Статья является частью одноименной серии.
Термодинамика
Уравнение состояния Идеальный газ Термодинамические величины Термодинамические потенциалы Термодинамические циклы Фазовые переходы
См. также «Физический портал»

Термодинами́ческая систе́ма — физическое тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом ; выделяемая (реально или мысленно) для изучения макроскопическая физическая система , состоящая из большого числа частиц и не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц , «часть Вселенной, которую мы выделяем для исследования» . Единицей измерения числа частиц в термодинамической системе обычно служит число Авогадро (примерно 6·10 ²³ частиц на моль вещества), дающее представление, о величинах какого порядка идёт речь. Ограничения на природу материальных частиц, образующих термодинамическую систему, не накладываются: это могут быть атомы , молекулы , электроны , ионы , фотоны и т. д. . Любой земной объект, видимый невооружённым глазом или с помощью оптических приборов ( микроскопы , зрительные трубы и т. п.), можно отнести к термодинамическим системам: «Термодинамика занимается изучением макроскопических систем, пространственные размеры которых и время существования достаточны для проведения нормальных процессов измерения» . Условно к макроскопическим системам относят объекты с размерами от 10 ⁻⁷ м (100 нм) до 10 ¹² м .

Условность нижней границы связана, помимо прочего, с тем, что для термодинамики важен не размер объекта, а число образующих его частиц. Куб идеального газа с ребром 100 нм при нормальных условиях содержит около 27 000 частиц (см. Постоянная Лошмидта ).

Рабочее тело , представление о котором используют в технической термодинамике , есть пример термодинамической системы.

Абсолютно твёрдое тело с термодинамической точки зрения представляет собой одну-единственную частицу и по этой причине вне зависимости от своих размеров к термодинамическим системам не относится .

Галактические и метагалактические системы термодинамическими не являются .

Любую часть термодинамической системы называют подсистемой .

Для описания термодинамической системы используются макроскопические параметры , характеризующие не свойства составляющих её частиц, а свойства самой системы: температуру , давление , объём , магнитную индукцию , электрическую поляризацию , массу и химический состав компонентов и др. .

Каждая термодинамическая система имеет границы , реальные или условные, отделяющие её от окружающей среды , под которой подразумевают все тела, не включённые в термодинамическую систему . Иногда вместо окружающей среды говорят о термостате , т. е. среде с настолько большой теплоёмкостью , что её температура при теплообмене с изучаемой системой не меняется . По умолчанию предполагается, что окружающая среда достаточно велика и поэтому её параметры не зависят от протекающих в рассматриваемой системе процессов. Кроме того, обычно подразумевается, что окружающая среда находится в состоянии термодинамического равновесия и её характеристики не зависят от времени и пространственных координат.

Важно, что в состав термодинамической системы включают все частицы, имеющиеся в выделяемой для изучения области пространства. Дело в том, что в термодинамике иногда мысленно разбивают реальную физическую систему на самостоятельные подсистемы объектов с особыми свойствами, и один и тот же объём рассматривают как занимаемый одновременно двумя и более виртуальными квазинезависимыми (слабо взаимодействующими друг с другом) парциальными подсистемами частиц разной природы (например, газовую смесь характеризуют парциальными давлениями составляющих её газов ; в газовой плазме одновременно присутствуют ионы и свободные электроны со своими существенно отличными парциальными температурами — ионной и электронной ; в кристалле выделяют подсистемы фононов и магнонов ; подсистему ядерных спинов парамагнетика характеризуют собственной парциальной спиновой температурой , способной принимать отрицательные значения по шкале Кельвина ). Данный формальный приём позволяет вводить для рассматриваемой подсистемы частиц парциальные характеристики , не обязательно имеющие прямое отношение к физической системе как единому целому (см., например, Отрицательная абсолютная температура ).

Термодинамические системы служат предметом изучения термодинамики , статистической физики и физики сплошных сред .

Классификация термодинамических систем

По внутренним процессам различают системы

• пассивные , в которых происходит перераспределение имеющейся энергии, например тепловой, стремящиеся к равновесному термодинамическому состоянию;
• активные , в которых происходит преобразование одного вида энергии в другой, например химической в тепловую, стремящиеся к неравновесному термодинамическому состоянию

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы :

• изолированные , не способные обмениваться с внешней средой ни энергией, ни веществом ;
• адиабатно изолированные , не способные к обмену с внешней средой веществом, но допускающие обмен энергией в виде работы . Обмен энергией в форме теплоты для таких систем исключён ;
• закрытые , не способные обмениваться с внешней средой веществом , но способные к энергообмену с окружающей средой ;
• открытые , способные обмениваться веществом (и, следовательно, энергией) с другими системами (внешней средой);
• частично открытые , обменивающиеся с внешней средой веществом, но при этом не все составляющие вещества принимают участие в материальном обмене (например, из-за наличия полупроницаемых перегородок ) .

