Microsoft Word - VypBIOL-13-TD-Systema.doc

Препис

1 Въпрос 13 ТЕРМОДИНАМИЧНА СИСТЕМА И ТЕРМОДИНАМИЧНО РАВНОВЕСИЕ. ТЕМПЕРАТУРА Във въпроса Т ермодинамична система и термодинамично равновесие. Температура вие ще се запознаете със следните величини, понятия и закони, както и с основните единици за измерване: Макроскопична система Хомогенна и хетерогенна система Макроскопични параметри Външни параметри Вътрешни параметри Състояние на система Стационарно и нестационарно състояние Равновесно състояние Термодинамична система Термодинамично равновесие Транзитивност Термодинамични параметри Интензивни параметри Екстензивни параметри Функции на състоянието Tермодинамичната система и околната среда Затворена система Топлоизолирана система Изолирана система Отворена система Постулати на термодинамиката. Температура Първи постулат Втори постулат Термометър Нулев принцип на термодинамиката Измерване на температурата Термометрично тяло - 1 -

2 Термометрична величина Термометър Скала на Целзий Скала на Келвин Скала на Фаренхайт Единици за измерване Единица за температура Градус Целзий Келвин - 2 -

3 1. Макроскопична система и макроскопични параметри Макроскопична система Макроскопична система наричаме всяко тяло или съвкупност от тела, които са съставени от огромен брой частици, което заема крайна част от пространството, ограничена от затворена повърхност. Хомогенна и хетерогенна система Ако между произволни части на една система няма обособени граници, тя се нарича хомогенна система. Обратно, ако системата се състои от отделни части, между които има разделителни повърхности, системата е хетерогенна. Всяка макроскопична система се описва с помощта на различни физични величини. Макроскопични параметри Величините, които характеризират вътрешното състояние на една макроскопична система и нейното отношение към околната среда, се наричат макроскопични параметри. Макроскопичните параметри се разделят на две групи: вътрешни параметри и външни параметри. Външни параметри Външните параметри зависят от положението на телата, които са външни за системата. Величини, които се определят от движението и положението на тела, външни по отношение на дадена система, се наричат външни параметри. Например: обемът на един газ е външен параметър, защото се определя от положението на стените на съда, в който се намира този газ (външно тяло); земното ускорение е външен параметър за макросистема, намираща се в гравитационното поле на Земята и т.н

4 Вътрешни параметри Вътрешните параметри се определят от положението и движението на телата и частиците, които образуват макроскопичната система. Например: вътрешни параметри са налягането, плътността, енергията на топлинното движение и др. 2. Видове състояния на макроскопичните системи Състояние на система Съвкупността от независими външни и вътрешни параметри определят състоянието на една макроскопична система. Всяка макроскопична система се описва с помощта на различни величини и параметри. Състоянието на системата е известно, когато е определена съвкупността от нейните независими макроскопични параметри. Стационарно и нестационарно състояние Състоянието на една макроскопична система, чиито параметри не се променят с времето, се нарича стационарно, а когато параметрите се изменят с времето, състоянието на системата е нестационарно. Ако една макроскопична система се намира в стационарно състояние, нейните параметри може да се поддържат постоянни по различен начин. В зависимост от това е възможно да се използва понятието равновесно състояние. Равновесно състояние Равновесно състояние на една макроскопична система е това нейно стационарно състояние, при което не съществуват стационарни потоци навън от системата или към нея, предизвикани от действието на външни източници. В такъв случай равновесното състояние е частен случай на стационарното състояние. Една макроскопична система може да е в стационарно състояние, но то да не е равновесно. Пример за това е басейн, който се пълни с вода през една тръба, а през втора тръба се изпразва - 4 -

5 по такъв начин, че обемът на водата в него остава постоянен. Обемът на водата в басейна е параметър, който описва системата. Той остава постоянен, но в системата има поток, предизвикан от външен източник. Затова тази система не е в равновесие. Дефинираните дотук понятия дават възможност да се въведе още едно ново понятие, което играе съществена роля в термодинамиката - понятието термодинамична система. 3. Термодинамични системи и термодинамични параметри. Функции на състоянието Термодинамична система Термодинамична система обикновено се нарича само такава макроскопична система, която е в равновесно състояние. Това състояние се нарича състояние на термодинамично равновесие. Термодинамично равновесие Една макроскопична система се намира в състояние на термодинамично равновесие, ако нейните параметри не се изменят с течение на времето и в системата не съществуват макроскопични стационарни потоци, поддържани от външни източници. За термодинамичното равновесие е характерно свойството транзитивност: Транзитивност Ако две термодинамични системи се намират поотделно в равновесие с трета система, то при контакт помежду си системите също са в равновесие. Термодинамичното равновесие се характеризира с помощта на определени параметри, наречени термодинамични параметри. Термодинамични параметри Термодинамични параметри са тези макроскопични параметри, които характеризират системата в нейното състояние на термодинамично равновесие

