Физическое тело, которое имеет собственную внутреннюю систему и может обмениваться энергией с окружающей средой Из Википедии, свободной энциклопедии
Термодинами́ческая систе́ма — физическое тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом[1]; выделяемая (реально или мысленно) для изучения макроскопическаяфизическая система, состоящая из большого числа частиц и не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц[2], «часть Вселенной, которую мы выделяем для исследования»[3]. Единицей измерения числа частиц в термодинамической системе обычно служит число Авогадро[4] (примерно 6·1023 частиц на моль вещества), дающее представление, о величинах какого порядка идёт речь. Ограничения на природу материальных частиц, образующих термодинамическую систему, не накладываются: это могут быть атомы, молекулы, электроны, ионы, фотоны и т. д.[5][6]. Любой земной объект, видимый невооружённым глазом или с помощью оптических приборов (микроскопы, зрительные трубы и т. п.), можно отнести к термодинамическим системам: «Термодинамика занимается изучением макроскопических систем, пространственные размеры которых и время существования достаточны для проведения нормальных процессов измерения»[5]. Условно к макроскопическим системам относят объекты с размерами от 10−7 м (100 нм) до 1012 м[7].
Условность нижней границы связана, помимо прочего, с тем, что для термодинамики важен не размер объекта, а число образующих его частиц. Кубидеального газа с ребром 100 нм при нормальных условиях содержит около 27 000 частиц (см. Постоянная Лошмидта).
Абсолютно твёрдое тело с термодинамической точки зрения представляет собой одну-единственную частицу и по этой причине вне зависимости от своих размеров к термодинамическим системам не относится[9].
Галактические и метагалактические системы термодинамическими не являются[10].
Любую часть термодинамической системы называют подсистемой.
Каждая термодинамическая система имеет границы, реальные или условные, отделяющие её от окружающей среды[13], под которой подразумевают все тела, не включённые в термодинамическую систему[14]. Иногда вместо окружающей среды говорят о термостате[5], т. е. среде с настолько большой теплоёмкостью, что её температура при теплообмене с изучаемой системой
не меняется[15][16][17]. По умолчанию предполагается, что окружающая среда достаточно велика и поэтому её параметры не зависят от протекающих в рассматриваемой системе процессов. Кроме того, обычно подразумевается, что окружающая среда находится в состоянии термодинамического равновесия и её характеристики не зависят от времени и пространственных координат.
Важно, что в состав термодинамической системы включают все частицы, имеющиеся в выделяемой для изучения области пространства. Дело в том, что в термодинамике иногда мысленно разбивают реальную физическую систему на самостоятельные подсистемы объектов с особыми свойствами, и один и тот же объём рассматривают как занимаемый одновременно двумя и более виртуальными квазинезависимыми (слабо взаимодействующими друг с другом) парциальными подсистемами частиц разной природы (например, газовую смесь характеризуют парциальными давлениями составляющих её газов[18]; в газовой плазме одновременно присутствуют ионы и свободные электроны со своими существенно отличными парциальными температурами — ионной и электронной[19][20]; в кристалле выделяют подсистемы фононов и магнонов; подсистему ядерных спинов парамагнетика характеризуют собственной парциальной спиновой температурой[21], способной принимать отрицательные значения по шкале Кельвина[22][23][24]). Данный формальный приём позволяет вводить для рассматриваемой подсистемы частиц парциальные характеристики, не обязательно имеющие прямое отношение к физической системе как единому целому (см., например, Отрицательная абсолютная температура).
пассивные, в которых происходит перераспределение имеющейся энергии, например тепловой, стремящиеся к равновесному термодинамическому состоянию;
активные, в которых происходит преобразование одного вида энергии в другой, например химической в тепловую, стремящиеся к неравновесному термодинамическому состоянию
По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы[13]:
изолированные, не способные обмениваться с внешней средой ни энергией, ни веществом[1];
адиабатно изолированные, не способные к обмену с внешней средой веществом, но допускающие обмен энергией в виде работы[26][27][28][29]. Обмен энергией в форме теплоты для таких систем исключён[1][30][31][32];
закрытые, не способные обмениваться с внешней средой веществом[1], но способные к энергообмену с окружающей средой[33];
открытые, способные обмениваться веществом (и, следовательно, энергией) с другими системами[33][34] (внешней средой);
По используемым для термодинамического описания системы параметрам состояния различают: простые системы, простые открытые системы и сложные системы.
Простой системой (простым телом[36], термодеформационная система[37]) называется такая равновесная система, физическое состояние которой вполне определяется значениями двух независимых переменных — функций состояния простого тела , например, значениями температуры и удельного объёма или давления и удельного объёма . Выражение зависимости трёх характеристик состояния простого тела , являющихся попарно независимыми, называется уравнением состояния этого тела:
.