По используемым для термодинамического описания системы параметрам состояния различают: простые системы , простые открытые системы и сложные системы .

• Простой системой ( простым телом , термодеформационная система ) называется такая равновесная система, физическое состояние которой вполне определяется значениями двух независимых переменных — функций состояния простого тела ${\displaystyle (x,y)}$ , например, значениями температуры и удельного объёма ${\displaystyle (t,v)}$ или давления и удельного объёма ${\displaystyle (P,v)}$ . Выражение зависимости трёх характеристик состояния простого тела ${\displaystyle (x,y,z)}$ , являющихся попарно независимыми, называется уравнением состояния этого тела:

${\displaystyle \varphi (x,y,z)=0}$ .

Простыми телами являются изотропные тела (isos— равный, tropos — направление, в целом — равенство характеристик состояния и физических свойств тела во всех его точках и во всех направлениях), в частности: газы, пары, жидкости и многие твёрдые тела, находящиеся в термодинамическом равновесии и не подверженные действию поверхностного натяжения, гравитационных и электромагнитных сил и химических превращений. Исследования простых тел в термодинамике представляют наибольший теоретический и практический интерес.

• простые открытые системы , отличаются от простых систем способностью обмениваться веществом с окружающей средой. Для термодинамического описания таких систем с ${\displaystyle k}$ независимыми компонентами необходимы ${\displaystyle k+2}$ независимых параметра состояния, включая массу ( количество вещества , число частиц ) каждого независимого компонента ;
• сложными системами называют все термодинамические системы, не попадающие под определения простых систем, и простых открытых систем. К сложным системам принято относить диэлектрики , магнетики , сверхпроводники , упругие твёрдые тела , поверхности раздела фаз , системы в поле тяготения и в состоянии невесомости , электрохимические системы , равновесное тепловое излучение . Некоторые авторы в число сложных включают и простые открытые системы . Для термодинамического описания таких систем, как упругий стержень/нить или пружина , поверхность раздела фаз, тепловое излучение необходим только один независимый параметр состояния .

Если входящие в состав системы вещества в рассматриваемом диапазоне условий ( давление , температура ) химически не взаимодействуют между собой, то систему называют физической . Если же вещества системы реагируют друг с другом, то говорят о химической системе .

Реальную изоляцию термодинамической системы от окружающей среды осуществляют посредством стенок ( поверхностей раздела , перегородок , оболочек ) : подвижных и неподвижных, проницаемых и непроницаемых для вещества (существуют и полупроницаемые перегородки ). Сосуд Дьюара служит хорошим примером адиабатной ( термоизолирующей ) оболочки . Перегородка, не препятствующая теплообмену, то есть не являющаяся адиабатной, называется диатермической ( теплопроницаемой ).

Поскольку для открытых систем трактовка понятий «работа» и «теплота» теряет свою однозначность , то и представление об адиабатности утрачивает определённость. Чтобы восстановить определённость и сохранить эквивалентность представления об адиабатной изоляции как накладывающей запрет на теплообмен, и адиабатной изоляции как допускающей энергообмен только в форме работы, для открытых систем к теплоте и работе добавляют третью форму передачи энергии — энергию перераспределения масс составляющих систему веществ , а свойства адиабатной оболочки дополняют требованием непроницаемости оболочки для вещества . К сожалению, такой способ восстановления однозначности трактовки понятия «адиабатность», широко используемого в технической термодинамике , одновременно делает представление об адиабатности бесполезным с практической точки зрения в случае открытых систем, так что в химической термодинамике таких систем понятие «адиабатность» не используют.

Термодинамическую систему называют гомогенной , если между любыми её частями нет поверхностей раздела и, следовательно, свойства системы непрерывно изменяется от точки к точке . Гомогенную систему с одинаковыми свойствами в любой точке называют однородной . Примерами гомогенных систем служат растворы (газовые, жидкие и твёрдые). Газовая фаза большой протяжённости вдоль градиента поля тяготения (например, земная атмосфера в безоблачный и безветренный день) — пример неоднородной гомогенной фазы (см. Барометрическая формула ).

