Термодинамічні параметри - що це параметри стану термодинамічної системи

Довгий час серед фізиків і представників інших наук був спосіб опису того, що вони спостерігають в процесі своїх експериментів. Відсутність єдиної думки і наявність великої кількості термінів, взятих «зі стелі», призводило до плутанини і нерозуміння серед колег. Згодом кожен розділ фізики придбав свої усталені визначення та одиниці вимірювання. Так з'явилися термодинамічні параметри, що пояснюють більшість макроскопічних змін в системі.

визначення

Параметри стану, або термодинамічні параметри, - це ряд фізичних величин, які всі разом і кожна окремо можуть дати характеристику спостерігається системі. До них відносяться такі поняття, як:

• температура і тиск;
• концентрація, магнітна індукція;
• ентропія;
• ентальпія;
• енергії Гіббса і Гельмгольца і багато інших.

Виділяють інтенсивні і екстенсивні параметри. Екстенсивними називаються ті, які знаходяться в прямій залежності від маси термодинамічної системи, а інтенсивними - які визначаються іншими критеріями. Не всі параметри однаково незалежні, тому для того, щоб обчислити рівноважний стан системи, необхідно визначати відразу кілька параметрів.

Класифікація

Існує кілька класифікацій термодинамічних параметрів. Так, виходячи з першого пункту, вже відомо, що всі величини можна розділити на:

• екстенсивні (адитивні) - такі речовини підкоряються закону складання, тобто їх значення залежить від кількості інгредієнтів;
• інтенсивні - вони не залежать від того, скільки речовини було взято для реакції, так як при взаємодії вирівнюються.

Виходячи з того, в яких умовах перебувають речовини, що становлять систему, величини можна розділити на ті, які описують фазові реакції і хімічні реакції. Крім того, потрібно враховувати властивості речовин, що вступають в реакцію. Вони можуть бути:

• термомеханічні;
• теплофізичні;
• термохимические.

Крім цього, будь-яка термодинамічна система виконує певну функцію, тому параметри можуть характеризувати роботу або теплоту, одержувану в результаті реакції, а також дозволяють розрахувати енергію, необхідну для перенесення маси частинок.

змінні стану

Стан будь-якої системи, в тому числі термодинамічної, можна визначити по поєднанню її властивостей або характеристик. Всі змінні, які повністю визначаються тільки в конкретний момент часу і не залежать від того, як саме система прийшла в цей стан, називаються термодинамічними параметрами (змінними) стану або функціями стану.

Система вважається стаціонарної, якщо змінні функції з часом не змінюються. Один з варіантів стаціонарного стану - це термодинамічна рівновага. Будь-яке, навіть найменше зміна в системі, - вже процес, а в ньому може бути від одного до декількох змінних термодинамічних параметрів стану. Послідовність, в якій стану системи безперервно переходять один в одного, називають «шлях процесу».

На жаль, плутанина з термінами все ще має місце, так як одна і та ж змінна може бути як незалежної, так і результатом складання кількох функцій системи. Тому такі терміни, як «функція стану», «параметр стану», «змінна стану» можуть розглядатися у вигляді синонімів.

температура

Один з незалежних параметрів стану термодинамічної системи - це температура. Вона являє собою величину, яка характеризує кількість кінетичної енергії, що припадає на одиницю частинок в термодинамічній системі, що знаходиться в стані рівноваги.

Якщо підходити до визначення поняття з точки зору термодинаміки, то температура є величиною обернено пропорційній зміні ентропії після додавання в систему теплоти (енергії). Коли система равновесна, то значення температури однаково для всіх її «учасників». У разі якщо є різниця температур, то енергія віддається більш нагрітим тілом і поглинається більш холодним.

Існують термодинамічні системи, в яких при додаванні енергії безладність (ентропія) не збільшується, а навпаки - зменшується. Крім того, якщо подібна система буде взаємодіяти з тілом, температура якого більше, ніж її власна, то вона віддасть свою кінетичну енергію цьому тілу, а не навпаки (виходячи із законів термодинаміки).

Тиском називається величина, що характеризує силу, що впливає на тіло, перпендикулярно його поверхні. Для того щоб обчислити цей параметр, необхідно все кількість сили розділити на площу об'єкта. Одиницями виміру цієї сили будуть Паскалі.

