Термодинамическая система

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Термодинамика
Thermodynamics navigation image.svg
Статья является частью одноименной серии.
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править
См. также «Физический портал»

Термодинамическая система — выделяемая (реально или мысленно) для изучения макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц и не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц[1], «часть Вселенной, которую мы выделяем для исследования»[2]. Единицей измерения числа частиц в термодинамической системе обычно служит число Авогадро[3] (примерно 6·1023 частиц на моль вещества), дающее представление, о величинах какого порядка идёт речь. Ограничения на природу материальных частиц, образующих термодинамическую систему, не накладываются: это могут быть атомы, молекулы, электроны, ионы, фотоны и т. д.[4][5]. Любой объект, видимый невооружённым глазом или с помощью оптических приборов (микроскопы, телескопы и т. п.), можно отнести к термодинамическим системам: «Термодинамика занимается изучением макроскопических систем, пространственные размеры которых и время существования достаточны для проведения нормальных процессов измерения»[4].

Любую часть термодинамической системы называют подсистемой.

Для описания термодинамической системы используются макроскопические параметры, характеризующие не свойства составляющих её частиц, а свойства самой системы: температуру, давление, объём, магнитную индукцию, электрическую поляризацию, массу и химический состав компонентов и др.[6][7].

Каждая термодинамическая система имеет границы, реальные или условные, отделяющие её от окружающей среды[8]. Иногда вместо окружающей среды говорят о термостате[4], т. е. среде с настолько большой теплоёмкостью, что её температура при теплообмене с изучаемой системой не меняется[9][10][11].

Важно, что в состав термодинамической системы включают все частицы, имеющиеся в выделяемой для изучения области пространства. Дело в том, что в термодинамике иногда один и тот же объём рассматривают как занимаемый одновременно двумя и боле квазинезависимыми (слабо взаимодействующими друг с другом) парциальными подсистемами частиц разной природы (например, газовую смесь характеризуют парциальными давлениями составляющих её газов[12]; в кристалле выделяют подсистемы фононов и магнонов; в системе ядерных спинов парамагнетика каждая пара магнитных энергетических уровней имеет собственную парциальную спиновую температуру [13], способную принимать отрицательные значения по шкале Кельвина[14][15][16]). Данный формальный приём позволяет вводить для рассматриваемой подсистемы частиц парциальные характеристики, не обязательно имеющие прямое отношение к физической системе как единому целому (см., например, Отрицательная абсолютная температура).

Термодинамические системы служат предметом изучения термодинамики, статистической физики и физики сплошных сред.

Классификация термодинамических систем[править | править вики-текст]

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы[8]:

  • изолированные, не обменивающиеся с внешней средой ни энергией, ни веществом;
  • адиабатически изолированные, не обменивающиеся с внешней средой веществом, но допускающие обмен энергией в виде работы[17];
  • закрытые, обменивающиеся с внешней средой энергией, но не обмениваются веществом;
  • открытые, обменивающиеся с внешней средой и энергией, и веществом.

По используемым для термодинамического описания системы параметрам состояния различают:

Реальную изоляцию термодинамической системы от окружающей среды осуществляют посредством стенок (поверхностей раздела, перегородок, оболочек)[24]: подвижных и неподвижных, проницаемых и непроницаемых для вещества (существуют и полупроницаемые перегородки). Сосуд Дьюара служит хорошим примером адиабатической оболочки. Перегородка, не препятствующая обмену энергией, называется диатермической.

Термодинамическую систему называют гомогенной, если её свойства непрерывно изменяется от точки к точке[25]. Гомогенную систему с одинаковыми свойствами в любой точке называют однородной[25]. Примерами гомогенных систем служат растворы (газовые, жидкие и твердые). Газовая фаза большой протяженности вдоль градиента поля тяготения (например, земная атмосфера в безоблачный и безветренный день) — пример неоднородной гомогенной фазы (см. Барометрическая формула).

Термодинамическую систему называют гетерогенной, если она состоит из нескольких гомогенных частей с разными свойствами. На поверхностях, разделяющих гомогенные части гетерогенной системы, свойства системы меняются скачком[26]. Часто (но не всегда) эта поверхность является видимой.

