Uvod. Predmet toplotne tehnike. Osnovni pojmovi i definicije. Termodinami?ki sistem. Opcije statusa. Temperatura. Pritisak. Specifi?an volumen. Jedna?ina stanja. Van der Waalsova jednad?ba .

Odnos izme?u jedinica:

1 bar = 10 5 Pa

1 kg / cm 2 (atmosfera) \u003d 9,8067 10 4 Pa

1mmHg st (milimetar ?ive) = 133 Pa

1 mm w.c. Art. (milimetar vodenog stupca) = 9,8067 Pa

Gustina - odnos mase supstance i zapremine koju zauzima.

Specifi?an volumen - recipro?na vrednost gustine, tj. odnos zapremine koju zauzima supstanca i njene mase.

definicija: Ako se barem jedan od parametara bilo kojeg tijela koje ulazi u sistem promijeni u termodinami?kom sistemu, onda termodinami?ki proces .

Osnovni termodinami?ki parametri stanja P, V, T homogena tijela zavise jedno od drugog i me?usobno su povezana jednad?bom stanja:

F(P, V, T)

Za idealan gas, jedna?ina stanja se pi?e kao:

P- pritisak

v- specifi?na zapremina

T- temperatura

R- gasna konstanta (svaki gas ima svoju vrednost)

Ako je jednad?ba stanja poznata, onda je za odre?ivanje stanja najjednostavnijih sistema dovoljno poznavati dvije nezavisne varijable iz 3

P \u003d f1 (v, t); v = f2 (P, T); T = f3(v, P).

Termodinami?ki procesi se ?esto prikazuju na grafovima stanja, gdje su parametri stanja iscrtani du? osa. Ta?ke na ravni takvog grafika odgovaraju odre?enom stanju sistema, linije na grafu odgovaraju termodinami?kim procesima koji prenose sistem iz jednog stanja u drugo.

Razmotrimo termodinami?ki sistem koji se sastoji od jednog tijela nekog plina u posudi s klipom, a posuda i klip su u ovom slu?aju vanjsko okru?enje.

Neka se, na primjer, plin u posudi zagrije, mogu?a su dva slu?aja:

1) Ako je klip fiksiran i volumen se ne mijenja, tada ?e do?i do pove?anja tlaka u posudi. Takav proces se zove izohorni(v = const) radi konstantnom zapreminom;

Rice. 1.1. Izohorni procesi u P-T koordinate: v1 >v2 >v3

2) Ako je klip slobodan, tada ?e se zagrijani plin ?iriti, pri konstantnom pritisku, ovaj proces se naziva izobari?an (P= const), radi konstantnog pritiska.

Rice. 1.2 Izobarski procesi u v - T koordinate: P1>P2>P3

Ako pomeranjem klipa promenite zapreminu gasa u posudi, tada ?e se promeniti i temperatura gasa, me?utim, hla?enjem posude tokom kompresije gasa i zagrevanjem tokom ekspanzije mo?ete posti?i da temperatura bude biti konstantan sa promenama zapremine i pritiska, takav proces se naziva izotermni (T= const).

Rice. 1.3 Izotermi?ki procesi u P-v koordinate: T 1 >T 2 >T 3

Proces u kome nema razmene toplote izme?u sistema i okoline naziva se adijabatski, dok koli?ina toplote u sistemu ostaje konstantna ( Q= const). U stvarnom ?ivotu adijabatski procesi ne postoje, jer nije mogu?e potpuno izolovati sistem od okoline. Me?utim, ?esto se javljaju procesi u kojima je razmjena topline s okolinom vrlo mala, na primjer, brzo kompresija plina u posudi klipom, kada toplina nema vremena da se ukloni zbog zagrijavanja klipa i posude.

Rice. 1.4 Pribli?an grafikon adijabatskog procesa u P-v koordinate.

Definicija: kru?ni proces (ciklus) - je skup procesa koji vra?aju sistem u prvobitno stanje. Broj odvojenih procesa mo?e biti bilo koji broj u petlji.

Koncept kru?nog procesa je za nas klju?an u termodinamici, budu?i da se rad nuklearne elektrane zasniva na ciklusu para-voda, drugim rije?ima, mo?emo uzeti u obzir isparavanje vode u jezgru (AZ), rotaciju rotora turbine parom, kondenzacija pare i protok vode u jezgro kao neka vrsta zatvorenog termodinami?kog procesa ili ciklusa.

Definicija: Radno tijelo - odre?ena koli?ina supstance koja, u?estvuju?i u termodinami?kom ciklusu, obavlja koristan rad. Radni fluid u reaktorskom postrojenju RBMK je voda, koja nakon isparavanja u jezgru u obliku pare obavlja rad u turbini, rotiraju?i rotor.

definicija: Prijenos energije u termodinami?kom procesu s jednog tijela na drugo, povezan s promjenom zapremine radnog fluida, njegovim kretanjem u vanjskom prostoru ili promjenom njegovog polo?aja naziva se procesni rad .

Termodinami?ki sistem

Tehni?ka termodinamika (t/d) razmatra zakone me?usobne transformacije topline u rad. Ustanovljava odnos izme?u termi?kih, mehani?kih i hemijskih procesa koji se de?avaju u termi?kim i rashladnim ma?inama, prou?ava procese koji se de?avaju u gasovima i parama, kao i svojstva ovih tela u razli?itim fizi?kim uslovima.