6 Тъй като термодинамичните параметри са част от макроскопичните параметри, те също се разделят на външни и вътрешни. Освен това термодинамичните параметри могат да се разделят на интензивни и екстензивни. Интензивни параметри Термодинамични параметри, които не зависят от размерите и масата (количеството вещество) на системата, се наричат интензивни. Пример за такива параметри са налягането, температурата, специфичният топлинен капацитет и др. Екстензивни параметри Термодинамични параметри, които са пропорционални на масата (количеството вещество) на дадената система, се наричат екстензивни (адитивни). Такива параметри са обемът, вътрешната енергия, ентропията и др. Специфичните екстензивни параметри, т.е. параметрите, отнесени към единица количество вещество (единица маса), придобиват смисъл на интензивни параметри. Например обемът е екстензивен параметър, но специфичният обем (обемът на единица маса) е интензивен параметър. Термодинамичните (равновесните) параметри могат да се измерят пряко чрез макроскопични уреди. От гледна точка на молекулнокинетичната теория тези параметри са стойностите, които получават съответните физични величини след безкрайно дълго време. Ето защо те могат също да се пресмятат чрез методите на статистическата физика. Функции на състоянието Величините, чиято стойност еднозначно се определя от състоянието на системата, т.е. от нейните параметри, се наричат функции на състоянието. Функция на състоянието е например вътрешната енергия на една система Взаимодействие на термодинамична система с околната среда - 6 -

7 Една термодинамична система може да взаимодейства енергетично с околната среда и с други системи, както и да обменя с тях вещество. В зависимост от условията на това взаимодействие се различават затворени, изолирани, топлоизолирани (адиабатно изолирани) и отворени системи. Затворена система Термодинамична система, която не обменя вещество с околната среда, се нарича затворена система. В такава система масата на отделните й части може да се променя, но общата маса на системата остава постоянна. Топлоизолирана система Термодинамична система, която не обменя топлина с околната среда, се нарича топлоизолирана или адиабатно изолирана система Комбинацията на дадените по-горе две ограничения за една термодинамична система водят до идеята за изолирана система. Изолирана система Термодинамична система, която не обменя нито топлина, нито вещество с околната среда, се нарича изолирана система. В тази система отделните й части (подсистеми) могат да взаимодействат помежду си, но системата като цяло не взаимодейства с околната среда по никакъв начин. Такава система трудно се реализира на практика. Отворена система Термодинамична система, която може да обменя вещество или енергия (топлина) с околната среда, се нарича отворена система. 4. Постулати на термодинамиката. Температура Термодинамиката е макроскопична теория, т.е. в нея се търсят - 7 -

8 връзките между макроскопичните параметри, които характеризират една система. Тя се основава на два постулата и три основни закона (принципа), които са обобщение на опита. Първи постулат За всяка изолирана система съществува състояние на термодинамично равновесие, което тя достига с течение на времето и не може самопроизволно да излезе от него. Този постулат се обосновава с методите на статистическата физика. В нея се доказва, че от всички възможни състояния на една макроскопична система най-вероятно е равновесното състояние. То се характеризира с най-голям безпорядък (хаотичност) в движението и положението на частиците. Това състояние се реализира по възможно най-много начини. Втори постулат Равновесните вътрешни параметри на една термодинамична система са функции на външните параметри и на още една величина, наречена температура. Чрез този постулат се въвежда величината температура, която характеризира състоянието на вътрешно движение в една равновесна система. Температура Температурата е мярка за интензивността на топлинното движение. Тя е вътрешен параметър, който има една и съща стойност за всички части на една равновесна система. Температурата е физична величина, която: 1.характеризира термодинамичните системи; 2.има една и съща стойност във всяка част на една сложна система, която се намира в състояние на термодинамично равновесие; 3.не зависи от количеството вещество в системата. Останалите вътрешни параметри зависят от външните параметри и от температурата

