Параметры состояния в термодинамике это: Термодинамические параметры состояния системы

Термодинамические параметры — что это? Параметры состояния термодинамической системы

Долгое время среди физиков и представителей других наук был способ описания того, что они наблюдают в процессе своих экспериментов. Отсутствие единого мнения и наличие большого количества терминов, взятых «с потолка», приводило к путанице и недопониманиям среди коллег. Со временем каждый раздел физики приобрел свои устоявшиеся определения и единицы измерения. Так появились термодинамические параметры, объясняющие большинство макроскопических изменений в системе.

Определение

Параметры состояния, или термодинамические параметры, – это ряд физических величин, которые все вместе и каждая в отдельности могут дать характеристику наблюдаемой системе. К ним относятся такие понятия, как:

• температура и давление;
• концентрация, магнитная индукция;
• энтропия;
• энтальпия;
• энергии Гиббса и Гельмгольца и многие другие.

Выделяют интенсивные и экстенсивные параметры. Экстенсивными называются те, которые находятся в прямой зависимости от массы термодинамической системы, а интенсивными – которые определяются другими критериями. Не все параметры одинаково независимы, поэтому для того, чтобы вычислить равновесное состояние системы, необходимо определять сразу несколько параметров.

Кроме того, среди физиков существуют некоторые терминологические разногласия. Одна и та же физическая характеристика у разных авторов может называться то процессом, то координатой, то величиной, то параметром, а то и просто свойством. Все зависит от того, в каком контенте ученый ее использует. Но в некоторых случаях существуют стандартизированные рекомендации, которых должны придерживаться составители документов, учебников или приказов.

Классификация

Существует несколько классификаций термодинамических параметров. Так, исходя из первого пункта, уже известно, что все величины можно разделить на:

• экстенсивные (аддитивные) – такие вещества подчиняются закону сложения, то есть их значение зависит от количества ингредиентов;
• интенсивные – они не зависят от того, сколько вещества было взято для реакции, так как при взаимодействии выравниваются.

Исходя из того, в каких условиях находятся вещества, составляющие систему, величины можно разделить на те, которые описывают фазовые реакции и химические реакции. Кроме того, нужно учитывать свойства веществ, вступающих в реакцию. Они могут быть:

• термомеханические;
• теплофизические;
• термохимические.

Помимо этого, любая термодинамическая система выполняет определенную функцию, поэтому параметры могут характеризовать работу или теплоту, получаемую в результате реакции, а также позволяют рассчитать энергию, необходимую для переноса массы частиц.

Переменные состояния

Состояние любой системы, в том числе термодинамической, можно определить по сочетанию ее свойств или характеристик. Все переменные, которые полностью определяются только в конкретный момент времени и не зависят от того, как именно система пришла в это состояние, называются термодинамическими параметрами (переменными) состояния или функциями состояния.

Система считается стационарной, если переменные функции с течением времени не изменяются. Один из вариантов стационарного состояния — это термодинамическое равновесие. Любое, даже самое малое изменение в системе, — уже процесс, а в нем может быть от одного до нескольких переменных термодинамических параметров состояния. Последовательность, в которой состояния системы непрерывно переходят друг в друга, называют «путь процесса».

К сожалению, путаница с терминами все еще имеет место, так как одна и та же переменная может быть как независимой, так и результатом сложения нескольких функций системы. Поэтому такие термины, как «функция состояния», «параметр состояния», «переменная состояния» могут рассматриваться в виде синонимов.

Температура

Один из независимых параметров состояния термодинамической системы – это температура. Она представляет собой величину, которая характеризует количество кинетической энергии, приходящееся на единицу частиц в термодинамической системе, находящейся в состоянии равновесия.

Если подходить к определению понятия с точки зрения термодинамики, то температура является величиной обратно пропорциональной изменению энтропии после добавления в систему теплоты (энергии). Когда система равновесна, то значение температуры одинаково для всех ее «участников». В случае если имеется разница температур, то энергия отдается более нагретым телом и поглощается более холодным.