Termodinamika se zasniva na dva osnovna zakona (po?etka) termodinamike:

I zakon termodinamike- zakon transformacije i odr?anja energije;

II zakon termodinamike- uspostavlja uslove za tok i pravac makroskopskih procesa u sistemima koji se sastoje od velikog broja ?estica.

Tehni?ki t/d, primjenom osnovnih zakona na procese pretvaranja topline u mehani?ki rad i obrnuto, omogu?ava razvijanje teorija toplotnih motora, prou?avanje procesa koji se u njima odvijaju itd.

Predmet studije je termodinami?ki sistem, koji mo?e biti grupa tijela, tijelo ili dio tijela. Ono ?to je izvan sistema zove se okru?enje. T/D sistem je skup makroskopskih tijela koja razmjenjuju energiju jedno s drugim i sa okolinom. Na primjer: t/d sistem - plin se nalazi u cilindru sa klipom, a okolina - cilindar, klip, zrak, zidovi prostorije.

izolovani sistem - t/d sistem koji nije u interakciji sa okolinom.

Adijabatski (toplinski izolovani) sistem - sistem ima adijabatsku ljusku, koja isklju?uje razmjenu topline (razmjenu topline) sa okolinom.

homogeni sistem - sistem koji ima isti sastav i fizi?ka svojstva u svim svojim dijelovima.

homogeni sistem - homogen sistem po sastavu i fizi?koj strukturi, unutar kojeg nema me?usklopa (led, voda, gasovi).

heterogeni sistem - sistem koji se sastoji od vi?e homogenih delova (faza) sa razli?itim fizi?kim svojstvima, odvojenih jedan od drugog vidljivim interfejsom (led i voda, voda i para).
U toplotnim motorima (motorima) mehani?ki rad se obavlja uz pomo? radnih fluida - gasa, pare.

Svojstva svakog sistema karakteri?e niz veli?ina, koje se obi?no nazivaju termodinami?kim parametrima. Razmotrimo neke od njih, koriste?i molekularno-kineti?ke koncepte poznate iz kursa fizike o idealnom gasu kao skupu molekula koje imaju nestaju?e male veli?ine, nalaze se u nasumi?nom toplotnom kretanju i me?usobno deluju samo tokom sudara.

Pritisak nastaje zbog interakcije molekula radnog fluida s povr?inom i numeri?ki je jednak sili koja djeluje na jedini?nu povr?inu tijela du? normale na potonju. U skladu s molekularno kineti?kom teorijom, tlak plina je odre?en relacijom

Gdje n je broj molekula po jedinici zapremine;

t je masa molekula; od 2 je srednja kvadratna brzina translacionog kretanja molekula.

U Me?unarodnom sistemu jedinica (SI), pritisak se izra?ava u paskalima (1 Pa = 1 N/m2). Budu?i da je ova jedinica mala, pogodnije je koristiti 1 kPa = 1000 Pa i 1 MPa = 10 6 Pa.

Pritisak se mjeri pomo?u manometara, barometara i vakuum mjera?a.

Manometri za te?nost i opruge mjere manometarski tlak, koji je razlika izme?u ukupnog ili apsolutnog tlaka. R izmjereni srednji i atmosferski pritisak

str bankomat, tj.

Ure?aji za mjerenje tlakova ispod atmosferskog nazivaju se vakuum mjera?i; njihova o?itavanja daju vrijednost vakuuma (ili vakuuma):

tj. vi?ak atmosferskog pritiska nad apsolutnim pritiskom.

Imajte na umu da je parametar stanja apsolutni pritisak. To je ono ?to ulazi u termodinami?ke jedna?ine.

temperaturanazvana fizi?ka veli?ina karakteri?e stepen zagrevanja tela. Koncept temperature proizlazi iz sljede?e tvrdnje: ako su dva sistema u termi?kom kontaktu, onda ako njihove temperature nisu jednake, oni ?e me?usobno razmjenjivati toplinu, ali ako su im temperature jednake, onda ne?e biti izmjene topline.

Sa stanovi?ta molekularno-kineti?kih koncepata, temperatura je mjera intenziteta toplinskog kretanja molekula. Njegova numeri?ka vrijednost povezana je s vrijedno??u prosje?ne kineti?ke energije molekula tvari:

gdje k da li je Boltzmannova konstanta jednaka 1,380662,10? 23 J/K. Ovako definirana temperatura T naziva se apsolutna.

U sistemu SI, jedinica temperature je kelvin (K); u praksi se ?iroko koristi stepen Celzijus (°C). Odnos izme?u apsolutnih T i Celzijus I temperature ima oblik

U industrijskim i laboratorijskim uslovima temperatura se meri pomo?u termometara za te?nost, pirometara, termoparova i drugih instrumenata.

Specifi?an volumen v— je zapremina po jedinici mase supstance. Ako je homogeno tijelo mase M zauzima zapreminu v, onda po definiciji

v= V/M.

U SI sistemu jedinica specifi?ne zapremine je 1 m 3 /kg. Postoji o?igledan odnos izme?u specifi?ne zapremine supstance i njene gustine:

Da bismo uporedili veli?ine koje karakteri?u sisteme u istim stanjima, uvodi se koncept "normalnih fizi?kih uslova":

str= 760 mmHg = 101,325 kPa; T= 273,15 K.