Термодинамическую систему называют гетерогенной , если она состоит из нескольких гомогенных частей с разными свойствами. На поверхностях, разделяющих гомогенные части гетерогенной системы, хотя бы одно термодинамическое свойство вещества изменяются скачком . Часто (но не всегда) поверхность раздела является видимой.

Гомогенную часть гетерогенной системы называют фазой . Менее строго, но более наглядно фазами называют «гомогенные части системы, отделённые от остальных частей видимыми поверхностями раздела» . Примером может служить система «лёд — вода — влажный воздух». Гомогенная система содержит только одну фазу; гетерогенная система состоит из двух или более фаз . Число фаз в гетерогенной системе подчиняется правилу фаз Гиббса . Одно и то же вещество в твёрдом агрегатном состоянии может иметь несколько фаз (ромбическая и моноклинная сера , серое и белое олово и др.) .

На рисунке изображён один из вариантов классификации термодинамических систем.

См. также

• Осмос
• Отрицательная абсолютная температура
• Поверхность раздела фаз
• Термодинамическая фаза

Комментарии

Примечания

Литература

• Münster A. Classical Thermodynamics. — London e. a.: Wiley-Interscience, 1970. — xiv + 387 p. — ISBN 0 471 62430 6 .
• Архаров А. М., Исаев С. И., Кожинов И. А. и др. Теплотехника / Под. общ. ред. В. И. Крутова. — М. : Машиностроение, 1986. — 432 с.
• Базаров И. П. Термодинамика. — 5-е изд. — СПб.—М.—Краснодар: Лань, 2010. — 384 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978–5–8114–1003–3.
• Белов Г. В. Термодинамика. Часть 1. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Юрайт, 2017. — 265 с. — (Бакалавр. Академический курс). — ISBN 978-5-534-02731-0 .
• Белоконь Н. И. Основные принципы термодинамики. — М. : Недра, 1968. — 112 с.
• Белонучкин В. Е. [libgen.io/book/index.php?md5=a2ce612148aa541d39a2f286713359b6 Краткий курс термодинамики]. — 2-е. — М. : МФТИ, 2010. — 164 с. — ISBN 978-5-7417-0337-3 .
• Борщевский А. Я. [www.libgen.io/book/index.php?md5=A5B4FC1FCDA96540A34A61CBFEB2DD8D Физическая химия. Том 1 online. Общая и химическая термодинамика]. — М. : Инфра-М, 2017. — 868 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — ISBN 978-5-16-104227-4 . (недоступная ссылка)
• Бэр Г. Д. Техническая термодинамика. — М. : Мир , 1977. — 519 с.
• Вукалович М. П. , Новиков И. И. Термодинамика. — М. : Машиностроение, 1972. — 671 с.
• Герасимов Я. И., Древинг В. П., Еремин Е. Н. и др. Курс физической химии / Под общ. ред. Я. И. Герасимова. — 2-е изд. — М. : Химия, 1970. — Т. I. — 592 с.
• Гамеева О. С. Физическая и коллоидная химия. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Высшая школа, 1969. — 408 с.
• Горшков В. С., Савельев В. Г., Федоров Н. Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. — М. : Высшая школа, 1988. — 400 с. — ISBN 5-06-001389-8 .
• Гуров К. П. Феноменологическая термодинамика необратимых процессов: Физические основы. — М. : Наука , 1978. — 128 с.
• Гухман А. А. Об основаниях термодинамики. — 2-е изд., испр. — М. : Изд-во ЛКИ, 2010. — 384 с. — ISBN 978-5-382-01105-9 .
• Залевски К. Феноменологическая и статистическая термодинамика: Краткий курс лекций / Пер. с польск. под. ред. Л. А. Серафимова. — М. : Мир, 1973. — 168 с.
• Квасников И. А. Термодинамика и статистическая физика. — 2-е изд. — М. : Едиториал УРСС, 2002. — Т. 1. Термодинамика. — 238 с. — ISBN 5-354-00077-7 .
• Козлов В. В.,. Ансамбли Гиббса и неравновесная статистическая механика. — М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2008. — 205 с. — ISBN 978-5-93972-645-0 .
• Кубо Р. Термодинамика. — М. : Мир, 1970. — 304 с.
• Куприков М. Ю. (рус.) // Большая российская энциклопедия . — Большая Российская энциклопедия , 2015. — Т. 28 .
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — 5-е изд. — М. : Физматлит, 2002. — 616 с. — (Теоретическая физика в 10 томах. Том 5). — ISBN 5-9221-0054-8 .
• Магаев О. В., Минакова Т. С., Цыро Л. В. Основы химической термодинамики. — Томск: ИД Томск. гос. ун-та, 2017. — 208 с. — ISBN 978-5-94621-652-4 .
• Мюнстер А. Химическая термодинамика. — М. : Мир, 1971. — 296 с.
• Новиков И. И. Термодинамика. — М. : Машиностроение, 1984. — 592 с.
• Петров Н., Бранков Й. Современные проблемы термодинамики. — Пер. с болг. — М. : Мир , 1986. — 287 с.
• Полянин А. Д., Полянин В. Д., Попов В. А. и др. Краткий справочник для инженеров и студентов. — М. : Международная программа образования, 1996. — 432 с. — ISBN 5-7753-0001-7 .
• Поулз Д. Отрицательные абсолютные температуры и температуры во вращающихся системах координат (рус.) // Успехи физических наук. — 1964. — Т. 84 , № 4 . — С. 693—713 .
• Пригожин И. , Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур / Пер. с англ. — М. : Мир, 2002. — 461 с. — (Лучший зарубежный учебник). — ISBN 5-03-003538-9 .
• Путилов К. А. Термодинамика / Отв. ред. М. Х. Карапетьянц. — М. : Наука, 1971. — 376 с.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 5-е изд., испр. — М. : Физматлит, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5 .
• Скаков С. В. Техническая термодинамика. — Липецк : [[Липецкий государственный

