Термодинамика – раздел науки, который исследует тепловые процессы, происходящие в физических телах, не связывая их напрямую с молекулярным строением вещества.
Рисунок 1. Параметры состояния в термодинамике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В термодинамике полагается, что все явления тепла в телах характеризуются только макроскопическими параметрами:
- давлением;
- объемом;
- температурой.
Эти показатели невозможно применить к отдельно взятым атомам или молекулам, то, в отличие от молекулярно-кинетической гипотезы, в указанном научном направлении молекулярное строение элементов в тепловых процессах не учитывается.
Давление в термодинамике представляет собой термодинамический параметр $P$, который определяет элементарную работу, совершаемую определенной системой при медленном изменении её объёма $V$, вызываемом хаотичным перемещением внешних тел. При деформации упругих веществ сила, влияющая на единицу поверхности, не перпендикулярна к ней.
Вместо давления в этом случае вводят тензор максимальных напряжений. Элементарная работа равна величине тензору деформаций.
При равномерном и всестороннем сжатии тела только нормальные напряжения будут отличны от нуля, которые равны начальному давлению. В статистической физике давление определяется как производная от средней энергии $E$ по объёму при действии постоянной энтропии $S$, или как производная от свободной внутренней энергии $F$ по объему при постоянной температуре T. То есть зависимость $P$ от $T$ и $V$ определяется уравнением состояния. В равновесном и стабильном состоянии иногда возможны метастабильные состояния с $P$
Изменение внутреннего давления механической работой
Рисунок 2. Применение поршня в цилиндре. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Внутреннее давление материального тела можно изменить, совершив над ним определенную механическую работу. Если работа совершается над веществом, то давление автоматически превращается во внутреннюю энергию. А если работу совершает само тело, то его внутреннее давление становится механическим.
Почти до конца XIX столетия ученые считали, что в природе существует невесомое вещество - теплород, которое передает тепло от одного тела к другому. Чем больше теплорода втекает в вещество, тем теплее оно будет, и наоборот.
Однако в конце 1798 года учёный граф Бенджамин Румфорд решил опровергнуть данную теорию. Причиной тому были нестабильные нагревания стволов пушек при сверлении. Исследователь предположил, что результатом нагревания и изменения давления является механическая работа, которая наблюдается в ходе трения сверла о ствол.
Румфорд провел научный эксперимент. Чтобы увеличить силу трение и внутреннее давление, он взял тупое сверло, а сам ствол разместил в бочку с холодной водой. К концу третьего часа сверления вода в бочке начала закипать. Это доказало, что ствол получил тепло и изменил собственное давление при совершении механической работы над ним.
Критическое давление в термодинамике
Рисунок 3. Изменение внутренней энергии в термодинамике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В термодинамических стабильных процессах, когда линия объекта пересекает или кривую парообразования, или же кривую сублимации, газообразная фаза выступает в качестве пара.
Критическое давление – это вид давления, выше которого происходит расслоение вещества на две равновесно и одновременно сосуществующие фазы: газ и жидкость невозможны при любой температуре.
Это определение считается классически, и оно вполне применимо к термодинамическим процессам в простых концепциях. При более сложных системах критическое давление представляет собой нижнюю по давлению границу области физических явлений, в которых невозможно возникновение двухфазного состояния вещества «газ - жидкость» ни при каких изменениях давления и напряженности.
Эта формулировка критического давления иллюстрируется чаще всего в физике, когда необходимо изучить область, охватывающую не только часть газообразной фазы, но и элементы жидкой фазы, расположенные ниже изотермы.
Для сверхкритической сферы за условную границу «жидкость-газ» принято подсоединять критическую изотерму.
Если давление такого перехода значительно больше давления в критической точке, то материальное вещество из твердого (кристаллического) состояния трансформируется в газообразное состояние, минуя на пути жидкое состояние.
Из фазовых диаграмм, которые чаще всего используются в термодинамике, аномального вещества не видно, так как на них не показана та часть системы, где имеющее при больших давлениях кристаллические модификации вещества снова приобретает нормальные свойства.
На фазовой диаграмме нормального элемента этот переход из твердого состояние сразу в газообразное показан в виде изотропного процесса.
Объединение свободно и активно движущихся молекул в каплю жидкости при очередном сжижении газа происходит исключительно под воздействием сил взаимного притяжения. При таком процессе кинетическая энергия относительного движения частиц больше энергии притяжения молекул, поэтому появление капель жидкости (сосуществование двух фаз) на практике невозможно.
Опыты Эндрюса
Ученый установил, что если сжимать газ при постоянной температуре и давлении, то напряженность вещества будет уменьшаться, однако с определенного показателя она остается постоянной, но в сосуде начинает появляться жидкость. По мере сжатия давления количество увеличивается, в результате чего все элементы превращаются в жидкость.
Постоянное давление в термодинамике называют давлением насыщенного пара.
Эндрюс экспериментальным путем доказал, что если воздействовать на газ более высокими температурами, то кривая зависимости начального давления от объема пойдет выше, соответственно, возрастет давление насыщенного пара, а поток вещества в жидком состоянии уменьшится. Таким образом, длина горизонтального участка изотермы с повышением температуры опустится до нуля.
Исследователь также обнаружил, что существует температура, при которой любая материальная точка стягивается к газу, при этом объемы вещества в жидком состоянии становятся одинаковыми, то есть практически полностью исчезает различие между газом и жидкостью. Такая температура в термодинамике называется критической.
При температуре выше критической, давление настолько сильно, что элементы могут существовать только в газообразном состоянии при тепловом движении и высокой плотности. В принципе возможно сжать газ до более низких показателей, чем у жидкостей, но при таком снятии молекулы вещества внезапно разлетаются, занимая собой весь предоставленный объем. Отсюда ясно, почему до работ Эндрюса физики не могли получить в жидком состоянии такие элементы, как азот, водород и кислород, даже сжимая их до крайне высоких давлений – просто у таких веществ очень низкое критическое давление и температура, и для их сжижения необходимо охлаждение.