U razli?itim granama tehnologije i razli?itim zemljama uvode svoje, ne?to druga?ije od gore navedenih "normalnih uslova", na primjer, "tehni?ke" ( str= 735,6 mmHg = 98 kPa, t= 15°C) ili normalni uslovi za procenu performansi kompresora ( str= 101,325 kPa, t\u003d 20? C), itd.

Ako su svi termodinami?ki parametri konstantni u vremenu i isti u svim ta?kama sistema, onda se ovo stanje sistema naziva balansirana opruga.

Ako postoje razlike u temperaturi, pritisku i drugim parametrima izme?u razli?itih ta?aka u sistemu, onda jeste neravnote?a. U takvom sistemu, pod uticajem gradijenata parametara, nastaju tokovi toplote, supstanci i drugih, koji te?e da ga vrate u stanje ravnote?e. Iskustvo to pokazuje izolovani sistem uvek dolazi u stanje ravnote?e tokom vremena i nikada ne mo?e da iza?e iz njega spontano. U klasi?noj termodinamici razmatraju se samo ravnote?ni sistemi.

Jedna?ina stanja. Za ravnote?ni termodinami?ki sistem postoji funkcionalni odnos izme?u parametara stanja, koji se naziva jedna?ina stanja. Iskustvo pokazuje da su specifi?na zapremina, temperatura i pritisak najjednostavnijih sistema, a to su gasovi, pare ili te?nosti, povezani termi?ka jedna?ina pogledajte stanje:

Jedna?ina stanja mo?e dobiti drugi oblik:

Ove jedna?ine pokazuju da su od tri glavna parametra koja odre?uju stanje sistema, bilo koja dva nezavisna.

Za rje?avanje problema termodinami?kim metodama apsolutno je neophodno poznavati jedna?inu stanja. Me?utim, on se ne mo?e dobiti u okviru termodinamike i mora se prona?i bilo eksperimentalno ili metodama statisti?ke fizike. Specifi?an oblik jedna?ine stanja zavisi od individualnih svojstava supstance.

Termodinamika je nauka koja prou?ava toplotne fenomene koji se de?avaju u tijelima ne dovode?i ih u vezu s molekularnom strukturom materije.

U termodinamici se to smatra sve termi?ke procese u telima karakteri?u samo makroskopski parametri- pritisak, zapreminu i temperaturu. A budu?i da se ne mogu primijeniti na pojedina?ne molekule ili atome, tada se, za razliku od molekularno-kineti?ke teorije, u termodinamici ne uzima u obzir molekularna struktura tvari u toplinskim procesima.

Svi koncepti termodinamike su formulisani kao generalizacija ?injenica uo?enih tokom eksperimenata. Zbog toga se naziva fenomenolo?ka (deskriptivna) teorija topline.

Termodinami?ki sistemi

Termodinamika opisuje termi?ke procese koji se de?avaju u makroskopskim sistemima. Takvi sistemi se sastoje od ogromnog broja ?estica - molekula i atoma, a nazivaju se termodinami?kim.

termodinami?ki sistem mo?e se smatrati svaki predmet koji se mo?e vidjeti golim okom ili uz pomo? mikroskopa, teleskopa i drugih opti?kih instrumenata. Najva?nije je da dimenzije sistema u prostoru i vreme njegovog postojanja omogu?avaju merenje njegovih parametara - temperature, pritiska, mase, hemijskog sastava elemenata itd., koriste?i instrumente koji ne reaguju na uticaj pojedina?ni molekuli (manometri, termometri, itd.).

Za hemi?are, termodinami?ki sistem je me?avina hemikalija koje me?usobno deluju tokom hemijske reakcije. Astrofizi?ari ?e takav sistem nazvati nebeskim tijelom. Me?avina goriva i vazduha u automobilskom motoru, globus, na?e telo, olovka za pisanje, sveska, alatna ma?ina itd. su tako?e termodinami?ki sistemi.

Svaki termodinami?ki sistem je odvojen od okoline granicama. One mogu biti stvarne - staklene stijenke epruvete s kemikalijom, tijelo cilindra u motoru itd. I mogu biti uslovne, kada, na primjer, prou?avaju nastanak oblaka u atmosferi.

Ako takav sistem ne razmjenjuje ni energiju ni materiju sa okolinom, onda se naziva izolovan ili zatvoreno .

Ako sistem razmjenjuje energiju sa vanjskim okru?enjem, ali ne razmjenjuje materiju, onda se naziva zatvoreno .

otvoreni sistem razmenjuje energiju i materiju sa okolinom.

Termodinami?ka ravnote?a

Ovaj koncept se tako?er uvodi u termodinamiku kao generalizacija eksperimentalnih rezultata.

Termodinami?ka ravnote?a naziva se takvo stanje sistema u kojem se sve njegove makroskopske veli?ine - temperatura, pritisak, zapremina i entropija - ne mijenjaju u vremenu ako je sistem izolovan. Svaki zatvoreni termodinami?ki sistem mo?e spontano prije?i u takvo stanje ako svi vanjski parametri ostanu konstantni.

Najjednostavniji primjer sistema u termodinami?koj ravnote?i je termos sa toplim ?ajem. Temperatura u njemu je ista u bilo kojoj ta?ki te?nosti. Iako se termos mo?e nazvati izolovanim sistemom samo pribli?no.