У випадку з термодинамічними параметрами газ займає весь доступний йому обсяг, і, крім того, молекули, його складові, безперервно хаотично рухаються і стикаються один з одним і з посудиною, в якому знаходяться. Саме ці удари і обумовлюють тиск речовини на стінки судини або на тіло, яке вміщено в газ. Сила поширюється в усіх напрямках однаково саме через непередбачуваного руху молекул. Щоб збільшити тиск, необхідно підвищити температуру системи, і навпаки.

Внутрішня енергія

До основних термодинамічних параметрів, що залежать від маси системи, відносять і внутрішню енергію. Вона складається з кінетичної енергії, обумовленої рухом молекул речовини, а також з потенційної енергії, що з'являється, коли молекули взаємодіють між собою.

Цей параметр є однозначним. Тобто значення внутрішньої енергії постійно щоразу, як система виявляється в потрібному стані, незалежно від того, яким шляхом воно (стан) було досягнуто.

Неможливо змінити внутрішню енергію. Вона складається з теплоти, що виділяється системою і роботи, яка нею проводиться. Для деяких процесів враховуються і інші параметри, такі як температура, ентропія, тиск, потенціал і кількість молекул.

Другий закон термодинаміки говорить, що ентропія ізольованої системи не зменшується. Інша формулювання постулює, що енергія ніколи не переходить від тіла з більш низькою температурою до більш нагрітого. Це, в свою чергу, заперечує можливість створення вічного двигуна, так як не можна всю енергію, наявну у тіла, перевести в роботу.

Саме поняття «ентропія» було введено в ужиток ще в середині 19 століття. Тоді воно сприймалося як зміна кількості тепла до температури системи. Але таке визначення підходить тільки до процесів, які постійно перебувають в стані рівноваги. З цього можна вивести наступний висновок: якщо температура тіл, що складають систему, прагне до нуля, то і ентропія буде дорівнює нулю.

Ентропія як термодинамічний параметр стану газу використовується в якості вказівки на міру безладності, хаотичності руху частинок. Її використовують, щоб визначити розподіл молекул в певній галузі і посудині, або щоб порахувати електромагнітну силу взаємодії між іонами речовини.

Ентальпія є енергію, яка може бути перетворена в теплоту (або роботу) при постійному тиску. Це потенціал системи, яка знаходиться в стані рівноваги, в разі якщо досліднику відомий рівень ентропії, число молекул і тиск.

У разі, якщо вказується термодинамічний параметр ідеального газу, замість ентальпії використовують формулювання «енергія розширеної системи». Для того щоб легше було пояснити собі цю величину, можна уявити посудину, наповнений газом, який рівномірно стискається за допомогою поршня (наприклад, двигун внутрішнього згоряння). В цьому випадку ентальпія буде дорівнює не тільки внутрішньої енергії речовини, а й роботі, яку необхідно зробити, щоб привести систему в необхідний стан. Зміна даного параметра залежить тільки від початкового і кінцевого стану системи, а шлях, яким воно буде отримано, ролі не грає.

енергія Гіббса

Термодинамічні параметри і процеси, в більшості своїй, пов'язані з енергетичним потенціалом речовин, що складають систему. Так, енергія Гіббса є еквівалентом повної хімічної енергії системи. Вона показує, які зміни будуть відбуватися в процесі хімічних реакцій і чи будуть речовини взаємодіяти взагалі.

Зміна кількості енергії і температури системи в процесі протікання реакції зачіпає такі поняття, як ентальпія і ентропія. Різниця між цими двома параметрами якраз і буде називатися енергією Гіббса або ізобарно-ізотермічним потенціалом.

Мінімальне значення цієї енергії спостерігається в тому випадку, якщо система знаходиться в рівновазі, а її тиск, температура і кількості речовини залишаються незмінними.

енергія Гельмгольца

Енергія Гельмгольца (за іншими джерелами - просто вільна енергія) являє собою потенційну кількість енергії, яке буде втрачено системою при взаємодії з тілами, що не входять в неї.

Поняття вільної енергії Гельмгольца часто використовується для того, щоб визначити, яку максимальну роботу здатна виконати система, тобто скільки вивільниться теплоти при переході речовин з одного стану в інший.

Якщо система знаходиться в стані термодинамічної рівноваги (тобто вона не робить ніякої роботи), то рівень вільної енергії знаходиться на мінімумі. А значить, зміна інших параметрів, таких як температура, тиск, кількість частинок, також не відбувається.