9 Нулев принцип на термодинамиката Нулевият принцип на термодинамиката гласи следното: Състоянието на термодинамично равновесие на една термодинамична система се определя от външните параметри и от температурата. 5. Измерване на температурата термометри и температурни скали 5.1. Термометър Равенство на температурата При контакт между две равновесни термодинамични системи равновесието не се нарушава, ако системите имат еднакви температури. По-висока температура Ако при контакт между две равновесни термодинамични системи равновесието се нарушава, по-висока температура има системата, която отдава енергия при настъпилия топлообмен. В резултат на него се установява ново равновесно състояние, което се характеризира с една и съща температура за двете системи. Свойството транзитивност позволява да се сравняват температурите на две системи, без те да се привеждат в контакт помежду си. За целта се използва трето тяло, наречено термометър, което последователно се привежда в контакт с двете системи. Термометрично тяло Термометърът съдържа термометрично вещество (тяло), което се привежда в контакт с тялото, чиято температура се измерва. Термометричното тяло влиза в топлинен контакт със системата, на която се определя температурата, и по изменението на определен вътрешен параметър на това тяло се определя температурата на системата. Термометрична величина За индикатор на температурата служи някой от параметрите на термометричното вещество (например налягане, обем и др.), - 9 -

10 който се нарича термометрична величина. Физичната величина, която служи за индикатор на температурата, се нарича термометрична величина. Термометър Термометър се нарича всяко устройство, което служи за измерване на температура и представлява съвкупност от термометрично тяло и температурна скала. Основните параметри, които характеризират всеки термометър, са неговата чувствителност (най-малката стойност, която термометърът може да измери), точност (характеризира се с грешката, която се допуска при измерване) и възпроизводимост (повторяемост на показанията). Важно свойство на термометъра е и бързината, с която той преминава в равновесно състояние със системата, на която измерва температурата. В зависимост от термометричното тяло и използваната термометрична величина съществуват различни видове термометри: газови, термоелектрични, съпротивителни, течно-стъклени, магнитни, пирометрични и др

11 5.2.Живачен (спиртен) термометър. Скала на Целзий Първата температурна скала е въведена през 1701 г. от Нютон. Нейни реперни точки са температурата на замръзване на водата (която е приета за нула) и температурата на здравия човек. Температурният интервал между тях е разделен на 12 степени (градуси). През 1709 г. холандският физик Габриел Даниел Фаренхайт ( ) предлага конструкция на спиртен термометър с температурна скала, в която за реперни точки (както и при скалата на Нютон) се приемат точката на топене на леда и температурата на човешкото тяло. Този интервал Фаренхайт разделя на 64 равни части и получава единица за измерване на температурата, наречена практически градус на Фаренхайт ( o F). Тази единица се използва все още в САЩ, Канада, Австралия и др. В скалата на Фаренхайт за нулева точка е избрана температурата, която се намира под температурата на топене на леда на половината от споменатия по-горе интервал между двете реперни точки. През 1714 г. Фаренхайт избира за термометрично тяло живака и усъвършенства термометъра, като приема за горна реперна точка температурата на кипене на водата, а за долна - температурата на топене на леда при нормално атмосферно налягане (760 mm Hg). При създаването на новия термометър Фаренхайт запазва предишната големина на градусите. Френският физик Рене Антоан Фершо Реомюр ( ) през 1730 г. конструира спиртен термометър. За реперни точки на неговата скала той приема температурата на топене на леда и температурата на кипене на водата, като разделя интервала между тях на 80 равни части (градуси по Реомюр o R). Тази скала е предвестник на най-използваната днес в практиката скала на Целзий. В температурната скала, предложена през 1742 г. от шведския астроном и физик Андерс Целзий ( ), за реперни точки са приети температурата на топене на леда и температурата на кипене на водата при нормално атмосферно налягане. Тази температурна разлика е разделена на 100 равни интервала (градуси по Целзий o C). Целзиевата температурна скала се изгражда по следния начин: на топящ се лед се приписва температура t o =0 o C. При тази температура обемът на съответното термометрично тяло е V o. На температурата, при която кипи дестилираната вода при нормално атмосферно налягане, се

12 приписва стойност t=100 o C. Тогава обемът на термометричното тяло е V 100. При тези предположения температурата се представя количествено с израза V V t = o C. V100 V0 Живачният (спиртният) термометър има най-широко практическо приложение. При него термометричното вещество (спирт или живак) запълва тънка стъклена тръбичка с резервоарче отдолу. Термометричната величина е обемът на течността, а най- често използвана скала е тази на шведския астроном и физик Целзий ( ). Скалата на Целзий има две реперни точки: температурите на топене на леда (0 0 С) и на кипене на водата (100 0 С) при нормално атмосферно налягане ( Ра). Разстоянието между тези точки е разделено на 100 равни части, всяка от които съответства на 1 0 С. Градус Целзий Една стотна от интервала между температурата на замръзване и кипене на водата при нормално атмосферно налягане се нарича градус по Целзий ( o C). Показанията на два термометъра, използващи различни течности (живак или спорт), съвпадат напълно само в реперните точки. При всички останали температури те се различават. Това е така, защото изменението на обема на живака и на спирта с температурата е различно. Характерното за всички изброени дотук скали е, че при промяна на термометричното тяло (термометричната величина) се изменя големината на единицата (градуса) за температура. Това предизвиква редица принципни затруднения в експерименталната работа. Ето защо се налага да бъде въведена температурна скала, в която единицата за температура (градусът) да не се влияе от термометричното тяло. Такава температурна скала е предложена през 1848 г. от английския физик Уйлям Томсън (лорд Келвин) ( ) и се нарича термодинамична скала или абсолютна температурна скала

