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:

Любая термодинамическая система 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. Кроме давления p, объема v, температуры T к функциям состояния системы относится энергия. Это мера способности системы совершать работу. Энергия может существовать в разнообразных формах. Сумма кинетической и потенциальной энергии всех частиц в системе называется внутренней энергией (U) системы. Обмен энергией между системой и окружающей средой может происходить двумя путями: 1) передача теплоты - способ передачи энергии, вызываемый разностью температур между системой и ее окружающей средой или между двумя разными системами. Такой способ передачи энергии осуществляется за счет хаотичного, беспорядочного движения молекул. Количество энергии, передаваемой таким образом, обозначается Q. Количество переданной теплоты пропорционально массе (m) системы и изменению температуры ΔТ, вызванному этой передачей энергии: 𝛿𝑄 = 𝐶𝜇 ∗ 𝑑𝑇 (1) где dT – изменение температуры где 𝐶𝜇 - молярная теплоёмкость газа 601 Молярная теплоемкость (С𝜇) - это энергия, необходимая для повышения температуры 1 моля данного вещества на 1 К, [Дж/моль·К]; 2) выполнение работы. Эта форма передачи энергии от одной системы к другой (или к окружающей среде) за счет упорядоченного, целенаправленного движения молекул. Система выполняет работу, если действует с некоторой силой, направленной на преодоление сопротивления. Например, чаще всего в химии рассматривают работу, выполняемую системой при расширении. Если действующей на систему силой является давление, то работа определяется уравнением: 𝛿𝐴 = −𝑝 ∗ 𝑑𝑉 (2) где 𝑑𝑉 - изменение объема; р - давление Знак минус соответствует тому, что работа выполняется системой, а следовательно, система теряет энергию. Работа и теплота не являются функциями состояния, так как их величина зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое. Следует также отметить, что теплота и работа сами по себе не содержатся в системе. Содержится энергия в виде различных форм движения, которые в момент передачи от одной системы к другой могут стать теплотой или работой. 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 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 (3) В зависимости от характера состояния системы функция может быть более или менее сложной. Например, для n молей идеального газа эта функция является наиболее простой. 602 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 (4) 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 (5) где 𝑛 - число моль вещества (газа); N - число молекул в сосуде 𝜈 - количеством вещества