , p. húsz.
  32. 1 2 Vukalovich M. P., Novikov I. I., Termodinamika, 1972 , p. húsz.
  33. 1 2 GOST IEC 60050-113-2015 Nemzetközi Elektrotechnikai Szótár. 113. rész. Fizika az elektrotechnikában (IEC 60050-113:2011, IDT), p. 17. . Letöltve: 2018. július 18. Az eredetiből archiválva : 2018. július 16.
  34. Termodinamika. Alapfogalmak. Terminológia. A mennyiségek betűjeles megjelölései, 1984 .
  35. Storonkin A. V., Heterogén rendszerek termodinamikája, 1-2. rész, 1967 , p. 120-121.
  36. Belokon N.I., A termodinamika alapelvei, 1968 , p. 12.
  37. Gukhman A. A., A termodinamika alapjairól, 2010 , p. 66.
  38. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , p. 141.
  39. Sychev V.V., Komplex termodinamikai rendszerek, 2009 , p. 257.
  40. Sychev V.V., Komplex termodinamikai rendszerek, 2009 .
  41. Komponensek (a termodinamikában és kémiában) // Great Soviet Encyclopedia, 1973. (elérhetetlen link) . Letöltve: 2015. április 25. Az eredetiből archiválva : 2021. március 5.. 
  42. Gorshkov V.S. et al., Fizikai kémia szilikátok, 1988 , p. 193.
  43. Gameeva O. S., Fizikai és kolloidkémia, 1969 , p. 162.
  44. Fizikai enciklopédia, 4. kötet, 1994 , p. 196.
  45. Sivukhin D.V., A fizika általános kurzusa, 2. kötet, 2005 , p. 42.
  46. R. Haase, Az irreverzibilis folyamatok termodinamikája, 1967 , p. 19.
  47. Münster A., ​​Klasszikus termodinamika, 1970 , p. húsz.
  48. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , p. 32.
  49. Belov G.V., Termodinamika, 1. rész, 2017 , p. 23.
  50. R. Haase, Az irreverzibilis folyamatok termodinamikája, 1967 , p. 25.
  51. Fizikai enciklopédia, 3. kötet, 1992 , p. 555 .
  52. Tamm M. E., Tretyakov Yu. D., A szervetlen kémia fizikai és kémiai alapjai, 2004 , p. tizenegy.
  53. I. Prigozhin, D. Kondepudi, Modern termodinamika, 2002 , p. 52.
  54. Kubo R., Termodinamika, 1970 , p. 16.
  55. Magaev O. V. et al., A kémiai termodinamika alapjai, 2017 , p. nyolc.
  56. Kvasnikov I. A., Termodinamika, 2002 , p. 22.
  57. Petrov N., Brankov J., A termodinamika modern problémái, 1986 , p. 66.
  58. K. P. Gurov, Az irreverzibilis folyamatok fenomenológiai termodinamikája, 1978 , p. 9.
  59. 1 2 Bazarov I.P., Termodinamika, 2010 , p. 21.
  60. 1 2 3 Bazarov I.P., Termodinamika, 2010 , p. 22.
  61. A. Munster, Chemical Thermodynamics, 1971 , p. tizenöt.

Irodalom

Műszaki Egyetem|LGTU]], 2014. — 113 p. - ISBN 978-5-88247-698-3 .