Существуют термодинамические системы, в которых при добавлении энергии беспорядочность (энтропия) не возрастает, а наоборот – уменьшается. Кроме того, если подобная система будет взаимодействовать с телом, температура которого больше, чем ее собственная, то она отдаст свою кинетическую энергию этом телу, а не наоборот (исходя из законов термодинамики).

Давление

Давлением называется величина, характеризующая силу, воздействующую на тело, перпендикулярно его поверхности. Для того чтобы вычислить этот параметр, необходимо все количество силы разделить на площадь объекта. Единицами измерения этой силы будут паскали.

В случае с термодинамическими параметрами газ занимает весь доступный ему объем, и, кроме того, молекулы, его составляющие, непрерывно хаотично двигаются и сталкиваются друг с другом и с сосудом, в котором находятся. Именно эти удары и обуславливают давление вещества на стенки сосуда либо на тело, которое помещено в газ. Сила распространяется во всех направлениях одинаково именно из-за непредсказуемого движения молекул. Чтобы увеличить давление, необходимо повысить температуру системы, и наоборот.

Внутренняя энергия

К основным термодинамическим параметрам, зависящим от массы системы, относят и внутреннюю энергию. Она складывается из кинетической энергии, обусловленной движением молекул вещества, а также из потенциальной энергии, появляющейся, когда молекулы взаимодействуют между собой.

Этот параметр является однозначным. То есть значение внутренней энергии постоянно всякий раз, как система оказывается в нужном состоянии, независимо от того, каким путем оно (состояние) было достигнуто.

Невозможно изменить внутреннюю энергию. Она складывается из теплоты, выделяемой системой и работы, которая ею производится. Для некоторых процессов учитываются и другие параметры, такие как температура, энтропия, давление, потенциал и количество молекул.

Энтропия

Второе начало термодинамики гласит, что энтропия изолированной системы не уменьшается. Другая формулировка постулирует, что энергия никогда не переходит от тела с более низкой температурой к более нагретому. Это, в свою очередь, отрицает возможность создания вечного двигателя, так как нельзя всю энергию, имеющуюся у тела, перевести в работу.

Само понятие «энтропия» было введено в обиход еще в середине 19 века. Тогда оно воспринималось как изменение количества тепла к температуре системы. Но такое определение подходит только к процессам, которые постоянно находятся в состоянии равновесия. Из этого можно вывести следующее заключение: если температура тел, составляющих систему, стремится к нулю, то и энтропия будет равна нулю.

Энтропия как термодинамический параметр состояния газа используется в качестве указания на меру беспорядочности, хаотичности движения частиц. Ее используют, чтобы определить распределение молекул в определенной области и сосуде, либо чтобы посчитать электромагнитную силу взаимодействия между ионами вещества.

Энтальпия

Энтальпия представляет собой энергию, которая может быть преобразована в теплоту (или работу) при постоянном давлении. Это потенциал системы, которая находится в состоянии равновесия, в случае если исследователю известен уровень энтропии, число молекул и давление.

В случае, если указывается термодинамический параметр идеального газа, вместо энтальпии используют формулировку «энергия расширенной системы». Для того чтобы легче было объяснить себе эту величину, можно представить сосуд, наполненный газом, который равномерно сжимается при помощи поршня (например, двигатель внутреннего сгорания). В этом случае энтальпия будет равна не только внутренней энергии вещества, но и работе, которую необходимо произвести, чтобы привести систему в необходимое состояние. Изменение данного параметра зависит только от начального и конечного состояния системы, а путь, которым оно будет получено, роли не играет.

Энергия Гиббса

Термодинамические параметры и процессы, в большинстве своем, связаны с энергетическим потенциалом веществ, составляющих систему. Так, энергия Гиббса является эквивалентом полной химической энергии системы. Она показывает, какие изменения будут происходить в процессе химических реакций и будут ли вещества взаимодействовать вообще.

