Параметры состояния в термодинамике

Термодинамика. Лекция 1.

К.т.н. Прохоренко Н.Н.

Параметры состояния в термодинамике

И первый закон термодинамики.

 

Определение понятий.

Расчеты и их точность.

 

1.1.1. Физическая величина – категория мышления, характеризуется отвлеченным числом и наименованием. Отвлеченное число определяет количество, наименование – качество. И эти два понятия (количество и качество) для физической величины нераздельны.

Чтобы какая-то величина, характеристика стала физической, необходимо и достаточно, чтобы существовал способ ее измерения (сравнения с эталоном) или метод ее расчета.

Наименование физической величины еще называют размерностью. У физических величин 2⁰С, 2 км, 2 рубля – количество одинаково, а качество, физический смысл этого количества совсем разный.

1.1.2. Операции над физическими величинами.

Математики совершенно не задумываются о смысле, о качестве величин, над которыми они совершают свои действия, процедуры. Физик же должен быть предельно осторожен. Действительно, что такое 2^3км? Это 8 чего? Каково качество, наименование у числа 8? Наконец, 2^3км = 2^3000м справедливо ли? Для математика – нет, а для физика? Далее, 2м +2⁰С = 4 чего?

Эти простые примеры показывают, что целый ряд операций над физическими величинами недопустимы в силу неопределенности наименования (качества), размерности результата.

Разрешается проводить операцию алгебраического сложения только для одноименных (одинаковой размерности) слагаемых. В частности, все члены любого уравнения должны иметь одну и туже размерность.

Разрешается возводить в степень, умножать и делить физические величины разного наименования. При этом эти операции совершаются и над отвлеченным числом (как делают математики), и над наименованием. Например, 6⁰С: 2м/сек = 3 ⁰С*сек*м^-1.

Следствие. Размерность любых физических величин всегда представляет собой произведение степеней размерностей основных величин в данной системе размерностей. В системе СИ, а только в ней по закону РФ мы и должны работать, основными величинами являются: м (метр), кг (килограмм массы), с (секунда), К (градус Кельвина), а (ампер), св (свеча).

Точность расчетов.

Расчетная формула для определения какой-то физической величины представляет собой последовательность математических операций над исходными физическими величинами: сделай сначала это, потом то и …. т.д.

Точность результата расчета измеряется погрешностью, абсолютной и относительной.

Абсолютной погрешностью определения (т.е. расчета или измерения в опыте) величины Х называется

ΔХ = |Х_расч - Х_ист|,

где величина Х_расч – расчетное (измеренное) значение физической величины, Х_ист – истинное, как правило, не известное.

Относительной погрешностью δХ называется отношение

δХ = (ΔХ/Х_ист)*100%

Из этих определений следует, что и абсолютная и относительная погрешность определения Х_расч не зависит от порядка самой величины.

Культура грамотного расчета любой физической величины основана на следующей простой истине: погрешность результата расчета по любой расчетной формуле не меньше погрешности исходных величин в формуле. Иными словами, расчет по любой формуле не может увеличить точность результата по сравнению с точностью исходных данных. Если в составе исходных величин для расчета находятся величины разной погрешности (точности), то погрешность результата не лучше максимальной погрешности величин в исходных данных.

На практике стараются использовать такие исходные данные, относительная погрешность которых одинакова, и тогда относительная погрешность результата расчета по какой-то формуле не меньше погрешности исходных величин.

В химической технологии стараются вести все расчеты с точностью 2% – 3% (относительная ошибка). И тогда, можно легко показать, в результате расчета следует указывать (записывать) число с тремя значащими цифрами, независимо от порядка величины. Например, 2,84; 0,0284 = 2,84 * 10^-2; 28400 = 2,84 * 10⁴ – и это все величины, имеющие одинаковую относительную погрешность (2% - 3%), причем цифра 2 – точная, цифра 8 – тоже точная, а цифра 4 определена не точно: там может быть любая цифра от 1 до 9. Следовательно, при использовании калькулятора при проведении расчетов не следует в результат списывать цифры из всех разрядов калькулятора, разумно сразу сначала округлять справа налево вплоть до третьей цифры слева. Например, калькулятор высветил результат 2,843687 * 10^-2, записывать результат следует в виде 2,84 * 10^-2, или 56379417 следует записывать в виде 5,64 * 10⁷.