Svaki zatvoreni termodinami?ki sistem spontano te?i da u?e u termodinami?ku ravnote?u ako se vanjski parametri ne mijenjaju.

Termodinami?ki proces

Ako se barem jedan od makroskopskih parametara promijeni, onda ka?u da je sistem termodinami?ki proces . Takav proces mo?e nastati ako se vanjski parametri promijene ili sistem po?ne primati ili prenositi energiju. Kao rezultat, prelazi u drugo stanje.

Razmotrimo primjer ?aja u termosici. Ako umo?imo komad leda u ?aj i zatvorimo termosicu, odmah ?e do?i do razlike u temperaturi u razli?itim dijelovima teku?ine. Te?nost u termosici ?e te?iti da izjedna?i temperature. Iz podru?ja s vi?om temperaturom, toplina ?e se prenositi tamo gdje je temperatura ni?a. Odnosno, desi?e se termodinami?ki proces. Na kraju ?e temperatura ?aja u termosici ponovo postati ista. Ali ve? ?e se razlikovati od po?etne temperature. Stanje sistema se promenilo jer se promenila njegova temperatura.

Termodinami?ki proces nastaje kada se pijesak zagrijan na pla?i tokom vru?eg dana ohladi no?u. Do jutra mu temperatura pada. Ali ?im sunce iza?e, proces grijanja ?e po?eti ponovo.

Unutra?nja energija

Jedan od glavnih pojmova termodinamike je unutra?nja energija .

Sva makroskopska tijela imaju unutra?nju energiju, koja je zbir kineti?ke i potencijalne energije svih ?estica (atoma i molekula) koje ?ine tijelo. Ove ?estice djeluju samo jedna na drugu i ne stupaju u interakciju s ?esticama okoline. Unutra?nja energija zavisi od kineti?ke i potencijalne energije ?estica i ne zavisi od polo?aja samog tela.

U = E k + E p

Unutra?nja energija se mijenja sa temperaturom. Teorija molekularne kinetike to obja?njava promjenom brzine kretanja ?estica materije. Ako temperatura tijela raste, tada se pove?ava brzina kretanja ?estica, udaljenost izme?u njih postaje ve?a. Posljedi?no se pove?ava njihova kineti?ka i potencijalna energija. Kada temperatura padne, dolazi do obrnutog procesa.

Za termodinamiku nije va?nija vrijednost unutra?nje energije, ve? njena promjena. A unutra?nju energiju mo?ete promijeniti pomo?u procesa prijenosa topline ili mehani?kim radom.

Promjena unutra?nje energije mehani?kim radom

Benjamin Rumford

Unutra?nja energija tijela mo?e se promijeniti mehani?kim radom na njemu. Ako se rad vr?i na tijelu, tada se mehani?ka energija pretvara u unutra?nju energiju. A ako tijelo obavlja rad, tada se njegova unutra?nja energija pretvara u mehani?ku energiju.

Gotovo do kraja 19. vijeka vjerovalo se da postoji nemjerljiva supstanca - kalori?na, koja prenosi toplinu s tijela na tijelo. ?to vi?e kalorija ulazi u tijelo, to ?e biti toplije, i obrnuto.

Me?utim, 1798. godine angloameri?ki nau?nik grof Benjamin Rumford po?eo je sumnjati u teoriju kalorija. Razlog tome je zagrijavanje cijevi topova tokom bu?enja. On je sugerisao da je uzrok zagrijavanja mehani?ki rad koji se vr?i prilikom trenja svrdla o bure.

I Rumford je napravio eksperiment. Da bi pove?ali silu trenja, uzeli su tupu bu?ilicu, a sama cijev je stavljena u ba?vu s vodom. Do kraja tre?eg sata bu?enja voda u buretu je po?ela da klju?a. To je zna?ilo da je cijev dobivala toplinu kada se na njoj vr?io mehani?ki rad.

Prijenos topline

prijenos topline naziva se fizi?ki proces prijenosa toplinske energije (toplote) s jednog tijela na drugo, bilo direktnim kontaktom ili kroz razdjelnu pregradu. Toplota se po pravilu prenosi sa toplijeg tijela na hladnije. Ovaj proces se zavr?ava kada sistem do?e u stanje termodinami?ke ravnote?e.

Energija koju tijelo prima ili odaje tokom prijenosa topline naziva se koli?inu toplote .

Prema na?inu prijenosa topline prijenos topline se mo?e podijeliti u 3 vrste: toplotna provodljivost, konvencija, toplotno zra?enje.

Toplotna provodljivost

Ako postoji temperaturna razlika izme?u tijela ili dijelova tijela, tada ?e se izme?u njih dogoditi proces prijenosa topline. toplotna provodljivost naziva proces prijenosa unutra?nje energije sa vi?e zagrijanog tijela (ili njegovog dijela) na manje zagrijano tijelo (ili njegov dio).

Na primjer, zagrijavanjem jednog kraja ?eli?ne ?ipke na vatri, nakon nekog vremena osjetit ?emo da se i njen drugi kraj zagrije.

Staklenu ?ipku, ?iji je jedan kraj vru?, lako dr?imo za drugi kraj, a da se ne ope?emo. Ali ako poku?amo napraviti isti eksperiment sa ?eljeznom ?ipkom, ne?emo uspjeti.

