Термодинамическая система и ее состояние

Термодинамика изучает макроскопические системы, состоящие из большого числа материальных частиц или полей.

Термодинамической системой принято называть совокупность материальных объектов – тел (а также полей), обменивающихся между собой веществом и энергией, состояние и поведение которых предполагается изучать.

Обычно термодинамические системы взаимодействуют друг с другом. Взаимодействия систем могут быть при этом различной природы: механическое взаимодействие, электромагнитное, тепловое, массообменное, химическое и т. д.

Системы, в которых возможны все перечисленные типы взаимодействий, принято называть открытыми.

Системы, в которых обмен веществом не происходит, принято называть закрытыми.

Системы, не обменивающиеся теплом с окружающей средой, принято называть адиабатными.

Систему, абсолютно не взаимодействующую с окружающей средой или другими системами принято называть изолированной.

Систему, состоящую из одной фазы вещества (веществ) принято называть гомогенной.

Систему, параметры состояния которой во всех частях занимаемого ею объема имеют одно и тоже значение принято называть однородной.

Системы, состоящие из нескольких различных гомогенных частей (фаз), называются гетерогенными.

От внешней среды система отделена действительной материальной или воображаемой мыслительной граничной поверхностью – оболочкой, которую принято называть границей термодинамической системы.

Границам часто приписываются изолирующие свойства, запрещающие перенос какой-либо субстанции – материи или энергии. Например, адиабатная оболочка обеспечивает тепловую изоляцию системы от окружающей среды.

Система, имеющая в каждой точке занимаемого ею объема одинаковые параметры, называется равновесной.

В соответствии с различными агрегатными состояниями веществ различают газообразную, жидкую и твердую фазы.

Каждое состояние системы характеризуется вполне однозначным сочетанием физических свойств, которые могут быть количественно оценены. Эти свойства называются параметрами состояния. Термодинамические параметры подразделяются на экстенсивные и интенсивные. Экстенсивные – параметры, которые зависят от количества вещества в термодинамической системе, они пригодны для количественной характеристики системы, качественная сторона ими не вскрывается. Интенсивные – параметры, которые могут оценивать и количественную и качественную стороны поведения термодинамической системы. От экстенсивного параметра легко перейти к интенсивному, для этого параметры надо отнести к количеству вещества, к массе, либо к объему, т. е. привести их к удельному виду.

Параметры состояния

Макроскопические величины, характеризующие физические свойства изучаемой термодинамической системы, принято называть параметрами состояния системы.

Каждому состоянию системы соответствует определенное сочетание параметров по величине, поэтому их называют функциями состояния.

Если состояние термодинамической системы не меняется со временем и свойства системы, а, следовательно, и ее термодинамические параметры, сравниваемые в различные моменты времени, одинаковы, то говорят, что система находится в состоянии равновесия.

Равновесие может быть локальным, если оно имеет место лишь в отдельных частях системы, а в других нет. Равновесие термодинамической системы обуславливается внутренними факторами и однозначно определяется совокупностью интенсивных внутренних параметров.

Параметры, выбранные в качестве определяющих состояние равновесия системы, называются независимыми. Все другие параметры могут быть выражены через эти независимые параметры. Число независимых параметров, определяющих равновесие, различно для разных систем. Они устанавливаются либо из опыта, либо теоретически исходя из молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Для однородных термодинамических систем число независимых параметров равно двум. Это не означает обратного, т. е. что для неоднородных систем оно не может быть равным двум. В частности, любая двухфазная система в равновесном состоянии тоже однозначно определяется двумя параметрами.