Физическая система

Макросистема - система, имеющая массу, сравнимую с массой предметов и тел, окружающих нас.

Микрочастица - частица, имеющая массу, сравнимую с массой атомов.

три различных подхода:

• на основе применения законов классической механики

• с использованием законов статистической физики

• термодинамический подход.

Первый подход - ряд проблем:

использование первого метода описания достаточно затруднительным, и его применение обычно ограничивается модельными задачами для ограниченного числа частиц.

Второй подход - статистический

Статистический ансамбль

Весь ансамбль описывается некоторой функцией распределения.

Третий подход (термодинамический) - наиболее общий методом описания макросистем (удаётся получить законы, применение которых возможно для любых макросистем, независимо от конкретной физической природы микрочастиц).

(равновесная термодинамика, линейная неравновесная термодинамика, нелинейная неравновесная термодинамика)

термодинамические системы

Термодинамические системы бывают:

• изолированные

• открытые

Параметры:

• внутренние,

• внешние,

• экстенсивные,

• интенсивные,

термодинамические функции:

• функции состояния,

U, H, F, G, S

• функции перехода, Q , A

Функции состояния:

1. бесконечно малое изменение функции f является полным дифференциалом (обозначается df);

2. изменение функции при переходе из состояния 1 в состояние 2 определяется только этими состояниями: ;

3. в результате любого циклического процесса функция состояния не изменяется: .

состояния термодинамической системы:

1. Равновесное,

2. Стационарное

3. Неравновесное

Характеристикой состояния термодинамического равновесия является температура

свойства:

• Если две термодинамические системы, имеющие тепловой контакт, находятся в состоянии термодинамического равновесия, то и совокупная термодинамическая система находится в состоянии термодинамического равновесия.

• Если какая-либо термодинамическая система находится в термодинамическом равновесии с двумя другими системами, то и эти две системы находятся в термодинамическом равновесии друг с другом.

термодинамические процессы:

• обратимые,

• квазистатические, или квазиравновесные,

• необратимые, или неравновесные,     

любая изолированная термодинамическая система (предоставленная себе самой) стремится к состоянию термодинамического равновесия и после его достижения не может самопроизвольно из него выйти.

(нулевое начало термодинамики)

уравнение состояния

или ,

где a – совокупность внутренних параметров, b – совокупность внешних параметров, T – температура.

термическое

калорическое

,

(уравнение Ван-дер-Ваальса)

(уравнение Бертло)

(I уравнение Дитеричи)

(II уравнение Дитеричи)

Все эти уравнения записаны для одного моля газа; величины a и b – индивидуальные постоянные газов.

вириальное разложение по степеням обратного объема

или давления

,

где B_i, B_i' – i-ые вириальные коэффициенты, которые зависят от температуры.

Термодинамика базируется на трех законах (началах):

первое начало термодинамики – это, фактически, закон сохранения энергии.

Невозможно создать вечный двигатель 1-го рода, т.е. двигатель, который совершает работу, не потребляя энергии.

Энергия изолированной системы постоянна. В неизолированной системе внутренняя энергия может изменяться за счет: а) совершения работы над окружающей средой; б) теплообмена с окружающей средой.

В уравнениях знаки теплоты и работы зависят от выбора. Теплота считается положительной, если она передается системе. Напротив, работа считается положительной, если она совершается системой над окружающей средой.

 Полная энергия термодинамической системы

Внутренняя энергия термодинамической системы

Второй закон термодинамики (закон возрастания энтропии)

• Невозможно создать вечный двигатель 2-го рода.

• Различные виды энергии могут полностью превращаться в теплоту, но невозможно полное превращение теплоты в работу.

• В изолированной системе общее изменение энтропии всегда положительно ( ). Общая энтропия изолированной системы всегда возрастает.

и другие.

энтропия S,

(неравенство Клаузиуса),

Для изолированных систем ,

в состоянии термодинамического равновесия она достигает максимума ( ).

, (формула Больцмана)

где k = 1,3810^-23 Дж/К – постоянная Больцмана ( ),

W – термодинамическая вероятность.

Третий закон термодинамики (тепловая теорема Нернста о недостижимости абсолютного нуля температур)

невозможно создать вечный двигатель 3-го рода – двигатель, который работает при температуре холодильника равной абсолютному нулю температур

    

(тепловая теорема Нернста)

Термодинамические потенциалы

1) внутренняя энергия U(S,V),

2) энтальпия ,

3) энергия Гельмгольца ,

4) энергия Гиббса .

     

метод термодинамических потенциалов разработан в 1873 - 78 годах американским физиком-теоретиком Джозайя Уиллардом Гиббсом (1839 - 1903).  Метод термодинамических потенциалов основывается на возможности введения для равновесных процессов функций состояния, полные дифференциалы которых описывают изменение состояния термодинамической системы.

уравнения связи:

,

,

.

U – внутренняя энергия системы

(полная энергия системы)

U = U₂ - U₁

Работа расширения идеального газа

V₁, V₂ ,P

V = const A = 0

P = соnst A = - P(V₂ -V₁ )= - PV

Т = const

Энтальпия

H = U + PV

H = U + (PV)

T = cоnst P₁V₁ = P₂V₂ и (PV) = 0 и H = U

P = const

H = U + PV; U = H - PV;

U = Q + A; A = - PV

H = Q

Термохимия

З.Лавуазье: теплота, необходимая для разложения химического соединения, равна теплоте, выделяемой при его образовании.

З.Гесса: если данную систему можно различными путями (способами) из одного состояния переводить в другое, то суммарные тепловые эффекты по каждому пути равны между собой при условии, что по любому пути система переходит из одного и того же начального в одно и то же конечное состояние.