Razli?ite tvari razli?ito provode toplinu. Svaki od njih ima svoje koeficijent toplotne provodljivosti, ili provodljivost, numeri?ki jednak koli?ini topline koja prolazi kroz uzorak debljine 1 m, povr?ine 1 m 2 u 1 sekundi. 1 K se uzima kao jedinica temperature.

Metali najbolje provode toplotu. To je njihovo svojstvo koje koristimo u svakodnevnom ?ivotu, kuhaju?i u metalnim loncima ili tavama. Ali njihove ru?ke ne bi trebale da se zagreju. Zbog toga su napravljeni od materijala sa slabom toplotnom provodljivo??u.

Toplotna provodljivost te?nosti je manja. A plinovi imaju slabu toplinsku provodljivost.

?ivotinjsko krzno je tako?e lo? provodnik toplote. Zahvaljuju?i tome, ne pregrijavaju se na vru?em vremenu i ne smrzavaju se po hladnom vremenu.

konvencija

Konvencionalno, toplota se prenosi mlazovima i tokovima gasa ili te?nosti. Ne postoji konvencija u ?vrstim materijama.

Kako nastaje konvencija u te?nosti? Kada stavite kotli? s vodom na vatru, donji sloj teku?ine se zagrijava, gusto?a mu se smanjuje, pomi?e se prema gore. Njegovo mjesto zauzima hladniji sloj vode. Nakon nekog vremena, tako?er ?e se zagrijati i zamijeniti mjesta hladnijim slojem. itd.

Sli?an proces se de?ava i u gasovima. Nije slu?ajno ?to su baterije za grijanje postavljene na dnu prostorije. Na kraju krajeva, zagrijani zrak se uvijek di?e do vrha prostorije. A donji, hladni, naprotiv, pada. Zatim se tako?e zagreva i ponovo di?e, dok se gornji sloj za to vreme hladi i tone.

Konvencija je prirodna i iznu?ena.

Prirodna konvencija se stalno odvija u atmosferi. Kao rezultat toga, dolazi do stalnih kretanja toplih zra?nih masa prema gore, a hladnih - prema dolje. Rezultat su vjetar, oblaci i drugi prirodni fenomeni.

Kada prirodna konvencija nije dovoljna, koristim prisilnu konvenciju. Na primjer, topli zrak struji u prostoriji uz pomo? lopatica ventilatora.

termi?ko zra?enje

Sunce greje zemlju. Ne postoji prijenos topline ili konvencija. Pa za?to se tijela zagrijavaju?

?injenica je da je Sunce izvor toplotnog zra?enja.

termi?ko zra?enje je elektromagnetno zra?enje koje nastaje zbog unutra?nje energije tijela. Sva tela oko nas zra?e toplotnu energiju. To mo?e biti vidljivo svjetlo iz stolne lampe ili izvori nevidljivih ultraljubi?astih, infracrvenih ili gama zraka.

Ali tijela ne zra?e samo toplinu. Oni ga tako?e konzumiraju. Neki u ve?oj mjeri, drugi u manjoj mjeri. ?tavi?e, tamna tijela se zagrijavaju i hlade br?e od svijetlih. Po vru?em vremenu trudimo se da nosimo ode?u svetlih boja, jer ona manje upija toplotu od ode?e tamne boje. Automobil tamne boje zagreva se na suncu mnogo br?e od automobila svetle boje koji stoji pored njega.

Ovo svojstvo supstanci da apsorbuju i zra?e toplotu na razli?ite na?ine koristi se u kreiranju sistema za no?no osmatranje, sistema za navo?enje projektila, itd.

Termodinami?ki sistem je svaki fizi?ki sistem koji se sastoji od velikog broja ?estica - atoma i molekula koji izvode beskona?no toplotno kretanje i, u interakciji jedni s drugima, razmjenjuju energije. Takvi termodinami?ki sistemi, i, ?tavi?e, najjednostavniji su gasovi ?iji molekuli vr?e nasumi?no translaciono i rotaciono kretanje i razmenjuju kineti?ke energije tokom sudara. Termodinami?ki sistemi su tako?e ?vrsti

i te?ne supstance. Molekuli ?vrstih materija prave nasumi?ne vibracije oko svojih ravnote?nih polo?aja; do razmjene energije izme?u molekula dolazi zbog njihove kontinuirane interakcije, zbog ?ega se pomicanje jednog molekula iz njegovog ravnote?nog polo?aja odmah odra?ava na lokaciju i brzinu kretanja srednjih molekula. Po?to je prose?na energija toplotnog kretanja molekula, prema formulama (1.7) i (1.8), povezana sa temperaturom, temperatura je najva?nija fizi?ka veli?ina koja karakteri?e razli?ita stanja termodinami?kih sistema. Pored temperature, stanja takvih sistema su odre?ena i zapreminom koju zauzimaju i spolja?njim pritiskom ili spoljnim silama koje deluju na sistem.

Va?no svojstvo termodinami?kih sistema je postojanje ravnote?nih stanja u kojima oni mogu ostati proizvoljno dugo vremena. Ako se termodinami?ki sistem, koji je u jednom od ravnote?nih stanja, podvrgne nekom vanjskom dejstvu, a zatim prekine, sistem spontano prelazi u novo ravnote?no stanje. Me?utim, treba naglasiti da je tendencija prelaska u ravnote?no stanje uvijek i kontinuirana, ?ak i za vrijeme kada je sistem izlo?en vanjskim utjecajima. Ova tendencija ili, ta?nije, stalno postojanje procesa koji vode do postizanja ravnote?nih stanja je najva?nija karakteristika termodinami?kih sistema.