Потенциал.

В любой реальной системе при ее взаимодействии с внешней средой потенциалом называется такой параметр, разность значений которого в системе и внешней среде является первопричиной взаимодействия.

Иными словами, разность потенциалов – необходимое условие взаимодействия (и любого рода энергообмена или массообмена).

Необходимым условием деформации (изменения геометрии и формы рабочего тела) является разность давлений р внутри и вне системы, других причин для деформации объема просто нет. В гидравлике (текучие рабочие тела) эта же разность давлений является причиной движения жидких сред.

Необходимым условием термического взаимодействия системы с внешней средой является разность температур Т внутри и вне системы

Вообще, разность значений внешнего Р^е и внутреннего Р потенциала можно назвать «движущей силой».

Итак, -р (минус) – потенциал деформационного взаимодействия. Причина появления минуса рассматривается далее.

      Т – потенциал термического взаимодействия.

По определению, давлением р называется отношение силы воздействия к площади поверхности действия силы:

р = f / s, [f] = н (ньютон), [s] = м². [p] = н/м². [T] = К (Кельвин). (1.1)

Координата состояния.

Координатой состояния называется такой параметр состояния, который обязательно изменяется при данном роде взаимодействия.

Иными словами, изменение координаты состояния является достаточным условием взаимодействия (т.е. энергообмена или массообмена) системы с внешней средой.

Поиском конкретного вида таких параметров – координат занимается экспериментальная и теоретическая физика в ее различных разделах. Для механического деформационного взаимодействия координатой являются: длина – при линейном воздействии (растягивание пружины, например), площадь – при поверхностном воздействии (выдувании пузырей, например), объем – при воздействии на трехмерное тело, масса – при химическом взаимодействии двух или более веществ (убывание исходных веществ и увеличение количества продуктов реакции).

Для деформационного взаимодействия координатой состояния является геометрический объем V м³, поверхность S м² или протяженность l м конкретного тела (вещества). Однако геометрические характеристики объема м³, поверхности м² или длины м ничего кроме абсолютного значения (количества) не дают. Подобные количественные характеристики не могут относиться к параметрам состояния системы (поэтому называются экстенсивными величинами). Для рабочего тела в обобщенном виде параметром состояния, т.е. характеристикой последнего, служит удельное значение геометрической характеристики: удельного объема, т.е. геометрического объема, отнесенного к массе m кг рабочего тела, помещенного в объем V:

v = V / m, м³ / кг                                    (1.2)

Заметим здесь же, что удельный объем вещества в термодинамической системе очень просто связан с плотностью ρ среды, которая почему-то более привычна студентам:

v ≡ 1 / ρ; ρ ≡ 1/ v кг/м³                  (1.3)

Плотность вещества и его удельный объем просто обратно пропорциональны, т.е. vρ = 1.

Термическая координата состояния и ее экстенсивная величина носит название энтропия, обозначается буквой S, имеет размерность дж/К, а параметром состояния рассматривается удельное значение энтропии, относящееся к интенсивным величинам (характеристикам), оно обозначается буквой s:

s = S / m, дж / кг К                (1.4)

Энтропия рабочего тела – такая же физическая величина, как хорошо знакомые давление, объем, температура. Энтропию также можно измерять в специальном эксперименте или рассчитывать по некоторой методике. Исторически энтропия была введена немецким термодинамиком Клаузиусом аналитическим анализом термодинамических взаимодействий.

Еще и еще раз подчеркнем: координата состояния данного рода взаимодействия никогда не изменяется, если отсутствует этот род взаимодействия.

 

Количество воздействия.

 Воздействием внешней среды на термодинамическую систему мы назвали акт обмена энергией между двумя объектами. Поэтому естественной мерой воздействия является количество энергии, которой обменивается система с внешней средой. Формальную запись количества воздействия термодинамика позаимствовала у теоретической механики. В аппарате последней, как и в теории поля, термин потенциал относится к энергии рабочего тела, а не к его параметру.