Изменение количества энергии и температуры системы в процессе протекания реакции затрагивает такие понятия, как энтальпия и энтропия. Разница между этими двумя параметрами как раз и будет называться энергией Гиббса или изобарно-изотермическим потенциалом.

Минимальное значение данной энергии наблюдается в том случае, если система находится в равновесии, а ее давление, температура и количества вещества остаются неизменными.

Энергия Гельмгольца

Энергия Гельмгольца (по другим источникам – просто свободная энергия) представляет собой потенциальное количество энергии, которое будет потеряно системой при взаимодействии с телами, не входящими в нее.

Понятие свободной энергии Гельмгольца часто используется для того, чтобы определить, какую максимальную работу способна выполнить система, то есть сколько высвободится теплоты при переходе веществ из одного состояния в другое.

Если система находится в состоянии термодинамического равновесия (то есть она не совершает никакой работы), то уровень свободной энергии находится на минимуме. А значит, изменение других параметров, таких как температура, давление, количество частиц, также не происходит.

17.Основные термодинамические параметры состояния газа. Теплотехника

17.Основные термодинамические параметры состояния газа

Давление

Р – мера силы, которая действует на единицу поверхности:

Р = lim ?Fn / ?S = dFn/ dS,

где DS ? 0; ?Fn – сила, направленная перпендикулярно участку поверхности.

Удельный объем

V – величина, обратная плотности rвещества:

v = 1 / r= dV/ dm,

где dV– бесконечно малый элемент объема;

dm– масса вещества.

Моль

Количество вещества, которое содержит число молекул, равное числу атомов, содержащихся в 12 г изотопа углерода ¹²С, называется молем.

Число Авогадро

N_A= 6,02 ч 10²³ моль^-1. Величина, необходимая при расчетах. Показывает, сколько молекул содержится в одном моле любого вещества.

Молярная масса

М – масса одного моля:

М = N_Am ? 1а. е. м,

где N_A– число Авогадро;

m– молекулярная масса.

Молярная масса [M] = кг/моль и молярный объем [V_M] = м³/моль.

Объем одного моля – молярный объем:

V_M = M / r

где M– молярная масса;

r– плотность вещества.

Формулы для определения числа молей вещества и числа молекул вещества имеют следующий вид:

u= m /M= V/ V_M,

N = uN_A= (m / M)NA = (V/ V_M)N_A.

Температура

За меру температуры принято брать среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул. Если два тела при соприкосновении не обмениваются энергией путем теплообмена, можно говорить, что эти тела имеют одинаковую температуру и в системе существует тепловое равновесие.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРОПОСФЕРЫ

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРОПОСФЕРЫ

4.1. Расчетные параметры средств учета электроэнергии

4.1. Расчетные параметры средств учета электроэнергии
Учет электрической энергии является неотъемлемой составляющей процесса ее производства, передачи, распределения и потребления, особенно на последней стадии этого процесса – стадии продажи–покупки. Основной целью

Параметры дирижабля

Параметры дирижабля
Для эффективного использования в наземных системах телеслежения дирижабли должны удовлетворять нескольким критериям. Дирижабль должен быть абсолютно безопасен для окружающих людей. Дирижабли должны быть способны перемещаться по тем же

12. Термодинамические принципы анализа и конструирования печей

12. Термодинамические принципы анализа и конструирования печей
Анализ работы печей с точки зрения термодинамики дает возможность установить некоторые общие положения, характеризующие итоговые результаты работы печей.Применение первого и второго законов термодинамики

25. Уравнение состояния идеального газа

25. Уравнение состояния идеального газа
Уравнение состояния идеального газа описывает связь между его температурой и давлением. Поскольку давление идеального газа в замкнутой системе P = 1/3 О mn<v2>, P= nkT, то уравнение идеального газа будет выглядеть следующим образом:P =

26.