Za gas koji se nalazi u odre?enoj posudi, ravnote?no stanje je ono u kojem su temperatura, pritisak i gustina (ili broj molekula po jedinici zapremine) unutar zapremine gasa svuda isti. Ako na nekom mjestu ove zapremine do?e do lokalnog grijanja ili kompresije, tada ?e u sistemu zapo?eti proces izjedna?avanja temperature i pritiska; ovaj proces ?e se nastaviti sve dok postoji spoljni uticaj, me?utim, tek po prestanku tog uticaja, proces izjedna?avanja ?e dovesti sistem u novo ravnote?no stanje.

Stanja izolovanih termodinami?kih sistema, koja, uprkos odsustvu spolja?njih uticaja, ne traju kona?an vremenski period, nazivaju se neravnote?nim. Sistem, u po?etku u neravnote?nom stanju, na kraju prelazi u stanje ravnote?e. Vrijeme prijelaza iz neravnote?nog stanja u stanje ravnote?e naziva se vrijeme relaksacije. Obrnuti prijelaz iz ravnote?nog u neravnote?no stanje mo?e se izvr?iti uz pomo? vanjskih utjecaja na sistem. Neravnote?a je, posebno, stanje sistema sa razli?itim temperaturama na razli?itim mestima; izjedna?avanje temperature u gasovima, ?vrstim materijama i te?nostima je prelazak ovih tela u ravnote?no stanje sa istom temperaturom unutar zapremine tela. Drugi primjer neravnote?nog stanja mo?e se dati razmatranjem dvofaznih sistema koji se sastoje od teku?ine i njene pare. Ako se iznad povr?ine te?nosti u zatvorenoj posudi nalazi nezasi?ena para, tada je stanje sistema neravnote?no: broj molekula koji se emituju iz te?nosti u jedinici vremena ve?i je od broja

molekuli koji se za isto vreme vra?aju iz pare u te?nost. Kao rezultat toga, s vremenom se broj molekula u stanju pare pove?ava (tj. pove?ava se gustina pare) sve dok se ne uspostavi ravnote?no stanje sa

Prijelaz iz neravnote?nog stanja u ravnote?no stanje se u ve?ini slu?ajeva odvija kontinuirano, a brzina ovog prijelaza mo?e se nesmetano kontrolirati uz pomo? odgovaraju?eg vanjskog utjecaja, ?ine?i proces opu?tanja ili vrlo brzim ili vrlo sporim. Tako, na primjer, mehani?ko mije?anje mo?e zna?ajno pove?ati brzinu izjedna?avanja temperature u teku?inama ili plinovima; hla?enjem te?nosti mogu?e je proces difuzije u njoj rastvorene supstance u?initi veoma sporim itd.

Za neke sisteme postoje takva stanja, koja se nazivaju metastabilna, u kojima ovi sistemi mogu biti relativno dugo, ali ?im se na sistem izvr?i spoljni uticaj odre?ene prirode, dolazi do spontanog naglog prelaska u ravnote?no stanje. . U tim slu?ajevima spolja?nje delovanje samo otvara mogu?nost prelaska u ravnote?no stanje. Na primjer, dovoljno ?ista voda sa sporim dovodom topline mo?e se zagrijati na temperaturu nekoliko stupnjeva iznad ta?ke klju?anja. Ovo stanje vode je metastabilno; ako takvu vodu protresete (ili unesete mali broj ?estica pra?ine - centara stvaranja mjehuri?a pare), ona proklju?a eksplozijom i njena temperatura naglo pada do ta?ke klju?anja. Dakle, metastabilno stanje karakteri?e ?injenica da kada napusti ovo stanje, sistem ne samo da se u njega ne vra?a, ve? se, naprotiv, jo? vi?e udaljava od njega, naglo prelaze?i u ravnote?no stanje koje postoji za ovaj sistem. .

Termodinamika je nauka koja prou?ava op?te obrasce toka procesa pra?enih osloba?anjem, apsorpcijom i transformacijom energije. Hemijska termodinamika prou?ava me?usobne transformacije hemijske energije i njenih drugih oblika – toplotne, svetlosne, elektri?ne, itd., uspostavlja kvantitativne zakone ovih prelaza, a tako?e omogu?ava predvi?anje stabilnosti supstanci u datim uslovima i njihove sposobnosti da u?u. u odre?ene hemijske reakcije. Predmet termodinami?kog razmatranja naziva se termodinami?ki sistem ili jednostavno sistem.

Sistem- bilo koji predmet prirode, koji se sastoji od velikog broja molekula (strukturnih jedinica) i odvojen od drugih objekata prirode realnom ili imaginarnom grani?nom povr?inom (interfejsom).

Stanje sistema je skup svojstava sistema koji omogu?avaju definisanje sistema sa ta?ke gledi?ta termodinamike.

Vrste termodinami?kih sistema:

I. Po prirodi razmene materije i energije sa okolinom:

1. Izolovani sistem - ne razmenjuje materiju ili energiju sa okolinom (Dm = 0; DE = 0) - termos.

2. Zatvoreni sistem - ne razmjenjuje materiju sa okolinom, ali mo?e razmjenjivati energiju (zatvorena boca sa reagensima).

