1. Основні поняття термодинаміки: система, фаза, компонент, процес, параметр, функція стану, енергія, робота, теплота.

Термодинаміка це наука, що вивчає взаємні перетворення теплоти і роботи в теплових двигунах.

Термодинамічна система — це тіло або сукупність тіл, відділених від навколишнього світу уявною або дійсно існуючою оболонкою. Тіла, які перебувають за межами термодинамічної системи, утворюють навколишнє середовище.

В залежності від характеру взаємодії з навколишнім середовищем розрізняють системи відкриті, закриті та ізольовані. Відкрита система обмінюється з навколишнім середовищем речовиною та енергією. Закрита може обмінюватися енергією, але не обмінюється речовиною. Ізольована система позбавлена можливості обміну з навколишнім середовищем як речовиною, так і енергією.

Сукупність частин термодинамічної системи з однаковим складом і властивостями називають фазою. Гомогенна система складається з однієї фази (газ, розчин), гетерогенна система - з кількох фаз, відділених одна від одної поверхнями поділу (пара—розчин, вода—масло).

Фізичні характеристики термодинамічної системи (маса, об'єм, температура, тиск, склад, енергія, теплоємність та ін.) називаються термодинамічними властивостями. Вони поділяються на екстенсивні та інтенсивні. До екстенсивних властивостей відносяться: маса, об'єм, енергія, теплоємність та ін. Вони використовуються як кількісні характеристики термодинамічної системи, залежать від маси і характеризуються адитивністю, тобто екстенсивна властивість системи дорівнює сумі відповідних властивостей її складових частин. До інтенсивних властивостей належать: температура, тиск, склад, густина та ін. Вони дають якісну характеристику термодинамічної системи, не залежать від маси і неадитивні.

Стан термодинамічної системи характеризують термодинамічними параметрами (температура, тиск, об'єм, внутрішня енергія, ентропія та ін.). Параметри, які підлягають безпосередньому вимірюванню (інтенсивні властивості), називаються основними параметрами стану. Інші параметри стану системи є функціями від основних параметрів (внутрішня енергія, ентальпія, ентропія та ін.). Ці термодинамічні функції називають функціями стану, тому що їх зміна при переході системи з одного стану в інший не залежить від шляху переходу, а визначається тільки початковим та кінцевим станами системи.

Зміна одного чи декількох параметрів стану системи називається термодинамічним процесом. В оборотному процесі система повертається в початковий стан без будь-яких енергетичних змін

в навколишньому середовищі. В протилежному випадку процес є необоротним.

В рівноважному процесі система проходить через безперервний ряд рівноважних станів. Під рівноважним розуміють такий стан, який не змінюється в часі при незмінності зовнішніх факторів.

Процес може бути самодовільним або несамодовільним. До самодовільних відносяться процеси, що проходять без витрати енергії ззовні.

В залежності від того, який з параметрів стану в термодинамічному процесі залишається незмінним, розрізняють ізотермічний (Т = const), ізобаричний (р = const), ізохоричний (V = const) процеси. Адіабатичним називають процес, в якому Q = 0, тобто система ізольована в тепловому відношенні.

Особливе місце в термодинаміці займають так звані кругові процеси — термодинамічні цикли. Круговим називається процес, в результаті якого система після ряду змін повертається в початковий стан.

Теплота (Q) і робота (W) — це форми передачі енергії від системи до навколишнього середовища і навпаки.

Теплотою називають форму передачі енергії внаслідок хаотичного руху молекул. При виконанні роботи енергія передається шляхом упорядкованого руху молекул під дією певної сили. Направлений рух молекул може бути перетворений в хаотичний. Тоді робота переходить в теплоту.

Спільна властивість теплоти і роботи полягає в тому, що вони характеризують не стан системи, а процес, який в ній відбувається. Не можна казати про запас теплоти або роботи в системі, а тільки про теплоту і роботу певного процесу. Теплота і робота залежать від шляху процесу, отже, вони є функціями процесу, а не стану. Теплоту і роботу виражають в джоулях (Дж).

