Основные понятия термодинамики

Термодинамика связана с идеями тепла и температуры, а также с обменом тепла и других форм энергии. Раздел науки, известный как термодинамика, связан с изучением различных видов энергии и их взаимопревращений. Поведение этих величин регулируется тремя основными законами термодинамики, которые дают количественное описание. Слово термодинамика было придумано Уильямом Томсоном в 1749 году. В следующем разделе рассматриваются некоторые из наиболее часто используемых термодинамических терминов.

Что такое Термодинамика?

Термодинамика — это область науки, изучающая связи между теплотой, работой и температурой, а также их взаимодействие с энергией, излучением и физическими свойствами материи. Термодинамика в самом широком смысле связана с переносом энергии из одного места в другое и из одной формы в другую.

Heat is a type of energy that corresponds to a specific quantity of mechanical work, which is the key concept. It discusses how thermal energy is transformed to or from other forms of energy, as well as how this process affects matter. The energy derived from heat is known as thermal energy. 

Движение микроскопических частиц внутри объекта генерирует тепло, и чем быстрее эти частицы движутся, тем больше тепла выделяется. Термодинамику не волнует скорость, с которой происходят эти преобразования энергии. Он основан на изменении, происходящем в начальном и конечном состояниях. Также стоит отметить, что термодинамика является макроскопической областью изучения. Это означает, что речь идет об объемной системе, а не о молекулярной структуре вещества.

Основные понятия термодинамики

Термодинамика имеет свой собственный набор терминов, связанных с ней. Полное понимание фундаментальных идей обеспечивает глубокое понимание многочисленных тем, охватываемых термодинамикой, избегая каких-либо недоразумений. Термодинамические концепции рассматриваются ниже.

Система

The system refers to a specific part of the universe that is being observed. A thermodynamic system is a part of matter with a defined boundary on which we concentrate our attention. The system boundary can be real or imaginary, and it can be fixed or movable. 

Физические свойства и химический состав называются однородными, если они постоянны во всей системе. С другой стороны, система считается гетерогенной, если она состоит из частей с различными физическими и химическими свойствами. В зависимости от того, как материя и энергия перемещаются в систему и из нее, ее можно разделить на три категории. Существует три различных типа систем.

• Открытая система . Открытая система — это система, которая может обмениваться как материей, так и энергией с окружающей средой. В результате масса и энергия могут передаваться между системой и ее окружением в открытой системе. Так как он приобретает и теряет материю, а также энергию, горячий кофе в открытой колбе является примером открытой системы. Открытая система — это, например, паровая турбина.
• Закрытая система – Замкнутая система обменивается энергией, но не обменивается веществом с окружающей средой. Через границу замкнутой системы происходит передача энергии, а не передача массы. К закрытым системам относятся холодильники и системы сжатия газа в поршне-цилиндровых узлах. Кофе в колбе из нержавеющей стали также является примером закрытой системы, поскольку сквозь стальные стенки может проходить энергия, но не материя.
• Изолированная система . Изолированная система — это система, которая не может обмениваться веществом или энергией с окружающей средой. Полностью изолированной системы не существует. Изолированная система, с другой стороны, полностью герметична, чтобы предотвратить попадание или отток вещества, и теплоизолирована, чтобы предотвратить поток тепла. Вселенная считается автономной. Так как он не может приобретать или терять энергию или материю, горячий кофе в закрытом термосе является примером изолированной системы.

Окружающие

The remaining portion of the universe that is not a part of the system is known as the surrounding. The term “surrounding” refers to everything outside the system that has a direct impact on the system’s behaviour. In other words, anything outside of the system is included in the surroundings. Together, the system and its surroundings make up the universe. 

С другой стороны, изменения в системе не влияют на всю вселенную. В результате окружение — это та часть оставшейся вселенной, которая может взаимодействовать с системой во всех практических целях. В общем, окружение определяется как область пространства в его ближайшем окружении.

Различные разделы термодинамики

Ниже приведены четыре ветви термодинамики.

