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 более 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; систему ядерных спинов парамагнетика характеризуют собственной парциальной спиновой температурой [13], способной 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 обменивающиеся веществом;
  • открытые, обменивающиеся с внешней средой и энергией, и веществом;
  • частично открытые, обменивающиеся с внешней средой и энергией, и веществом, но у которых не все составляющие вещества принимают участие в материальном обмене (например, из-за наличия полупроницаемых перегородок)[18].

По используемым для термодинамического описания системы параметрам состояния различают:

Если входящие в состав системы вещества в рассматриваемом диапазоне условий (давление, температура) химически не взаимодействуют между собой, то систему называют физической. Если же вещества системы реагируют друг с другом, то говорят о химической системе[25][26][27].

Реальную изоляцию термодинамической системы от окружающей среды осуществляют посредством стенок (поверхностей раздела, перегородок, оболочек)[28]: 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[29]. Гомогенную систему с одинаковыми свойствами в любой точке называют однородной[29]. 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[30]. Часто (но не всегда) эта поверхность является видимой.

Гомогенную часть гетерогенной системы называют фазой[30]. 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[31]. 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.)[30].

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. Сторонкин А. В., Термодинамика гетерогенных систем, ч. 1—2, 1967, с. 120—121.
  19. Гухман А. А., Об основаниях термодинамики, 2010, с. 66.
  20. Архаров А. М. и др., Теплотехника, 1986, с. 9.
  21. Полянин А. Д. и др., Краткий справочник для инженеров и студентов, 1996, с. 170.
  22. Черноуцан А. И., Краткий курс физики, 2002, с. 48.
  23. Мюнстер А., Химическая термодинамика, 1971, с. 141.
  24. 1 2 Сычев В. В., Сложные термодинамические системы, 2009.
  25. Компоненты (в термодинамике и химии) // Большая Советская Энциклопедия, 1973.
  26. Горшков В. С. и др., Физическая химия силикатов, 1988, с. 193.
  27. Гамеева О. С., Физическая и коллоидная химия, 1969, с. 162.
  28. Физическая энциклопедия, т. 4, 1994, с. 196.
  29. 1 2 Базаров И. П., Термодинамика, 2010, с. 21.
  30. 1 2 3 Базаров И. П., Термодинамика, 2010, с. 22.
  31. 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.
  • Гамеева О. С. Физическая и коллоидная химия. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1969. — 408 с.
  • Горшков В. С., Савельев В. Г., Федоров Н. Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. — М.: Высшая школа, 1988. — 400 с. — ISBN 5-06-001389-8.
  • 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.
  • Сторонкин А. В. Термодинамика гетерогенных систем. Части 1 и 2. — М.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1967. — 448 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.