Сторінка
1

Термодинамічні системи. Рівняння стану і процеси

Поняття систем, розуміючи її як сукупність частин, функціональний зв’язок між котрими взаємозумовлює стан усієї системи в цілому. Поняття термодинамічної системи передбачає передовсім певну, заздалегідь визначену, кількість речовини. Наприклад, для біолога це може бути клітина організму, для хіміка — реагенти і продукти реакції в об’ємі апарата, для еколога — екосистема (від окремих біосистем організмів до біосфери в цілому), а для астронома чи фізика — гігантська зірка.

Процес — це зміна стану системи. Серед різноманітних умов, за яких відбуваються термодинамічні процеси (зміна стану системи), розглянемо:

1. Процеси, які відбуваються за сталої температури — ізотермічні (Т— const), наприклад, випаровування води, плавлення льоду чи металу, фотосинтез, травлення їжі та інші біопроцеси в організмі людини, тварин, рослин тощо. Рівняння процесу: (рис. 14, а).

Рис. 14. Графіки процесів зміни термодинамічного стану системи

2. Процеси, які відбуваються за сталого тиску — ізобарні (). Графік — пряма лінія. Рівняння стану: = (рис. 14, б).

Ізобарні процеси відбуваються в атмосфері під час згоряння палива, в газових турбінах і реактивних двигунах, де об’єм системи змінюється пропорційно температурі.

3. Процеси, які відбуваються за сталого об’єму, — ізохорні . У таких процесах тиск зростає пропорційно температурі, тому графік є прямою лінією. Рівняння стану: (рис. 14, в).

Ізохорні процеси відбуваються в автоклаві, природних покладах газу й нафти, у надрах Землі та ін.

4. Процеси, які відбуваються без обміну теплом з навколишнім середовищем, — адіабатичні (від гр. — adiabatoς — заборонений).

Рівняння стану: ,

де .

Системи, у яких відбуваються адіабатичні процеси, не обов’яз­ково мають бути ізольовані від навколишнього середовища теплонепроникненими стінками. Часто вони мають місце у звичайних умовах, але за дуже швидкого перебігу змін параметрів процесу, коли система не встигає обмінятися теплом із навколишнім середовищем. Наочно це явище продемонстрував ще у 1803 р. французький майстер, — зброяр, який сконструював прилад на зразок велосипедного насоса, але значно меншого діаметра. За енергійного переміщення металевого поршня тиск повітря під поршнем швидко підвищується, а робота, виконана над системою повітря у трубці насоса, трансформується в енергію руху молекул повітря. Відтак температура його підвищується настільки, що трут, який закріплювали під поршнем, спалахував (тоді ще не було винайдено сірники). У сучасній техніці на цьому принципі працюють дизельні двигуни внутрішнього згоряння, що в них паливна суміш запалюється не від електричної іскри, а саме від підвищення температури в процесі її стиснення. І навпаки, якщо система (газ) збільшує об’єм, то вона витрачає енергію на виконання роботи , унаслідок чого інтенсивність руху молекул газу, отже і його енергія та температура, знижуються.

Те, що газ за розширення системи втрачає енергію, наочно доводить таке, наприклад, явище: стиснутий у балоні газ СО2, якщо його випускати в полотняну торбинку, настільки охолоджується, що заповнює торбинку «снігом» (сухий лід з = ^700С). Енергія розширення газу при цьому передається зовнішньому середовищу.

Розглянемо роботу передавання енергії від однієї системи іншій в ізотермічному процесі. Рівняння роботи розширення будь-якого газу у диференційній формі (за безкінечно малої зміни об’єму) запишемо . З рівняння визначимо тиск системи , звідки .

Розглядаючи роботу даної системи відносно одного моля газу за зміни об’єму від до , проінтегруємо вищенаведений вираз , пам’ятаючи, що процес ізотермічний, отже разом з — сталі: