Термодинамика

Термодинамиката, както и молекулната физика, изучава явленията свързани с хаотичното топлинно движение на молекулите на макроскопичните тела и системи. Независимо че имат един и същ обект на изследване макро системите като изградени от атоми и молекули, те ги третират от различни гледни точки. Термодинамиката не се интересува от молекулния строеж и характера на движение на молекулите и разглежда телата като непрекъснати среди, които характеризира с макроскопични параметри. Без да разглежда молекулите и атомите, без да третира процесите на микро ниво, термодинамиката позволява да се правят редица изводи относно тяхното протичане. Разглеждайки изменението на състоянието на веществата от различни гледни точки, термодинамиката и статистичната теория взаимно се допълват, образувайки, по същество, едно цяло.

Обекта, с който се работи в термодинамиката е така наречената термодинамична система. Какво разбираме като кажем, че разглеждаме една термодинамична система? Това значи, че определяме състоянието й чрез стойностите на трите основни параметри: обем V, налягане p и температура T (отчитана по скалата на Келвин, с която ще се запознаем по-късно), наречена още термодинамична температура.

Внимание: Сравни с понятието състояние на механична система: Състоянието на една механична система определяме, като зададем положението и скоростта й.

Всяко произволно тяло или система от тела може да бъде разглеждано като термодинамична система. Най-простите термодинамични системи са газовете. Ние ще се занимаваме само с тях, или по-точно само с идеалните газове.

Важно свойство на термодинамичните системи е съществуването на равновесни състояния състояния, при които, температурата, налягането и плътността на газа имат една и съща стойност навсякъде в обема на системата. Ако върху термодинамична система, намираща се в равновесно състояние, се упражни външно въздействие, което да наруши равновесното състояние и след това, това външно въздействие се прекрати, системата самоволно преминава в ново равновесно състояние. Тенденцията към преминаване в равновесно състояние е налице винаги и непрекъснато, дори по време на действието на външното въздействие.

Пример: Ако нагреем дадена маса газ в някое място, в системата започва процес на изравняване на температурата, а след прекратяване на нагряването системата преминава в ново равновесно състояние с по-висока температура, еднаква във всички точки от обема.

Термодинамичен процес преминаването на една термодинамична система от едно състояние, наречено начално, в друго състояние, наречено крайно, наричаме термодинамичен процес. Процесът включва и всички междинни състояния, през които преминава системата. Един термодинамичен процес наричаме равновесен, ако началното, крайното и всички междинни състояния са равновесни. Ако изобразяваме равновесните състояния като точки в равнината на променливите p, V (по-късно ще се убедим, че това е възможно, тъй като трите променливи са свързани с уравнение, т.е. ако са зададени например V и p, можем да определим Т), равновесния термодинамичен процес можем да изобразим с крива в равнината (виж чертежа по-долу).

(V0, p0, T0) началното състояние (V1, p1, T1) крайното състояние

Ако състоянията, през които преминава процесът са неравновесни, наричаме процеса неравновесен. Очевидно, равновесният процес е физичен модел. За да бъде един процес равновесен, той трябва да протича безкрайно бавно (за да могат във всеки момент от време температурата, налягането и плътността на газа да имат едни и същи стойности в целия обем на газа). Равновесният процес е обратим, т.е. той може да се осъществи в обратна посока от крайното в началното състояние, преминавайки през същите междинни състояния. Неравновесният процес е необратим. Ние ще се интересуваме само от равновесни процеси.

Закони на Гей-Люсак (Шарл)

1. Налягането р на дадена маса газ при постоянен обем V се мени линейно с температурата t по Целзий

p(t) = p₀ (1 + _р t) при V = const, (1)

където p₀ е налягането на газа при температура t = 0⁰C (при различни обеми стойностите на p₀ са различни). _р = 1/273,15⁰С наричаме термичен коефициент на налягането.

Внимание: р ( 273,15⁰С) = 0.

Графики на налягането като функция на температурата по Целзий

при различни обеми на дадена маса газ

2. Обемът V на дадена маса газ при постоянно налягане р се мени линейно с температурата t по Целзий

V(t) = V₀(1 + _V t) при p = const, (2)

където V₀ е обемът на газа при при температура t = 0⁰C (при различни стойности на налягането стойностите на V₀ са различни). _V = 1/273,15⁰С наричаме термичен коефициент на обема.

Внимание: V ( 273,15⁰С) = 0.

Графики на обема като функция на температурата по Целзий

при различни стойности на налягането на дадена маса газ

Внимание: Формулите (1) и (2) са верни само за идеален газ (или за много от реалните газове, но само в ограничен температурен диапазон, т.е. само при температури, при които тези газове имат свойства близки до идеалните газове при температура близка до стайната и налягане близко до атмосферното).