Гомогенную часть гетерогенной системы называют фазой[26]. Менее строго, но более наглядно фазами называют «гомогенные части системы, отделенные от остальных частей видимыми поверхностями раздела»[7]. Примером может служить система «лёд — вода — влажный воздух». Гомогенная система содержит только одну фазу; гетерогенная система состоит из двух или более фаз[27]. Число фаз в гетерогенной системе подчиняется правилу фаз Гиббса. Одно и то же вещество в твёрдом агрегатном состоянии может иметь несколько фаз (ромбическая и моноклинная сера, серое и белое олово и др.)[26].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Физическая энциклопедия, т. 5, 1998, с. 84.
  2. Залевски К., Феноменологическая и статистическая термодинамика, 1973, с. 9.
  3. Квасников И. А., Термодинамика, 2002, с. 17.
  4. 1 2 3 Кубо Р., Термодинамика, 1970, с. 11.
  5. Базаров И. П., Термодинамика, 2010, с. 206.
  6. Большой энциклопедический словарь. Физика, 1998, с. 521.
  7. 1 2 Герасимов Я. И. и др., Курс физической химии, т. 1, 1970, с. 27.
  8. 1 2 Пригожин И., Кондепуди Д., Современная термодинамика, 2002, с. 18.
  9. Базаров И. П., Термодинамика, 2010, с. 40.
  10. Козлов В. В., Ансамбли Гиббса и неравновесная статистическая механика, 2008, с. 171.
  11. Путилов К. А., Термодинамика, 1971, с. 101.
  12. Физика. Большой энциклопедический словарь, 1998, с. 522.
  13. Спиновая температура — статья из Физической энциклопедии
  14. Спиновая температура — статья из Большой советской энциклопедии
  15. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика. Часть 1, 2002, с. 262.
  16. Поулз Д., Отрицательные абсолютные температуры, 1964.
  17. Залевски К., Феноменологическая и статистическая термодинамика, 1973, с. 10.
  18. Гухман А. А., Об основаниях термодинамики, 2010, с. 66.
  19. Архаров А. М. и др., Теплотехника, 1986, с. 9.
  20. Полянин А. Д. и др., Краткий справочник для инженеров и студентов, 1996, с. 170.
  21. Черноуцан А. И., Краткий курс физики, 2002, с. 48.
  22. Мюнстер А., Химическая термодинамика, 1971, с. 141.
  23. 1 2 Сычев В. В., Сложные термодинамические системы, 2009.
  24. Физическая энциклопедия, т. 4, 1994, с. 196.
  25. 1 2 Базаров И. П., Термодинамика, 2010, с. 21.
  26. 1 2 3 Базаров И. П., Термодинамика, 2010, с. 22.
  27. Мюнстер А., Химическая термодинамика, 1971, с. 15.

Литература[править | править вики-текст]

  • Архаров А. М., Исаев С. И., Кожинов И. А. и др. Теплотехника / Под. общ. ред. В. И. Крутова. — М.: Машиностроение, 1986. — 432 с.
  • Базаров И. П. Термодинамика. — 5-е изд. — СПб.—М.—Краснодар: Лань, 2010. — 384 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978–5–8114–1003–3.
  • Большой энциклопедический словарь. Физика / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — 944 с. — ISBN 5-85270-306-0.
  • Герасимов Я. И., Древинг В. П., Еремин Е. Н. и др. Курс физической химии / Под общ. ред. Я. И. Герасимова. — 2-е изд. — М.: Химия, 1970. — Т. I. — 592 с.
  • Гухман А. А. Об основаниях термодинамики. — 2-е изд., испр. — М.: Изд-во ЛКИ, 2010. — 384 с. — ISBN 978-5-382-01105-9.
  • Залевски К. Феноменологическая и статистическая термодинамика: Краткий курс лекций / Пер. с польск. под. ред. Л. А. Серафимова. — М.: Мир, 1973. — 168 с.
  • Квасников И. А. Термодинамика и статистическая физика. — 2-е изд. — М.: Едиториал УРСС, 2002. — Т. 1. Термодинамика. — 238 с. — ISBN 5-354-00077-7.
  • Козлов В. В., Ансамбли Гиббса и неравновесная статистическая механика. — М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2008. — 205 с. — ISBN 978-5-93972-645-0.
  • Кубо Р. Термодинамика. — М.: Мир, 1970. — 304 с.
  • Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — 5-е изд. — М.: Физматлит, 2002. — 616 с. — (Теоретическая физика в 10 томах. Том 5). — ISBN 5-9221-0054-8.
  • Мюнстер А. Химическая термодинамика. — М.: Мир, 1971. — 296 с.
  • Полянин А. Д., Полянин В. Д., Попов В. А. и др. Краткий справочник для инженеров и студентов. — М.: Международная программа образования, 1996. — 432 с. — ISBN 5-7753-0001-7.
  • Поулз Д. Отрицательные абсолютные температуры и температуры во вращающихся системах координат (рус.) // Успехи физических наук. — 1964, т. 84, № 4, с. 693—713.
  • Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. — М.: Мир, 2002. — 461 с. — (Лучший зарубежный учебник). — ISBN 5-03-003538-9.
  • Путилов К. А. Термодинамика / Отв. ред. М. Х. Карапетьянц. — М.: Наука, 1971. — 376 с.
  • Сычёв В. В. Сложные термодинамические системы. — 5-е изд., перераб. и доп.. — М: Издательский дом МЭИ, 2009. — 296 с. — ISBN 978-5-383-00418-0..
  • Черноуцан А. И. Краткий курс физики. — М: ФИЗМАТЛИТ, 2002. — 320 с. — ISBN 5-9921-0292-3.
  • Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — 704 с. — ISBN 5-85270-087-8.
  • Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7.