Универсальное уравнение состояния идеального газа

26. Универсальное уравнение состояния идеального газа
Отношение массы mгаза (вещества) к количеству газа (вещества) vэтой системы называют молярной массой газа (вещества):М = m/ v.Размерность молярной массы следующая: [M] = 1 кг / 1 моль.Следствие из закона Авогадро позволяет

2.2.4. Счетчик газа СГ-СГК-1,6

2.2.4. Счетчик газа СГ-СГК-1,6
Максимальный расход газа для данного счетчика 1,6 м3/ч.Межповерочный интервал: 8 летТаблица 2.5Основные технические характеристики бытовых газовых счетчиков СГК. 
Типоразмер: G1,6.Счетчик газа СГ-СГК-1,6 является компактным

Приложение 12. Способы и параметры укладки грузов

Приложение 12. Способы и параметры укладки грузов
Способы и параметры укладки грузов
Примечание: * – материал в связке,

Параметры конструкции цифрового автопилота

Параметры конструкции цифрового автопилота
Для обоих конфигураций летательного аппарата, корабля Apollo и основного блока в ЦАП используется компенсирующий фильтр шестого порядка, состоящий из трех каскадных секций второго порядка. В ЦАП корабля Apollo используются все 3

Земные параметры попадания

Земные параметры попадания
Радиус наибольшего сближения с Землей RЕ также выражается через параметры попадания, чтобы гарантировать монотонность и достаточную линейность функций относительно переменных отправления от Земли. На рис. 31.8 показаны траектория возвращения

Что такое термодинамическое состояние? Определение и концепция

Термодинамическое состояние представляет собой набор переменных термодинамической системы, которые должны быть заданы для воспроизведения системы. Отдельные параметры известны как переменные состояния, параметры состояния или термодинамические переменные.

Когда задан достаточный набор термодинамических переменных, определяются значения всех остальных свойств системы. Количество значений, необходимых для установления состояния, зависит от системы и не всегда известно.

Как обогреть теплицу с помощью…

Включите JavaScript

Как обогреть теплицу с помощью солнечных панелей

Функции состояния описывают текущее состояние термодинамической системы. Функции состояния зависят только от состояния системы, независимо от пути перехода от начального состояния к конечному. Это означает, что инкрементальные изменения этих переменных являются точными дифференциалами.

Некоторые примеры функций состояния:

• Энтальпия.

• Энтропия.

• Внутренняя энергия.

• Давление.

• Температура.

• Том.

Эти значения могут быть как интенсивными, так и экстенсивными величинами и не зависят от пути достижения текущего состояния.

Функции состояния системы обычно имеют определенную зависимость друг от друга. Зависимость между термодинамическими функциями универсальна.

Несколько термодинамических диаграмм служат для моделирования переходов между термодинамическими состояниями.

Каждая система или тип вещества характеризуется уравнением состояния или определяющим уравнением, которое связывает некоторые переменные состояния друг с другом. Это связано с тем, что системы в равновесии имеют конечное число степеней свободы в соответствии с правилом фаз Гиббса.

Уравнение состояния идеального газа

Наиболее простым уравнением состояния является то, которое описывает поведение газа в замкнутой системе при низком давлении и высокой температуре. В этих условиях плотность газа очень мала, и мы можем сделать следующие приближения:

Уравнение состояния, описывающее газ в этих условиях, называется уравнением состояния идеального газа.

Уравнение состояния идеального газа является результатом объединения двух эмпирических законов, справедливых для очень разбавленных газов: закона Бойля и закона Шарля.

Для одного моля газа константа, которая появляется во второй части приведенного выше уравнения, представляет собой универсальную постоянную идеального газа R, поэтому уравнение состояния идеального газа имеет вид:

P·V = n·R·T

Где,

Что такое функция пути?

Функция пути — это физическая величина, описывающая переход системы между двумя состояниями равновесия.

