1.Теория открытых объёмных равновесных систем

1. Закрытые и открытые объёмные однокомпонентные равновесные системы

Все существующие термодинамические системы можно разделить на два типа: закрытые и открытые. Согласно принятой терминологии [5] закрытой системой считается термодинамическая система, у которой отсутствует обмен веществом с другими системами. Число частиц в закрытой не меняется при переходе её из одного равновесного состояния в другое. Примерами закрытых систем служат газы, жидкости, твёрдые тела, заключённые в оболочку, непроницаемую для частиц. По определению [5] открытой термодинамической системой называется такая термодинамическая система, у которой имеет место обмен веществом с другими системами. При переходе открытой системы из одного равновесного состояния в другое число частиц в ней меняется. Примером открытой однокомпонентной равновесной системы является пар некоторой жидкости, граничащий с самой жидкостью. Другим примером открытой равновесной системы является равновесный фотонный газ, находящийся в контакте с некоторым веществом. В первом случае системой, с которой происходит обмен частицами, является жидкость, во втором - вещество, испускающее и поглощающее фотоны. Наконец, открытой [1] однокомпонентной системой можно также считать газ, состоящий из любых квазичастиц, например, фононов в кристаллах, дырок в полупроводниках. Последние могут возникать и исчезать. Число их с повышением температуры растёт. Закрытые и открытые системы можно ещё называть соответственно термодинамическими системами с постоянным и переменным числом частиц.

2. Равновесные состояния закрытой и открытой объёмных систем

Равновесным состоянием, в которое приходит система при постоянных внешних условиях, называется такое её состояние, при котором её термодинамические параметры не изменяются с течением времени. Термодинамическими параметрами закрытой объёмной системы являются её объём , давление , абсолютная температура . Уравнение, связывающее термодинамические параметры закрытой объёмной системы

, (1.1)

называется уравнение её состояния. Например, в случае, когда термодинамическая система представляет собой идеальный газ, это уравнение Клапейрона-Менделеева

, (1.2)

где - постоянная Больцмана. Иначе обстоит дело в случае термодинамических систем открытого типа. Для примера рассмотрим закрытый сосуд с жидкостью и паром данной жидкости. В этой системе идут два процесса: образование новых частиц пара (испарение жидкости) и исчезновение прежних частиц в паре (конденсация пара в жидкость). При малой

плотности пара (числа частиц в единице объёма) процесс испарения превалирует над процессом конденсации. Поэтому плотность пара а, следовательно, и его давление с увеличением температуры увеличиваются. Очевидно, что увеличение давления пара прекратится, как только процесс испарения будет полностью скомпенсирован процессом конденсации пара в жидкость. При этом термодинамическая система придёт в своё равновесное состояние, а, следовательно, и эта открытая однокомпонентная система пар данной жидкости. Пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью, из которой он образовался, называется насыщенным паром. Как известно, давление насыщенного пара является функцией только одной температуры и не зависит от его объёма

. (1.3)

Все рассуждения, проведённые выше для частного случая равновесной открытой однокомпонентной системы насыщенный пар данной жидкости, справедливы и для любой другой равновесной открытой однокомпонентной системы независимо от её природы. Уравнение (1.3) следует считать (по аналогии с уравнением (1.1) для закрытых систем) уравнением состояния открытых объёмных однокомпонентных систем. Заметно резкое отличие термодинамического описания закрытых и открытых объёмных систем. Если для описания систем закрытого типа необходимо ввести три термодинамических параметра то для описания состояния систем открытого типа достаточно ввести уже только два термодинамических параметра . Объём открытой объёмной системы может быть любым и не является её термодинамическим параметром, поскольку не входит в уравнение её состояния [1], [2]. Кроме того, в уравнение состояния открытой системы не входит также величина - число частиц в открытой системе.