Заказ №38828

Приведите пример термодинамического процесса, который может совершаться как обратимо, так и необратимо. Назовите для этого процесса по одной функции состояния и перехода.

Решение:

Совокупность тел, энергетически взаимодействующих между собой и с другими телами, обменивающихся с ними веществом, называется термодинамической системой (ТДС). Состояние системы в термодинамике определяется с помощью набора переменных, называемых параметрами состояния и характеризующих термодинамическое состояние при 635 равновесии. Всякое изменение, происходящее в системе и связанное с изменением хотя бы одного из параметров состояния, называется термодинамическим процессом. Любая ТДС характеризуется параметрами: температура, давление, плотность, концентрация, мольный объем. В любой ТДС обязательно протекают процессы, и они могут быть равновесными, неравновесными, обратимыми и необратимыми. Если в ТДС определенное свойство системы не будет изменяться во времени, т. е. оно будет одинаковым во всех точках объема, то такие процессы – равновесные. В неравновесных процессах свойство системы будет изменяться во времени без воздействия окружающей среды. Обратимые процессы – процессы, в которых система возвращается в первоначальное состояние. Необратимые – когда система не возвращается в первоначальное состояние. Термодинамические функции – это величины, которые изменяются в зависимости от состояния и термодинамических параметров системы. Термодинамические функции подразделяют на: – Функции состояния, которые зависят только от состояния системы и не зависят от пути протекания процесса. Например: внутренняя энергия, энтальпия, энергия Гельмгольца, энергия Гиббса, энтропия. – Функции процесса (перехода), значение которых зависит от пути, по которому происходит изменение системы. Например: теплота и работа. Первый закон термодинамики не устанавливает направление тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми. Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым. Обратимыми процессами называют процессы перехода системы из одного равновесного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний. При этом сама система и окружающие тела возвращаются к исходному состоянию. Процессы, в ходе которых система все время остается в состоянии равновесия, называются квазистатическими. Преобразование теплоты в работу и наоборот осуществляется посредством рабочего тела. В термодинамике в качестве рабочего тела чаще рассматривается воздух, газ или другое вещество в газообразном состоянии, которые дают наибольший эффект при преобразовании теплоты в работу. Это связано с тем, что газообразное вещество при нагревании способно увеличивать свой объём в большей степени, чем жидкость или твёрдое тело, и при этом совершать большую работу расширения. Такая способность газов обусловлена малостью сил взаимодействия между молекулами, поэтому при решении термодинамических задач этими силами вообще пренебрегают. Кроме того, считают, что молекулы имеют массу, но не имеют объёма. Такой газ 636 называют идеальным. Реальный газ можно рассматривать как идеальный, если он находится в достаточно разреженном состоянии. Характерным для термодинамики является то, что в ней рассматриваются, главным образом, равновесные системы. Термодинамическая система называется равновесной, если в любой точке системы значения параметров состояния одинаковы и не изменяются самопроизвольно во времени. Параметры системы, находящейся в равновесии, являются взаимозависимыми, и с изменением одного из них происходит изменение других. Количественно эта взаимосвязь может быть выражена в виде функциональной зависимости термодинамических параметров и называется уравнением состояния f(p, v, T) = 0 (1) В зависимости от характера состояния системы функция может быть более или менее сложной. Например, для n молей идеального газа эта функция является наиболее простой. Соотношение, связывающее давление газа с его температурой и концентрацией молекул, получено для модели идеального газа, молекулы которого взаимодействуют между собой и со стенками сосуда только во время упругих столкновений 𝑝 = 𝑛 ∗ 𝑘 ∗ 𝑇 (2) где р - давление газа; k – концентрация молекул; T - температура Это соотношение может быть записано в другой форме, устанавливающей связь между макроскопическими параметрами газа 𝑛 = 𝑁 𝑉 = 𝜈 ∗ 𝑁𝐴 𝑉 = 𝑚 ∗ 𝑁𝐴 𝑀 ∗ 𝑉 (3) где 𝑛 - число моль вещества (газа); N - число молекул в сосуде 𝜈 - количеством вещества 𝑁𝐴 - постоянная Авогадро; m – масса газа в сосуде; M – молярная масса газа В итоге получим: 637 𝑝𝑉 = 𝜈 ∗ 𝑁𝐴 ∗ 𝑘 ∗ 𝑇 = 𝑚 𝑀 ∗ 𝑁𝐴 ∗ 𝑘 ∗ 𝑇 (4) Произведение постоянной Авогадро NА на постоянную Больцмана k называется универсальной газовой постоянной и обозначается буквой R. Ее численное значение в СИ есть: R=8,31Дж/(моль*К) Соотношение 𝑝𝑉 = 𝜈 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇 = 𝑚 𝑀 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇 (5) называется уравнением состояния идеального газа. Для одного моля любого газа это соотношение принимает вид: 𝑝𝑉 = 𝑅 ∗ 𝑇(6) Если температура газа равна Tн=273,15К (0°С), а давление pн=1атм=1,013*105Па, то говорят, что газ находится при нормальных условиях. Как следует из уравнения состояния идеального газа, один моль любого газа при нормальных условиях занимает один и тот же объем V0, равный V0=0,0224м3/моль=22,4 дм3/моль=22, л/моль Это утверждение называется законом Авогадро. Для смеси невзаимодействующих газов уравнение состояния принимает вид pV =(ν1 + ν2 + ν3 + ...)RT (7) где ν1, ν2, ν3 и т. д. – количество вещества каждого из газов в смеси. Уравнение, устанавливающее связь между давлением, объемом и температурой газа было получено в середине XIX века французским физиком Б. Клапейроном, в форме (5) оно было впервые записано Д. И.Менделеевым. Поэтому уравнение состояния газа называется уравнением Клапейрона– Менделеева. Следует отметить, что задолго до того, как уравнение состояния идеального газа было теоретически получено на основе молекулярно-кинетической модели,