Элементарным количеством воздействия данного рода называется произведение потенциала на приращение сопряженной координаты.

│dK_d│ = pdv, дж/кг, │dK_T│ = Tds, дж/кг,               (1.7)

где К – количество воздействия, индексы «d» и «Т» - соответственно деформационное и термическое воздействие, │ │- символика абсолютного значения величины.

Здесь уместно отметить об отличии направления действия сил и потенциалов. В теоретической механике, которая возникла исторически ранее термодинамики, знак «+» был принят для работы расширения системы (dv > 0). В термодинамике для потока теплоты q от системы во внешнюю среду принимается знак «-«(ds < 0). Соответственно, если теплота подводится к системе из внешней среды, то ее знак принимается «+» и ds > 0.

Это же правило устанавливается строго термодинамически. Для записи в одном уравнении количеств воздействия К_d и К_Т обмена системы с окружающей средой следует лишь вспомнить качественную связь между направлением действия движущей силы и изменением координаты. Действительно, при силовых взаимодействиях X^e > X (dX > 0) координата убывает (dx < 0), т.е. dK < 0 (знак минус). При потенциальных взаимодействиях для Р^е > Р (dP > 0) координата возрастает и количество внешнего воздействия должно входить в уравнение со знаком «+». Иными словами, формально потенциал это минус сила.

 

Внутренняя энергия.

Внутренней энергией термодинамической системы называется сумма всех видов энергии в системе.

В школьном курсе физики различают два вида энергии: кинетическая и потенциальная. Под кинетической энергией понимают энергию движения конечного количества массы макротела в геометрическом пространстве. При этом различают движение поступательное, как движение центра масс, движение вращательное вокруг какой-то оси и движение колебательное, как перемещение частей массы относительно друг друга.

Разумеется, внутренняя энергия возрастает или убывает за счет потоков через границу рабочего тела (за счет количеств внешних воздействий между системой и внешней средой). Именно подобные энергетические преобразования по существу между каким-то внешним телом и рабочим телом увеличивают или уменьшают внутреннюю энергию. В самом веществе рабочего тела происходят структурно-энергетические преобразования. Последние адекватны роду (виду) взаимодействия. Если это электрические импульсы (за счет разности электрических потенциалов ΔV), то в системе происходит движение зарядов. Если воздействие на рабочее тело тепловое, то интенсифицируется движение молекул (растет их кинетическая энергия) и т.д.

Однако, термодинамика не занимается таким детальным рассмотрением роли и влияния на вещество видов энергии – это задача физики и физической химии.

Обозначение внутренней энергии в термодинамике – U дж или u = U/m дж/кг.

 

Первый закон термодинамики.

На специфическом языке термодинамики это просто закон сохранения энергии в замкнутой системе: изменение внутренней энергии термодинамической системы равно сумме количеств внешних воздействий.

Аналитическая запись закона (основное уравнение термодинамики:

dU = ∑ δK_i или dU = δQ – δW = T dS – p dV.         (1.8)    

для термодеформационной системы. В (1.8) приращение внутренней энергии dU записано через параметры состояния р,V,Т,S, т.е. через потенциалы и координаты двух видов взаимодействия. В интенсивной форме запись первого закона термодинамики имеет вид:

dq ≡ T ds, dw ≡ p dv и тогда du = dq – dw = Tds - pdv. (1.9)

Здесь dq = Tds – элементарное количество теплоты, подведенное (отведенное) к системе, т.е. это элементарное количество термического воздействия, dw = pdv – элементарное количество работы деформации (механической работы), т.е. элементарное количество деформационного воздействия.

Замечание. В уравнении первого закона (основного закона термодинамики) в правой части входят внешние воздействия, т.е. при потенциальных воздействиях P^edx^e и силовых – X^edx^e, т.е.

dU = ∑P^edx^e - ∑X^edx^e                  (1.9.1)

Если изучаются равновесные (квазистационарные) процессы, в которых нет отличия по величине сил (Х) и потенциалов в системе (Р) и окружающей среде (Р^е), т.е. между ними бесконечно малая разница по величине, то все переменные основного уравнения термодинамики – функция U и аргументы P,X,x относятся к исследуемому рабочему телу. Действительно, из (1.9.1) при P^e – P = ΔP и X^e – X = ΔX получим

dU = ∑(P +ΔP)dx - ∑(X + ΔX)dx,

и при ΔР → о(ΔР) и ΔХ → о(ΔХ) окончательно с учетом равенства │dx^e│ = │dx│получаем (1.8) и (1.9).