Простыми телами являются изотропные тела (isos— равный, tropos — направление, в целом — равенство характеристик состояния и физических свойств тела во всех его точках и во всех направлениях), в частности: газы, пары, жидкости и многие твёрдые тела, находящиеся в термодинамическом равновесии и не подверженные действию поверхностного натяжения, гравитационных и электромагнитных сил и химических превращений. Исследования простых тел в термодинамике представляют наибольший теоретический и практический интерес.
простые открытые системы, отличаются от простых систем способностью обмениваться веществом с окружающей средой. Для термодинамического описания таких систем с независимыми компонентами необходимы независимых параметра состояния, включая массу (количество вещества, число частиц) каждого независимого компонента[38];
Если входящие в состав системы вещества в рассматриваемом диапазоне условий (давление, температура) химически не взаимодействуют между собой, то систему называют физической. Если же вещества системы реагируют друг с другом, то говорят о химической системе[41][42][43].
Реальную изоляцию термодинамической системы от окружающей среды осуществляют посредством стенок (поверхностей раздела, перегородок, оболочек)[44]: подвижных и неподвижных, проницаемых и непроницаемых для вещества (существуют и полупроницаемые перегородки). Сосуд Дьюара служит хорошим примером[45]адиабатной (термоизолирующей[46]) оболочки. Перегородка, не препятствующая теплообмену, то есть не являющаяся адиабатной, называется диатермической[47][48] (теплопроницаемой[49]).
Поскольку для открытых систем трактовка понятий «работа» и «теплота» теряет свою однозначность[50], то и представление об адиабатности утрачивает определённость. Чтобы восстановить определённость и сохранить эквивалентность представления об адиабатной изоляции как накладывающей запрет на теплообмен, и адиабатной изоляции как допускающей энергообмен только в форме работы, для открытых систем к теплоте и работе добавляют третью форму передачи энергии — энергию перераспределения масс составляющих систему веществ[51][52][53][54], а свойства адиабатной оболочки дополняют требованием непроницаемости оболочки для вещества[55][56][57][58][29][32]. К сожалению, такой способ восстановления однозначности трактовки понятия «адиабатность», широко используемого в технической термодинамике, одновременно делает представление об адиабатности бесполезным с практической точки зрения в случае открытых систем, так что в химической термодинамике таких систем понятие «адиабатность» не используют.
Термодинамическую систему называют гомогенной, если между любыми её частями нет поверхностей раздела[1] и, следовательно, свойства системы непрерывно изменяется от точки к точке[59]. Гомогенную систему с одинаковыми свойствами в любой точке называют однородной[59][1]. Примерами гомогенных систем служат растворы (газовые, жидкие и твёрдые). Газовая фаза большой протяжённости вдоль градиента поля тяготения (например, земная атмосфера в безоблачный и безветренный день) — пример неоднородной гомогенной фазы (см. Барометрическая формула).
Термодинамическую систему называют гетерогенной, если она состоит из нескольких гомогенных частей с разными свойствами. На поверхностях, разделяющих гомогенные части гетерогенной системы, хотя бы одно термодинамическое свойство вещества изменяются скачком[60][1]. Часто (но не всегда) поверхность раздела является видимой.
Гомогенную часть гетерогенной системы называют фазой[60]. Менее строго, но более наглядно фазами называют «гомогенные части системы, отделённые от остальных частей видимыми поверхностями раздела»[12]. Примером может служить система «лёд — вода — влажный воздух». Гомогенная система содержит только одну фазу; гетерогенная система состоит из двух или более фаз[61]. Число фаз в гетерогенной системе подчиняется правилу фаз Гиббса. Одно и то же вещество в твёрдом агрегатном состоянии может иметь несколько фаз (ромбическая и моноклинная сера, серое и белое олово и др.)[60].
На рисунке изображён один из вариантов классификации термодинамических систем.
Münster A.Classical Thermodynamics.— London e. a.: Wiley-Interscience, 1970.— xiv + 387p.— ISBN 0 471 62430 6.
Архаров А. М., Исаев С. И., Кожинов И. А. и др.Теплотехника/Под. общ. ред. В. И. Крутова.— М.: Машиностроение, 1986.— 432с.
Базаров И. П.Термодинамика.— 5-е изд.— СПб.—М.—Краснодар: Лань, 2010.— 384с.— (Учебники для вузов. Специальная литература).— ISBN 978–5–8114–1003–3.
Белов Г. В.Термодинамика. Часть 1.— 2-е изд., испр. и доп.— М.: Юрайт, 2017.— 265с.— (Бакалавр. Академический курс).— ISBN 978-5-534-02731-0.
Белоконь Н. И.Основные принципы термодинамики.— М.: Недра, 1968.— 112с.
Белонучкин В. Е.[libgen.io/book/index.php?md5=a2ce612148aa541d39a2f286713359b6 Краткий курс термодинамики].— 2-е.— М.: МФТИ, 2010.— 164с.— ISBN 978-5-7417-0337-3.
