2.9. Основные понятия равновесной термодинамики

В дополнение к понятиям, описывающим состояние системы в молекулярной физике (п. 2.1), приведем еще ряд основных понятий, которые используются при описании процессов в термодинамике.

Уравнение состояния. В связи с тем, что макропараметры системы не являются независимыми, между ними существует вполне определенная формула связи, которая называется уравнением состояния. В самом простом случае, в отсутствие внешних полей (гравитационного, магнитного, электрического полей), такое уравнение связывает такие параметры, как

. (2.33)

В более сложных случаях для характеристики равновесного состояния требуются и другие параметры (например, концентрация компонентов смеси газов, напряженность электрического поля, магнитная индукция и т.д.).

Функция состояния системы - это любая функция параметров системы, которая принимает одно и то же значение в данном состоянии системы независимо от способа перехода в это состояние.

Неравновесное состояние - состояние, в котором хотя бы один из термодинамических параметров не имеет определенного значения.

Процесс релаксации – процесс перехода предоставленной самой себе системы из неравновесного состояния в равновесное состояние.

Изолированная (замкнутая) система – система, которая не обменивается с внешними телами энергией и веществом.

Закрытая система - система, которая обменивается энергией и не обменивается частицами с окружающими ее внешними телами.

Открытая система – система, которая обменивается энергией и частицами с окружающими внешними телами.

Равновесный процесс (квазистатический процесс). В равновесной термодинамике изучают равновесные процессы. Под ними понимают процессы, в каждой точке которых макропараметры системы принимают определенные значения. Такие процессы являются идеализацией, они протекают бесконечно медленно в отсутствие разности давлений и температур.

Примером такого процесса является процесс бесконечно медленного сжатия газа под поршнем (рис. 2.7,а). В этом случае давление и температура газа будут одинаковыми во всех точках занимаемого газом объема. Если же перемещать поршень с конечной скоростью, то тогда непосредственно под поршнем образуется область газа (воздушная подушка), в которой его давление превышает давление в остальных точках объема (рис. 2.7,а). Следовательно, этот параметр для газа будет неопределенным и процесс не будет равновесным.

Равновесные процессы можно изображать на диаграммах состояниях, а неравновесные процессы нельзя из-за неопределенности параметров состояния в каждой точке процесса (их протекание можно обозначить пунктирной линией).

Все равновесные процессы являются обратимыми. Равновесный процесс, представляя собой непрерывную цепь равновесных состояний, является обратимым, т.е. обратимый процесс можно совершить в обратном направлении и при этом в окружающей среде не останется никаких изменений.

Круговой процесс - это процесс, при котором система возвращается в исходное состояние

Нулевое начало термодинамики. Его еще называют принципом термодинамического равновесия. Он утверждает следующее. Если система 1 находится в состоянии теплового равновесия по отдельности с системами 2 и 3, то эти две последние системы находятся в состоянии теплового равновесия между собой. Этот принцип приводит к понятию температуры, она будет одинаковой для систем, находящихся в состоянии теплового равновесия друг с другом. Для отдельной системы все ее части в равновесном состоянии также имеют одинаковую температуру.

Эта формулировка нулевого начала термодинамики эквивалентна той, которая была дана в п. 2.4.