§ 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ СИСТЕМ

Объектом изучения термодинамики, как и механики, являются физические тела, которые в этом разделе науки называют системами. Состояние термодинамической системы, которое называют тепловым, характеризуют равновесным давлением которое обусловлено воздействием окружающих тел, массой системы ее объемом V и температурой Величины называют параметрами системы. Таким образом, температура есть один из параметров, определяющих тепловое состояние тела.

На практике пользуются Международной практической температурной шкалой (МПТШ-68), в которой температура выражается в градусах Цельсия (°С) или Кельвинах и обозначается символом t. По этой шкале температура таяния льда (отвердевания воды) при атмосферном давлении равна 0°С, а температура кипения воды при атмосферном давлении равна 100° С.

Давление в Международной системе единиц (СИ) измеряется в ньютонах на квадратный метр (эту единицу называют паскаль, в системе СГС - в динах на квадратный сантиметр . Часто пользуются и внесистемными единицами

давления — нормальной атмосферой .

В системе СИ масса измеряется в килограммах. В этой системе для измерения количества вещества в качестве основной единицы используется моль. Моль — количество вещества, содержащее столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в изотопа углерода с массовым числом При этом структурными элементами могут быть атомы, молекулы, ионы и другие частицы или группы частиц. Кроме моля, допускается применение дольных единиц: киломоля , миллимоля , микромоля . По современным данным, в моле вещества число частиц (число Авогадро) равно: Приближенно .

Если масса одной частицы, выраженная в килограммах, то масса моля таких частиц равна:

Соответственно при массе вещества оно будет содержать число молей

В физике используется также понятие относительной (безразмерной) массы молекул как отношение массы частицы данного вещества к массы та атома углерода

Учитывая, что по определению и (2.3) следует:

Соответственно, например, для значения с округлениями будут 32; 28 и 44. Для этих же веществ мольные массы будут

Система, все части которой обладают одинаковыми свойствами, называется однородной.

Однородные части термодинамической системы часто называют фазой, при этом в соответствии с различными видами агрегатного состояния вещества различают газообразные, жидкие и твердые (кристаллические) фазы.

Для схематического описания воздействия на систему окружающих тел ее можно представить заключенной в вертикально

Рис. 1.1.

расположенный цилиндр (рис. 1.1) с гладким» стенками и подвижным невесомым поршнем, нагруженным дробинками, общий вес которых Давление, оказываемое внешними телами (дробинками) на исследуемую систему, равно: площадь сечения цилиндра). При равновесии такое же давление оказывает система на внешние тела. Изменение внешнего механического воздействия в приведенном примере может быть осуществлено изменением давления (снятием или добавлением дробинок), при этом будет происходить изменение объема системы, пока не установится новое состояние механического равновесия.

Если стенки сосуда, в котором находится система, теплопроводящие, то, изменяя температуру окружающей среды, делая ее выше или ниже температуры внутри цилиндра, можно вызвать теплообмен между системой и окружающей средой и тем самым осуществить изменение ее параметров (при неизменных объеме и массе возникнут изменения давления и температуры).

Отвлекаясь от воздействия электрических, магнитных и других полей, можно утверждать, что состояние физической системы лабораторных масштабов изменяется при механических и тепловых воздействиях окружающих тел.

Если термодинамическая система не может обмениваться теплотой с другими телами, то ее называют теплоизолированной или адиабатически изолированной.

Оболочки, через которые тепловые взаимодействия невозможны, называют адиабатическими.

Если изменения в термодинамической системе не связаны с ее механическим взаимодействием с окружающими телами, то такую систему называют механически изолированной.

Жесткие оболочки позволяют реализовать механическую изоляцию системы. В приведенном выше примере для механической изоляции следует сделать поршень цилиндра неподвижным.

Если состояние термодинамической системы не меняется с течением времени при одинаковой температуре во всех ее частях, то говорят, что система находится в равновесном состоянии или в термодинамическом равновесии. В условиях равновесного состояния в системе отсутствуют какие-либо процессы переноса массы и энергии.

От равновесных состояний следует отличать стационарные состояния, при которых некоторые параметры являются неизменными во времени функциями координат. Так, например, если вертикальный цилиндр, заполненный газом, верхним и нижним основаниями

Рис. 1.2.

контактирует с термостатами, имеющими температуры (рис. 1.2), то внутри среды с течением времени установится перепад температуры с высотой градиент температуры при этом В рассматриваемом случае система не находится в равновесном состоянии, и для ее описания следует вводить так называемое точечное описание — выделять небольшие объемы, но еще с достаточно большим числом частиц, чтобы им можно было приписать определенные макроскопические параметры, такие, как температура и давление. Система, изображенная на рисунке 1.2, находится в механическом равновесии (в ней нет перемещений масс), но не находится в тепловом равновесии — при наличии градиента температуры через каждое сечение цилиндра проходит тепловой поток

Система, не обменивающаяся энергией с внешними телами, называется изолированной. При этом изоляция должна быть как механической, так и тепловой.

Из повседневных наблюдений следует, что если взять любую систему, с которой можно производить опыты, и изолировать ее от посторонних воздействий, то в ней с течением времени установится термодинамическое равновесие. На основании такого рода обобщений в учение о тепловых процессах введена первая аксиома, называемая нулевым началом термодинамики: изолированная система с течением времени приходит в равновесное состояние, при котором в ней всюду будет одна и та же температура и из которого система не может самопроизвольно выйти.

Понятие термодинамического равновесия нельзя применять к микроскопическим системам с небольшим числом молекул. В таких объектах тепловое движение молекул приводит к флуктуациям — частым отклонениям от некоторых их средних распределений.

Понятие термодинамического равновесия неприменимо и к чрезвычайно большим системам, например системам астрономическим. Под действием гравитационных сил такие системы могут как приходить в равновесие, так и выходить из него. Перенесение представлений об установлении термодинамического равновесия на объекты космических масштабов научно не обосновано и противоречит диалектическому материализму. Ф. Энгельс, анализируя особенности материального мира, приводящие к его вечной изменчивости, заключает: «... абсолютного покоя, безусловного равновесия

не существует. Отдельное движение стремится к равновесию, совокупное движение снова устраняет равновесие»

В термодинамике очень часто пользуются понятием термостата — тела с большой теплоемкостью, температура которого практически не меняется от его теплового контакта с другими телами, имеющими конечную теплоемкость. Если система приводится в тепловой контакт с термостатом, образуя с ним единую изолированную систему, то согласно нулевому принципу термодинамики температура системы со временем становится равной температуре термостата.

Из нулевого закона термодинамики следует, что если две системы находятся в тепловом равновесии с третьей системой С, то системы имеют одинаковую температуру. На этом основано измерение температур. В приведенном примере третья система С может служить термометрическим телом термометра, который градуируется с помощью одной из двух названных систем, например системы А. Проградуированный термометр может быть использован для измерения температуры системы В и других тел. (Об этом подробнее изложено в § 5, 6.)