Окончательно, основное уравнение технической термодинамики, изучающей квазистатические (равновесные) процессы имеет вид:

du = Tds – pdv.               (1.9.2.)

 

Подведемпредварительные итоги. Выше представлены основные определения понятий термодинамики, их необходимо запомнить, чтобы говорить на языке термодинамики. Взаимосвязь понятий иллюстрирует схема на рис 1.

 

 

 

Рис. 1.

Схема последовательности ввода и взаимосвязей

понятий в термодинамике.

Уравнения состояния.

Уравнением состояния рабочего тела называется функциональная зависимость потенциала от всех координат состояния.

Следовательно, сколько родов взаимодействия термодинамической системы с внешней средой, столько потенциалов, столько координат состояния и столько уравнений состояния.

Для термодеформационной системы (т.е. для двух родов взаимодействия: термического и деформационного) уравнений состояния два, т.к. два потенциала в соответствии с (1.9.2):

p = f(s,v), T = φ(s,v).            (1.10)

Конкретный вид функций f(s,v) и φ(s,v) предоставляют для термодинамики физики, которые для этого проводят специальные теоретические и экспериментальные исследования. Полученные соотношения параметров состояния системы четко отражают физические связи внутри рабочего тела (системы) – первичными сигналами изменения состояния являются координаты. Сами соотношения относятся к уравнениям состояния – это общий вид такого уравнения в термодинамике.

В силу исторических обстоятельств развития физики и термодинамики уравнение состояния идеального газа не содержит энтропию:

pv = RT (уравнение Клайперона – Менделеева),             (1.11)

где R = 8314/μ. Здесь 8314 дж/кмольК – универсальная газовая постоянная, μ – молекулярный вес вещества рабочего тела, кг/кмоль. Это уравнение было получено из опытов с газами при невысоких давлениях и температурах. Разумеется, из (1.10) обе аналитические связи можно свести к одной F(p,v,T) = 0, которая не противоречит экспериментальному (1.11). Этим не исчерпывается роль термодинамики в решении проблемы уравнений состояния. Она накладывает существенные ограничения на функциональный вид этих функций. Эти функции могут быть не любыми, а обязательно удовлетворять условиям:

(∂f/∂v)_s ≡ (∂(-p)/∂v)_s ≥ 0 и (∂φ/∂s)_v ≡ (∂T/∂s)_v ≥ 0 (1.12)

В этой записи, а мы будем ею широко пользоваться в дальнейшем, индекс внизу справа у скобки с частной производной означает, что соответствующий параметр состояния фиксирован.

Эти неравенства обычно называют критерием стабильности термодинамики, в химии – это формальная запись принципа ле Шателье – Брауна, хорошо знакомого студентам химико-технологического профиля образования.

Происхождение критерия стабильности термодинамики – эмпирический факт. Многочисленные наблюдения за различными термодинамическими системами показывают, что с ростом координаты состояния какого-то рода взаимодействия (и отсутствия других видов) соответствующий потенциал самопроизвольно не убывает (т.е. растет или неизменен). Обратно, с увеличением потенциала сопряженная координата состояния самопроизвольно также не убывает (т.е. растет или неизменна)

Для теплоизолированной системы (s = const) c увеличением удельного объема, согласно критерию стабильности, давление в системе только уменьшается, но это и очевидно. Для деформационно изолированной системы (v = const) с увеличением энтропии температура газа обязательно увеличится, и обратно, с увеличением температуры энтропия только увеличится. Действительно, если закрытый газовый баллон с каким-то газом положить в костер, то температура газа обязательно увеличится в согласии с критерием стабильности. Вот такие и многие другие экспериментальные факты термодинамика «присвоила» себе.

 

Термодинамика. Лекция 1.

К.т.н. Прохоренко Н.Н.

Параметры состояния в термодинамике