В термодинаміці додатною величиною вважають теплоту, яку поглинає система, а від’ємною — теплоту, яку вона виділяє. Робота вважається додатною величиною, якщо вона чиниться системою, і від’ємною — якщо вона чиниться над системою.

Енергія - міра руху (чим інтенсивніше рух, тим більше енергія) при його перетворенні з одного виду в інший. Внутрішня енергія - енергія руху молекул, атомів, електронів і ядерна (атомна) енергія.

2. І-й закон термодинаміки. Функції стану: внутрішня енергія та ентальпія.

Перший закон термодинаміки має кілька формулювань:

1. Енергія не зникає без сліду і не виникає з нічого, а тільки переходить з одного виду в інший в еквівалентній кількості.

2. В будь-якій ізольованій системі загальний запас енергії зберігається незмінним.

3. Вічний двигун першого роду, тобто періодично діюча машина, що дає роботу, не витрачаючи енергії, неможливий.

Математичне вираження закону: зміна внутрішньої енергії системи дорівнює різниці між теплотою, поглиненої системою і роботою, яку здійснюють системою.

Q  U  W

1. Iзотермічний процес: Т = const; U = nCV, T = 0, де СV — молярна теплоємність при сталому об’ємі.

В ізотермічному процесі вся поглинена системою теплота іде на виконання роботи.

2. Iзохоричний процес: V = const; W = 0; QV = U.

Поглинена системою теплота іде на збільшення її внутрішньої енергії.

Отже, QV набуває властивостей термодинамічної функції стану.

3. Iзобаричний процес: р = const; W = pV;

Qp= U+ pV= U2– U1+ p ( V2– V1) = U2– U1+ pV2– pV1= (U2+ pV2)– (U1+ pV1).

Введемо позначення: U + pV = H, тоді: Qp = H2 – H1 = H,

р і V — параметри стану, а U — функція стану, отже, сума U + pV є також функцією стану. Ця функція називається ентальпією. Таким чином, теплота в ізобаричному процесі дорівнює зміні ентальпії Н і не залежить від шляху процесу.

4. Адіабатичний процес: Q = 0; W = –U = –nСV T = –nCV (T2 – T1) = nСV (T1–T2).

Робота виконується за рахунок зменшення внутрішньої енергії, і темпе- ратура системи знижується.

Внутрішня енергія — це кінетична енергія всіх частинок системи (молекул, атомів, електронів тощо) та потенціальна енергія їх взаємодії, за винятком кінетичної і потенціальної енергії системи в цілому. Внутрішня енергія — екстенсивна величина, тобто її значення залежить від кількості речовини в системі. Звичайно внутрішню енергію відносять до 1 моль речовини і виражають в Дж/моль. Абсолютну величину внутрішньої енергії визначити неможливо, але для практичних цілей достатньо знати зміну внутрішньої енергії U, яка відбувається в процесі.

Внутрішня енергія є функцією стану, тобто її зміна визначається заданими початковим та кінцевим станами системи і не залежить від шляху процесу: U = U2 – U1.

Наведемо доказ від протилежного. Припустимо, що система переходить з точки А в точку В одним шляхом, що відповідає зміні внутрішньої енергії U1, а повертається в точку А іншим шляхом, що відповідає зміні U2. Припустимо, що зміни внутрішньої енергії залежать від шляху процесу і U1> U2. Тоді в системі відбувалося б накопичення енергії без добування її ззовні. Але це неможливо, бо суперечить закону збереження енергії. Отже, U1 = U2.

Ентальпія - термодинамічна функція, зміна якої дорівнює теплоті ізобарного процесу. Ентальпія - теплота, проте не будь-яке тепло одно ентальпії, а тільки теплота ізобарного процесу. Теплота ізобарного процесу дорівнює зміні ентальпії системи.

Зв'язок QP і QV (ентальпії і внутрішньої енергії)

З попередніх висновків слід: ΔH = ΔU + p*ΔV

ΔH = ΔU +ΔnRT

Ентальпія відрізняється від внутрішньої енергії на величину роботи по розширенні системи.

Q_P = Q_V + p*ΔV

Q_P = Q_V + ΔnRT