технический университет|ЛГТУ]], 2014. — 113 с. — ISBN 978-5-88247-698-3 .

• Сторонкин А. В. Термодинамика гетерогенных систем. Части 1 и 2. — М. : Изд-во Ленингр. ун-та, 1967. — 448 с.
• Сычёв В. В. Сложные термодинамические системы. — 5-е изд., перераб. и доп.. — М. : Издательский дом МЭИ, 2009. — 296 с. — ISBN 978-5-383-00418-0 .
• Тамм М. Е., Третьяков Ю. Д. Неорганическая химия. Том 1. Физико-химические основы неорганической химии / Под. ред. акад. Ю. Д. Третьякова. — М. : Академия, 2004. — 240 с. — (Высшее профессиональное образование). — ISBN 5-7695-1446-9 .
• [www.libgen.io/book/index.php?md5=F0DD1E2241DFA869DADAFFD4614905AC Термодинамика. Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин] / Отв. ред. И. И. Новиков . — АН СССР. Комитет научно-технической терминологии. Сборник определений. Вып. 103. — М. : Наука, 1984. — 40 с. (недоступная ссылка)
• Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Большая Российская энциклопедия , 1998. — 944 с. — ISBN 5-85270-306-0 .
• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Большая Российская энциклопедия , 1992. — Т. 3: Магнитоплазменный — Пойнтинга теорема. — 672 с. — ISBN 5-85270-019-3 .
• . Термодинамика необратимых процессов / Пер. с нем. под ред. А. В. Лыкова . — М. : Мир , 1967. — 544 с.
• Хачкурузов Г. А. Основы общей и химической термодинамики. — М. : Высшая школа, 1979. — 268 с.
• Хейвуд Р. Термодинамика равновесных процессов. Руководство для инженеров и научных работников. — М. : Мир, 1983. — 493 с.
• Черноуцан А. И. Краткий курс физики. — М. : Физматлит, 2002. — 320 с. — ISBN 5-9921-0292-3 .
• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Большая Российская энциклопедия , 1994. — Т. 4. — 704 с. — ISBN 5-85270-087-8 .
• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Большая Российская энциклопедия , 1998. — Т. 5. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7 .
• Франк-Каменецкий Д. А. [www.libgen.io/book/index.php?md5=1A435B147BD48B0E7B10BD3C75BE7543 Лекции по физике плазмы]. — 2-е. — М. : Атомиздат, 1968. — 287 с. (недоступная ссылка)
• Эткинс П., де Паула Дж. Физическая химия. В 3-х частях. Часть 1. Равновесная термодинамика. — М. : Мир , 2007. — 495 с. — (Лучший зарубежный учебник). — ISBN 5-03-003786-1 .