ФИЗИКА

2.3.1. Состояние термодинамической системы. Процесс

Термодинамической системой называется совокупность макроскопических тел, которые могут обмениваться энергией между собой и с внешней средой, т.е. с другими телами. Примером может служить жидкость и находящийся в соприкосновении с ней пар или газ.

Термодинамическая система может находиться в различных состояниях, отличающихся температурой, давлением, объёмом, плотностью и т.д. Подобные величины, характеризующие состояние системы, называются параметрами состояния. Состояние, в котором хотя бы один из параметров не имеет определённого значения, называется неравновесным.

Состояние термодинамической системы будет равновесным, если все параметры состояния имеют определённые значения, не изменяющиеся с течением времени.

Термодинамические системы, которые не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни веществом, называются изолированными или замкнутыми.

Если систему, находящуюся в неравновесном состоянии, изолировать от внешней среды, т.е. предоставить самой себе, то она перейдёт в равновесное состояние. Такой переход называется процессом релаксации или просто релаксацией. Время, за которое первоначальное отклонение какой-либо величины от равновесного значения уменьшается в е раз, называется временем релаксации. Для каждого параметра состояния имеется своё время релаксации. Наибольшее из этих времён представляет собой время релаксации системы.

Термодинамическим процессом называется переход системы из одного состояния в другое. Такой переход всегда связан с нарушением равновесия системы. Например, чтобы уменьшить объём газа, заключённого в сосуде с поршнем, нужно вдвинуть поршень. При этом газ будет сжиматься и в первую очередь повысится давление газа вблизи поршня – равновесие будет нарушено. Нарушение равновесия будет тем значительнее, чем быстрее перемещается поршень. Если двигать поршень очень медленно, то равновесие нарушается незначительно, и давление в разных точках мало отличается от равновесного значения, отвечающему данному объёму газа. В пределе при бесконечно медленном сжатии давление газа будет иметь в каждый момент времени определённое значение. Следовательно, состояние газа всё время будет равновесным, так что бесконечно медленный процесс окажется состоящим из последовательности равновесных состояний. Такой процесс называется равновесным или квазистатическим.

Бесконечно медленный процесс является абстракцией. Практически можно считать квазистатическим процесс, протекающий настолько медленно, что отклонения значений параметров от равновесных пренебрежимо малы. Равновесный процесс является обратимым.

Если по координатным осям откладывать значения каких-либо двух параметров (например, р и V ), то равновесное состояние системы можно изобразить точкой на координатной плоскости, а обратимый процесс – сплошной линией (рис. 2.3.1). Неравновесные состояния и процессы так изображать нельзя.

Процесс, при котором система после ряда изменений возвращается в исходное состояние, называется круговым процессом или циклом. Обратимый цикл изображается на координатной плоскости замкнутой кривой.

к к к