Например, теплота и работа являются технологическими величинами, поскольку они количественно описывают переход между равновесными состояниями термодинамических систем.

В обратимом процессе она является функцией не только начального и конечного состояний, но и последовательных промежуточных состояний, через которые проходит система (если бы процесс не был обратимым, то необходимо было бы подробно указать, как он осуществляется). В этом случае id зависит от пути.

Системы, встречающиеся в природе, часто бывают динамичными и сложными.

Во многих случаях их состояние можно охарактеризовать как близкое к идеальному.

Одним из таких идеальных условий является состояние равновесия. Законы термодинамики постулируют, что все изолированные системы будут стремиться измениться, чтобы приблизиться к состоянию равновесия.

Равновесное состояние — примитивный объект классической или равновесной термодинамики, в которой оно называется термодинамическим состоянием.

Существует несколько различных типов состояний равновесия, соответствующих различным физическим переменным. Система достигает термодинамического равновесия, когда одновременно выполняются условия всех соответствующих типов равновесия.

Ниже перечислены несколько различных видов баланса.

• Тепловое равновесие: когда система находится в тепловом равновесии, температура во всей системе одинакова, и система находится в тепловом равновесии.

• Механическое равновесие: если в каждой точке данной системы нет изменения давления и движения материала.

• Фазовое равновесие: Это происходит, когда масса каждой отдельной фазы достигает значения, которое не меняется со временем.

• Химическое равновесие: В химическом равновесии химический состав системы стабилизировался и не меняется со временем.

Что такое термодинамический процесс?

Термодинамический процесс – это эволюция конкретных термодинамических свойств относительно конкретной термодинамической системы. С точки зрения термодинамики эти превращения должны происходить от начального равновесного состояния к конечному. Следовательно, величины, которые претерпевают изменение при переходе из одного состояния в другое, должны быть точно определены в упомянутых начальном и конечном состояниях.

Таким образом, термодинамические процессы можно интерпретировать как результат взаимодействия одной системы с другой после того, как между ними была удалена какая-либо связь, так что в конечном итоге системы находятся в равновесии (механическом, тепловом и/или материальном) с друг друга.

Менее абстрактно термодинамический процесс можно рассматривать как изменение системы от одних начальных условий к другим конечным состояниям вследствие ее дестабилизации.

Термодинамические переменные состояния и уравнение состояния

Раздел термодинамики занимается процессом теплообмена газом или температурой системы газа. Эта ветвь также имеет дело с потоком тепла от одной части системы к другой части системы. Для систем, присутствующих в реальном мире, существуют некоторые параметры, которые могут определять их состояние. Они называются термодинамическими переменными. Эти переменные и связанные с ними уравнения необходимы нам для изучения и предсказания поведения таких систем.

Термодинамические переменные состояния и уравнение состояния

Говорят, что система находится в состоянии термодинамического равновесия, если макроскопические переменные, изменяющие состояние системы, не меняются с течением времени. Эти макроскопические переменные включают давление, температуру, массу и состав, который не меняется со временем. Например, газ хранится внутри контейнера, полностью изолированного от окружающей среды, с фиксированными значениями давления, объема, температуры, массы и состава, не меняющимися во времени, находится в состоянии равновесия.

Каждое состояние равновесия термодинамической системы может быть описано определенными значениями макроскопических переменных. Эти переменные также называются переменными состояния.

Равновесие газа можно описать его давлением, температурой, объемом и массой. Необязательно, чтобы термодинамическая система всегда находилась в равновесии. Например, если газу в равновесии позволить расшириться, он не останется в термодинамическом равновесии. На рисунке ниже показано расширение газов, когда они расширяются:

Короче говоря, термодинамические переменные описывают состояние системы в состоянии равновесия. Эти различные переменные состояния не обязательно являются независимыми.

Эти переменные можно разделить на два типа: 

1. Расширенные переменные
2. Интенсивные переменные

Расширенные переменные: Эти переменные являются переменными состояния, которые указывают размер системы. Например, Volume можно рассматривать как экстенсивную переменную, поскольку она дает нам представление о размере системы.

Интенсивные переменные: Эти переменные являются переменными состояния, которые не дают нам никакой информации о размере системы, но указывают другую информацию о системе. Примерами таких переменных являются давление, температура и т. д.

Уравнение состояния

Уравнение состояния описывает взаимосвязь между переменными состояния термодинамической системы. Уравнение состояния полностью определено в терминах давления, температуры и объема. Например, в случае идеальных газов. Уравнение состояния становится

PV = RT

или

PV = постоянная

В случае изотермического процесса,

P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂ = P ₂ V ₂ = P ₂ V _{2 2} V _{2 2} V ₂ v ₂ v = P _{. относятся к идеальным газам.}

Примеры задач

Вопрос 1. В изотермическом термодинамическом процессе начальное давление и объем равны 10 ⁶ Н/м ² и 3 м ³ соответственно. Теперь давление в контейнере удваивается. Найдите объем.

Ответ:

В случае изотермического процесса,

P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂

₂ V ₂

_{. 6 , P 2 = 2 × 10 ⁶ и V 1 = 3}

Подключение значений в уравнении,

P ₁ V ₁ = P ₂ V ₁ = P ₂ V ₁ = P ₂ V ₁ = P ₁ V ₁ = P _.

⇒ 10 ⁶ × 3 = 2 × 10 ⁶ × v ₂

⇒ 3 = 2 × V ₂

⇒ 1,5 м ³ = V ₂

ВОПРОС 2: В ANOTHERMAL THEMPLANMAL. 10 ⁶ Н/м ² и 6м ³ соответственно. Теперь давление в контейнере уменьшилось вдвое. Найдите объем.

Ответ: 

В случае изотермического процесса 

P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂

Дано:

P ₁ = 5 × 10 ⁶ , стр. Подключение значений в уравнении,

P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂

⇒ 5 × 10 ⁶ × 3 = 2,5 × 10 ^{6 .}

⇒ 15 = 2,5 × V ₂

⇒ 6 м ³ = V ₂

Вопрос 3: В термодинамическом процессе объем остается постоянным. Начальное давление и температура равны 5 × 10 ⁶ Н/м ² и 100К соответственно. Теперь давление в контейнере уменьшилось вдвое. Найдите новую температуру.

Ответ:

В случае изотермического процесса,

P ₁ T ₂ = P ₂ T ₁

₂ T ₁

DATED: DATED DASE: _{: .0161 = 5 × 10 ⁶ , стр. 2 = 2,5 × 10 ⁶ и T 1 = 100 K}

Подключение значений в уравнении,

P ₁ T ₂

P ₁ T ₂ = P ₁ T ₂

P ₁ T ₂

P ₁ T ₂

P ₁ T. 2 T ₁

⇒ 5 × 10 ⁶ × T ₂ = 2.5 × 10 ⁶ × 100

 ⇒ T ₂ = 0.5 × 100

⇒ 50 K = T ₂

Вопрос 4: В термодинамическом процессе объем остается постоянным. Начальное давление и температура 10 ⁶ Н/м ² и 250K соответственно. Теперь давление в контейнере увеличено в четыре раза. Найдите новую температуру.

Ответ:

В случае изотермического процесса,

P ₁ T ₂ = P ₂ T ₁

₂ T ₁

₂ T ₁

10 2 T ₁

_{. 6 , P 2 = 4 × 10 ⁶ и T 1 = 250 K}

Подставляя значения в уравнение,

P ₁ T ₂ = P ₂ T ₁

⇒ 1 × 10 ⁶ × T ₂ = 4 × 10 ⁶ × 100

 ⇒ T ₂ = 4 × 100

⇒ 400K = T ₂

Вопрос 5: В термодинамическом процессе давление остается постоянным.