1. Классическая термодинамика . Поведение материи изучается с использованием макроскопического подхода в классической термодинамике. Люди рассматривают такие единицы, как температура и давление, что помогает в расчете других свойств и предсказании характеристик материи, подвергающейся процессу.
2. Статистическая термодинамика . Каждая молекула находится в центре внимания статистической термодинамики, что означает, что свойства каждой молекулы и то, как они взаимодействуют, учитываются для характеристики поведения группы молекул.
3. Химическая термодинамика . Изучение того, как работа и тепло взаимодействуют в химических реакциях и переходах между состояниями, известно как химическая термодинамика.
4. Равновесная термодинамика . Равновесная термодинамика - это изучение переходов энергии и вещества по мере их приближения к равновесию.

Термодинамические свойства

Термодинамика занимается массивными химическими объектами, такими как атомы или молекулы. Макроскопические свойства системы — это свойства, возникающие в результате объемного поведения материи. Термодинамические свойства определяются как характеристики системы, которые можно использовать для определения состояния системы. Термодинамические свойства подразделяются на две категории, как показано ниже.

1. Экстенсивное свойство . Экстенсивные свойства — это системные свойства, значение которых зависит от количества или размера материала, присутствующего в системе. Значение экстенсивных характеристик зависит от массы системы. Внутренняя энергия, энтропия, свободная энергия и энтальпия — лишь некоторые из многих свойств.
2. Интенсивное свойство . Интенсивные свойства - это свойства системы, значение которых не зависит от количества или размера вещества, присутствующего в системе. Свойства интенсивного вещества не зависят от количества присутствующего вещества. Давление паров, давление, вязкость, поверхностное натяжение и температура — это лишь некоторые из многих интенсивных свойств.

Термодинамическое равновесие

Все свойства системы имеют фиксированные значения в любом заданном состоянии. В результате даже при изменении значения одного свойства меняется состояние системы. Пока система находится в равновесии, значение ее свойств не меняется, когда она изолирована от своего окружения.

• Тепловое равновесие . Говорят, что система находится в тепловом равновесии, когда температура во всей системе одинакова.
• Механическое равновесие . Говорят, что система находится в механическом равновесии, когда давление в любой точке системы не изменяется.
• Химическое равновесие . Химическое равновесие определяется как система, в которой химический состав системы не меняется с течением времени.
• Фазовое равновесие . Когда масса каждой фазы двухфазной системы достигает равновесного уровня, это называется фазовым равновесием.

Если термодинамическая система находится в химическом равновесии, механическом равновесии и тепловом равновесии, а соответствующие параметры перестают изменяться со временем, то говорят, что она находится в термодинамическом равновесии.

Термодинамический процесс

Процесс может изменить состояние термодинамической системы. Другими словами, процесс определяет путь или процедуру, посредством которой система переходит из одного состояния в другое. Процесс может сопровождаться материальным и энергетическим обменом между системой и окружающей средой.

When there is an energetic shift within a system that is related to changes in pressure, volume, and internal energy, it is called a thermodynamic process.

Некоторые типичные формы термодинамических процессов имеют свой набор характеристик, которые перечислены ниже.

1. Изотермический процесс — процесс, при котором не происходит изменения температуры, т. е. температура системы остается постоянной. В такой системе тепло либо подводится к системе, либо отводится от нее.
2. Адиабатический процесс - когда система не обменивается теплом с окружающей средой, тепло не уходит и не поступает в систему. Во время этого процесса отсутствует передача тепла в систему или из нее. Температура системы в таком процессе постоянно меняется. Системы, в которых происходят такие действия, термически изолированы от остального окружения.
3. Изобарический процесс – процесс, при котором давление в системе остается постоянным, т.е. не происходит никаких изменений давления.
4. Изохорный процесс – процесс, при котором объем системы остается постоянным, т. е. объем не изменяется и система не совершает никакой работы.
5. Обратимый процесс . Обратимым процессом называется процесс, в котором направление потока может быть изменено в любой момент процесса путем незначительного изменения такой переменной, как температура или давление. На протяжении всего этого процесса система все время поддерживает виртуальное состояние равновесия с окружающей средой.
6. Необратимый процесс . Процесс, который нельзя обратить вспять, называется необратимым. Противодействующая сила не тождественна движущей силе. Естественные процессы необратимы.
7. Циклический процесс . Циклический процесс — это процесс, в котором система проходит через последовательность модификаций, прежде чем вернуться в исходное состояние.