3. Otvoreni sistem - mo?e da razmenjuje sa okolinom, kako materiju tako i energiju (ljudsko telo).

II. Prema agregatnom stanju:

1. Homogena - odsustvo o?trih promjena fizi?kih i hemijskih svojstava tokom prelaska iz jednog podru?ja sistema u drugo (sastoje se od jedne faze).

2. Heterogeni - dva ili vi?e homogenih sistema u jednom (sastoji se od dvije ili vi?e faza).

Faza- ovo je dio sistema, homogen u svim ta?kama sastava i svojstava i odvojen od ostalih dijelova sistema interfejsom. Primjer homogenog sistema je vodeni rastvor. Ali ako je rastvor zasi?en i na dnu posude postoje kristali soli, onda je sistem koji se razmatra heterogen (postoji granica faze). Obi?na voda je jo? jedan primjer homogenog sistema, ali voda sa ledom koji pluta u njoj je heterogen sistem.

fazni prelaz- fazne transformacije (otapanje leda, klju?anje vode).

Termodinami?ki proces- prelazak termodinami?kog sistema iz jednog stanja u drugo, ?to je uvek povezano sa naru?avanjem ravnote?e sistema.

Klasifikacija termodinami?kih procesa:

7. Izotermno - konstantna temperatura - T = konst

8. Izobarski - konstantni pritisak - p = konst

9. Izohorna - konstantna zapremina - V = konst

standardno stanje je stanje sistema uslovno odabrano kao standard za pore?enje.

Za gasna faza- ovo je stanje hemijski ?iste supstance u gasnoj fazi pod standardnim pritiskom od 100 kPa (pre 1982. - 1 standardna atmosfera, 101.325 Pa, 760 mm ?ive), ?to implicira prisustvo svojstava idealnog gasa.

Za ?ista faza, smjesa ili rastvara? u teku?em ili ?vrstom agregacijskom stanju - ovo je stanje kemijski ?iste tvari u te?noj ili ?vrstoj fazi pod standardnim pritiskom.

Za rje?enje je stanje otopljene supstance sa standardnim molalitetom od 1 mol/kg, pod standardnim pritiskom ili standardnom koncentracijom, na osnovu uslova da je rastvor neograni?eno razbla?en.

Za hemijski ?ista supstanca je supstanca u dobro definisanom stanju agregacije pod dobro definisanim, ali proizvoljnim standardnim pritiskom.

U definiciji standardnog stanja nije uklju?ena standardna temperatura, iako se ?esto govori o standardnoj temperaturi, koja iznosi 25°C (298,15 K).

2.2. Osnovni pojmovi termodinamike: unutra?nja energija, rad, toplota

Unutra?nja energija U- ukupna rezerva energije, uklju?uju?i kretanje molekula, vibracije veza, kretanje elektrona, jezgara itd., tj. sve vrste energije osim kineti?ke i potencijalne energije sistema u celini.

Nemogu?e je odrediti vrijednost unutra?nje energije bilo kojeg sistema, ali je mogu?e odrediti promjenu unutra?nje energije DU koja se javlja u odre?enom procesu tokom prelaska sistema iz jednog stanja (sa energijom U 1) u drugo (sa energijom U 2):

DU zavisi od vrste i koli?ine supstance koja se razmatra i uslova njenog postojanja.

Ukupna unutra?nja energija produkta reakcije razlikuje se od ukupne unutra?nje energije polaznih materijala, jer tokom reakcije, elektronske ljuske atoma molekula u interakciji se preure?uju.

Termodinami?ki sistem- skup makroskopskih tijela koja mogu me?usobno djelovati i sa drugim tijelima (spoljna sredina) - s njima razmjenjivati energiju i materiju. Razmjena energije i materije mo?e se dogoditi kako unutar samog sistema izme?u njegovih dijelova, tako i izme?u sistema i vanjskog okru?enja. U zavisnosti od mogu?ih na?ina izolacije sistema od spolja?nje sredine, razlikuje se nekoliko tipova termodinami?kih sistema.

otvoreni sistem naziva se termodinami?ki sistem koji mo?e da razmenjuje materiju i energiju sa okolinom. Tipi?ni primjeri takvih sistema su svi ?ivi organizmi, kao i teku?ina, ?ija se masa kontinuirano smanjuje zbog isparavanja ili klju?anja.

Termodinami?ki sistem pozvao zatvoreno ako ne mo?e da razmenjuje ni energiju ni materiju sa okolinom. Zatvoreno sistem ?emo zvati termodinami?ki sistem izolovan mehani?ki, tj. nesposoban za razmjenu energije sa okolinom rade?i rad. Primjer takvog sistema je plin zatvoren u posudi konstantne zapremine. Termodinami?ki sistem se naziva adijabatski ako ne mo?e da razmenjuje energiju sa drugim sistemima razmenom toplote.

Termodinami?ki parametri (parametri stanja) nazivaju fizi?ke veli?ine koje slu?e za karakterizaciju stanja termodinami?kog sistema.

Primeri termodinami?kih parametara su pritisak, zapremina, temperatura, koncentracija. Postoje dvije vrste termodinami?kih parametara: opse?na i intenzivan. Prvi su proporcionalni koli?ini materije u datom termodinami?kom sistemu, a drugi ne zavise od koli?ine materije u sistemu. Najjednostavniji ekstenzivni parametar je volumen V sistemima. vrijednost v, jednak odnosu zapremine sistema i njegove mase, naziva se specifi?na zapremina sistema. Najjednostavniji intenzivni parametri su pritisak R i temperaturu T.