13 5.3.Газов термометър Нееднозначността в определянето на температурата при използването на живачен и спиртен термометър почти напълно се отстранява, ако за термометрично вещество се използва разреден (идеален) газ. Тогава се получава т.нар. газов термометър. Той представлява запълнен с газ балон, свързан към отворен живачен манометър. Газовият термометър използва само една реперна точка: тройната точка на водата (това е температурата, при която са в равновесие трите фази на водата-течна, твърда (лед) и газообразна (водни пари)). Обемът на газа се поддържа постоянен, а за термометрична величина се използва налягането на газа, което се измерва с манометър. Термодинамичната температурна скала има само една експериментално възпроизводима постоянна точка - тройната точка на водата. Тя представлява температурата, съответстваща на състоянието на термодинамично равновесие на водата в твърдо, течно и газообразно състояние при нормално атмосферно налягане. Втората реперна точка на тази температурна скала е температурата, при която се прекратява хаотичното топлинно движение на молекулите в идеалния газ. Тя се нарича абсолютна нула. Единица за температура Единицата за измерване на температура по абсолютната скала се нарича келвин (К). Именно тя е основната единица за температура в Международната система (SI). От съображения за удобство за тройната точка на водата по скалата на Келвин се приема стойността 273,16 K. Тогава Келвин Един келвин е термодинамична температура, равна на 1/273,16 част от термодинамичната температура на тройната точка на водата. Предимствата на термодинамичната температурна скала са в това, че като реперна точка е необходимо да се приеме само една температура. Освен това тя дава възможност по-точно да се възпроизвежда единицата за температура

14 5.4.Скала на Келвин Скалата на Келвин се нарича още абсолютна термодинамична скала (при нея няма отрицателни температури). Тя се въвежда въз основа на втория принцип на термодинамиката и не зависи от вида на термометричното вещество. По определение се приема, че Температурата на тройната точка на водата е T = K. При такава стойност на тройната точка: -скалата на газовия термометър съвпада с абсолютната термодинамична скала (скала на Келвин); -запазва се разликата от 100 градуса между температурите на кипене на водата и на топене на леда при нормално атмосферно налягане. Следователно: газовата скала, както и скалата на Келвин, се различават от скалата на Целзий само по положението на нулата, докато големината на един градус по тези скали съвпада. T Връзката между температурните скали на Келвин и Целзий се изразява с формулата T = K+ t, където 273,15 К е температурата на топене на леда при нормално атмосферно налягане (тя съответства на 0 0 С). На тройната точка на водата ( T = K ) съответства температура 0,01 0 С. 5.5.Скала на Фаренхайт В англоезичните страни се използва все още температурната скала на Фаренхайт. Пресмятането на температурата t F в градуси Фаренхайт ( 0 F 0 F ), когато е известна температурата tв градуси Целзий ( 0 С), става с помощта на формулата tf T 9 = t В страните, в които се използва скалата на Фаренхайт, се използва и температурна скала, носеща името на шотландския физик Уйлям Джон Макуори Ранкин ( ). Долната граница на тази скала е абсолютната нула, а температурата на топене на леда е 491,67 o (символът й o Ra се чете градус по Ранкин). Големината на градуса по Ранкин съвпада с градуса по Фаренхайт (т.е.1 o Ra=1 o F). Ra В тази скала на температурата на топене на леда t o =0 o C (T k =273,15 K) съответстват 491,67 o Ra, а на температурата на кипене на водата при

15 нормално атмосферно налягане t k =10O o C (T k =373,15 K) съответстват 71,67 o Ra. По такъв начин, ако t o C е температурата по скалата на Целзий, T K - температурата по скалата на Келвин, t o F - температурата по скалата на Фаренхайт и t o Ra - температурата по скалата на Ранкин, връзката между тези температури е следната: 0 o t C T K t F 32 = = o 5 o t C = t Ra o Tk = t Ra 9 Уйлям Томсън (лорд Келвин) ( ) Уйлям Томсън (лорд Келвин) ( ) Уйлям Джон Макуори Ранкин ( ). Габриел Даниел Фаренхайт ( ) Андерс Целзий ( ) Рене Антоан Фершо Реомюр ( )