Борщевский А. Я.[www.libgen.io/book/index.php?md5=A5B4FC1FCDA96540A34A61CBFEB2DD8D Физическая химия. Том 1 online. Общая и химическая термодинамика].— М.: Инфра-М, 2017.— 868с.— (Высшее образование: Бакалавриат).— ISBN 978-5-16-104227-4.(недоступная ссылка)
Бэр Г. Д.Техническая термодинамика.— М.: Мир, 1977.— 519с.
Герасимов Я. И., Древинг В. П., Еремин Е. Н. и др.Курс физической химии/Под общ. ред. Я. И. Герасимова.— 2-е изд.— М.: Химия, 1970.— Т.I.— 592с.
Гамеева О. С.Физическая и коллоидная химия.— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Высшая школа, 1969.— 408с.
Горшков В. С., Савельев В. Г., Федоров Н. Ф.Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений.— М.: Высшая школа, 1988.— 400с.— ISBN 5-06-001389-8.
Гуров К. П.Феноменологическая термодинамика необратимых процессов: Физические основы.— М.: Наука, 1978.— 128с.
Гухман А. А.Об основаниях термодинамики.— 2-е изд., испр.— М.: Изд-во ЛКИ, 2010.— 384с.— ISBN 978-5-382-01105-9.
Залевски К.Феноменологическая и статистическая термодинамика: Краткий курс лекций/Пер. с польск. под. ред. Л. А. Серафимова.— М.: Мир, 1973.— 168с.
Квасников И. А.Термодинамика и статистическая физика.— 2-е изд.— М.: Едиториал УРСС, 2002.— Т.1. Термодинамика.— 238с.— ISBN 5-354-00077-7.
Козлов В. В.,.Ансамбли Гиббса и неравновесная статистическая механика.— М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2008.— 205с.— ISBN 978-5-93972-645-0.
Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М.Статистическая физика. Часть 1.— 5-е изд.— М.: Физматлит, 2002.— 616с.— (Теоретическая физика в 10 томах. Том 5).— ISBN 5-9221-0054-8.
Магаев О. В., Минакова Т. С., Цыро Л. В.Основы химической термодинамики.— Томск: ИД Томск. гос. ун-та, 2017.— 208с.— ISBN 978-5-94621-652-4.
Мюнстер А.Химическая термодинамика.— М.: Мир, 1971.— 296с.
Новиков И. И.Термодинамика.— М.: Машиностроение, 1984.— 592с.
Петров Н., Бранков Й.Современные проблемы термодинамики.— Пер. с болг.— М.: Мир, 1986.— 287с.
Полянин А. Д., Полянин В. Д., Попов В. А. и др.Краткий справочник для инженеров и студентов.— М.: Международная программа образования, 1996.— 432с.— ISBN 5-7753-0001-7.
Поулз Д.Отрицательные абсолютные температуры и температуры во вращающихся системах координат(рус.)// Успехи физических наук.— 1964.— Т. 84, № 4.— С. 693—713.
Пригожин И., Кондепуди Д.Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур/Пер. с англ.— М.: Мир, 2002.— 461с.— (Лучший зарубежный учебник).— ISBN 5-03-003538-9.
Путилов К. А.Термодинамика/Отв. ред. М. Х. Карапетьянц.— М.: Наука, 1971.— 376с.
Сивухин Д. В.Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика.— 5-е изд., испр.— М.: Физматлит, 2005.— 544с.— ISBN 5-9221-0601-5.
Скаков С. В.Техническая термодинамика.— Липецк: [[Липецкий государственный
Сторонкин А. В.Термодинамика гетерогенных систем. Части 1 и 2.— М.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1967.— 448с.
Сычёв В. В.Сложные термодинамические системы.— 5-е изд., перераб. и доп..— М.: Издательский дом МЭИ, 2009.— 296с.— ISBN 978-5-383-00418-0.
Тамм М. Е., Третьяков Ю. Д.Неорганическая химия. Том 1. Физико-химические основы неорганической химии/Под. ред. акад. Ю. Д. Третьякова.— М.: Академия, 2004.— 240с.— (Высшее профессиональное образование).— ISBN 5-7695-1446-9.
[www.libgen.io/book/index.php?md5=F0DD1E2241DFA869DADAFFD4614905AC Термодинамика. Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин]/Отв. ред. И. И. Новиков.— АН СССР. Комитет научно-технической терминологии. Сборник определений. Вып. 103.— М.: Наука, 1984.— 40с.(недоступная ссылка)
Франк-Каменецкий Д. А.[www.libgen.io/book/index.php?md5=1A435B147BD48B0E7B10BD3C75BE7543 Лекции по физике плазмы].— 2-е.— М.: Атомиздат, 1968.— 287с.(недоступная ссылка)
Эткинс П., де Паула Дж.Физическая химия. В 3-х частях. Часть 1. Равновесная термодинамика.— М.: Мир, 2007.— 495с.— (Лучший зарубежный учебник).— ISBN 5-03-003786-1.
Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.