Pritisak je fizi?ka veli?ina

gdje dFn je modul normalne sile koja djeluje na malu povr?inu povr?ine tijela
rezervni dS.

Ako pritisak i specifi?na zapremina imaju jasno i jednostavno fizi?ko zna?enje, onda je koncept temperature mnogo slo?eniji i manje o?igledan. Prije svega, napominjemo da koncept temperature, striktno govore?i, ima smisla samo za ravnote?na stanja sistema.

Stanje ravnote?e termodinami?kog sistema- stanje sistema u kojem svi parametri imaju odre?ene vrijednosti i u kojem sistem mo?e ostati koliko god ?eli. Temperatura u svim dijelovima termodinami?kog sistema u ravnote?i je ista.

U razmjeni topline izme?u dva tijela s razli?itim temperaturama, toplota se prenosi sa tijela sa vi?om temperaturom na tijelo sa ni?om temperaturom. Ovaj proces prestaje kada se temperature oba tijela izjedna?e.

Temperatura sistema u ravnote?i slu?i kao mjera intenziteta toplotnog kretanja atoma, molekula i drugih ?estica koje formiraju sistem. U sistemu ?estica opisanom zakonima klasi?ne statisti?ke fizike iu ravnote?i, prosje?na kineti?ka energija toplotnog kretanja ?estica je direktno proporcionalna termodinami?koj temperaturi sistema. Stoga se ponekad ka?e da temperatura karakteri?e stepen zagrevanja tela.

Pri mjerenju temperature, koje se mo?e vr?iti samo indirektno, koristi se ovisnost o temperaturi niza fizi?kih svojstava tijela koja se mogu mjeriti direktno ili indirektno. Na primjer, kada se promijeni temperatura tijela, mijenjaju se njegova du?ina i volumen, gustina, elasti?na svojstva, elektri?ni otpor itd. Promjena bilo kojeg od ovih svojstava je osnova za mjerenje temperature. Za to je potrebno da za jedno (izabrano) tijelo, koje se zove termometri?ko tijelo, bude poznata funkcionalna ovisnost ovog svojstva od temperature. Za prakti?na mjerenja temperature koriste se temperaturne skale koje se uspostavljaju uz pomo? termometri?kih tijela. U Me?unarodnoj Celzijusnoj temperaturnoj skali, temperatura se izra?ava u stepenima Celzijusa (°C) [A. Celzijus (1701-1744) - ?vedski nau?nik] i ozna?ava se t, a pretpostavlja se da su pri normalnom pritisku od 1,01325 x 10 5 Pa ta?ke topljenja leda i klju?anja vode 0 odnosno 100 °C. U termodinami?koj temperaturnoj skali temperatura se izra?ava u Kelvinima (K) [W. Thomson, Lord Kelvin (1821-1907) - engleski fizi?ar], ozna?en T i naziva se termodinami?ka temperatura. Odnos termodinami?ke temperature T a temperatura na skali Celzijusa ima oblik T = t + 273,15.

Temperatura T= 0 K (na skali Celzijusa t\u003d -273,15 ° S) se zove apsolutna nula temperatura, ili nula na termodinami?koj temperaturnoj skali.

Parametri stanja sistema dijele se na eksterne i interne. Eksterni parametri sistemi su fizi?ke veli?ine koje zavise od polo?aja u prostoru i razli?itih svojstava (na primjer, elektri?nih naboja) tijela koja su van datog sistema. Na primjer, za gas, ovaj parametar je zapremina V plovilo,
u kojoj se nalazi plin, jer volumen zavisi od polo?aja vanjskih tijela - zidova posude. Atmosferski pritisak je spoljni parametar za te?nost u otvorenom sudu. Interni parametri sistemi se nazivaju fizi?ke veli?ine koje zavise kako od polo?aja tijela izvan sistema, tako i od koordinata i brzina ?estica koje ?ine ovaj sistem. Na primjer, unutra?nji parametri plina su njegov tlak i energija, koji ovise o koordinatama i brzinama molekula koje se kre?u i o gusto?i plina.

Ispod termodinami?ki proces razumjeti svaku promjenu u stanju termodinami?kog sistema koji se razmatra, a karakterizira promjena njegovih termodinami?kih parametara. Termodinami?ki proces se naziva ravnote?a, ako u ovom procesu sistem prolazi kroz kontinuirani niz beskona?no bliskih termodinami?ki ravnote?nih stanja. Realni procesi promjene stanja sistema uvijek se odvijaju kona?nom brzinom i stoga ne mogu biti u ravnote?i. O?igledno je, me?utim, da ?e stvarni proces promjene stanja sistema biti ?to je bli?i ravnote?i, ?to se sporije odvija, pa se takvi procesi nazivaju kvazistati?ki.

Sljede?i procesi mogu poslu?iti kao primjeri najjednostavnijih termodinami?kih procesa:

a) izotermni proces u kojem se temperatura sistema ne mijenja ( T= const);

b) izohori?ni proces koji se odvija pri konstantnoj zapremini sistema ( V= const);

c) izobari?ni proces koji se odvija pri konstantnom pritisku u sistemu ( str= const);

d) adijabatski proces koji se odvija bez razmjene toplote izme?u sistema i okoline.