Законы термодинамики

Законы термодинамики определяют основные физические свойства, характеризующие термодинамические системы в тепловом равновесии, такие как энергия, температура и энтропия. Законы термодинамики описывают, как эти величины реагируют в различных ситуациях.

Термодинамика подчиняется четырем законам, которые описаны ниже.

• Нулевой закон термодинамики. Согласно нулевому закону термодинамики, если два тела по отдельности находятся в тепловом равновесии с третьим телом, то первые два тела также находятся в тепловом равновесии друг с другом. Это означает, что если система A находится в тепловом равновесии с системой B, а система C также находится в тепловом равновесии с системой B, то обе системы A и C находятся в тепловом равновесии.
• Первый закон термодинамики. Согласно первому закону термодинамики, энергия не может быть произведена или уничтожена, но может быть преобразована из одной формы в другую. Теплота, внутренняя энергия и работа определяются первым законом термодинамики. Энергия не может быть произведена или уничтожена, согласно первому закону термодинамики, но может быть преобразована из одной формы в другую. Согласно этому закону часть теплоты, переданной системе, расходуется на изменение внутренней энергии, а оставшаяся часть расходуется на совершение работы.

Mathematically, it may be expressed as

ΔQ=ΔU+W

where,

• The heat given or lost is denoted by ΔQ.
• The change in internal energy is denoted by ΔU.
• W stands for work done.

The above equation can alternatively be written as follows:

ΔU=ΔQ−W

As a result of the above equation, we may deduce that the quantity (ΔQ – W) is unaffected by the path taken to change the state. Furthermore, when heat is applied to a system, internal energy tends to rise, and vice versa.

• Второй закон термодинамики. В изолированной системе второй закон термодинамики утверждает, что энтропия всегда увеличивается. Любая изолированная система самопроизвольно движется к тепловому равновесию или состоянию максимальной энтропии. Энтропия Вселенной всегда увеличивается и никогда не уменьшается.
• Третий закон термодинамики . Третий закон термодинамики гласит, что когда температура приближается к абсолютному нулю, энтропия системы приближается к постоянному значению. При температуре абсолютного нуля энтропия чистого кристаллического твердого тела равна нулю. Если идеальный кристалл имеет только одно состояние с минимальной энергией, это утверждение справедливо.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Чашка чая на столе — это открытая, закрытая или изолированная система?

Отвечать:

Since it gains and loses matter as well as energy, a cup of tea on a table is an open system.

Вопрос 2: Каковы различия между спонтанными и неспонтанными процессами?

Отвечать:

A spontaneous process is irreversible and can only be reversed by an outside force.

Non-spontaneous processes are those that do not occur on their own under specified conditions and only occur when an external force is continuously provided.

Вопрос 3: Какую роль термодинамика играет в нашей повседневной жизни?

Отвечать:

Thermodynamics is a particularly essential branch of physics and chemistry since it deals with the study of energy and its conversion, as well as the various forms and abilities of this energy to accomplish work. It assists us in understanding the heating and cooling systems in our homes and buildings in our daily lives. It also aids in the investigation of the vehicle’s engines. The rules of thermodynamics describe the process by which energy is turned into heat, which is subsequently transported and converted into productive work.

Вопрос 4: Какое из свойств между давлением и силой является интенсивным свойством?

Отвечать:

Intensive properties are system properties whose value is independent of the amount or size of substance present in the system. Since pressure is the force exerted per unit area, it is an intense property.

Вопрос 5: Какое из свойств между теплоемкостью и удельной теплоемкостью является экстенсивным, а какое интенсивным?

Отвечать:

Heat capacity is a broad property that is determined by the mass of the substance. However, since specific heat is a heat capacity per unit mass, it is independent of the amount of substance. As a result, specific heat is an intensive property.