Методологии термодинамики в физике присущ настолько обобщающий характер, что она с равнозначным успехом возможна к применению в отношении объектов практически любой физической природы. Помимо всего прочего, в рамках такой теории становится возможным составление представления о закономерностях протекания довольно широкого круга химико-физических процессов.
Рисунок 1. Термодинамическое равновесие. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Значимость термодинамического подхода в представлении о физических явлениях и материи может условно быть поделена на такие части:
- проведение оценок количественного характера в плане макроскопических характеристик технических и физических систем и параметров (относительно проходящих в них физико-химических процессов);
- определение конкретных условий, при которых такие процессы становятся принципиально вероятными, и установление направлений развития макроскопических систем равновесного и неравновесного типа;
- определение критериев устойчивости в плане состояния изолированных и открытых физико-химических систем.
Понятие равновесной термодинамики
В условиях изучения термодинамики (в частности, равновесной) выявляется фигурирование в ее основе не более четырех законов, а также существенное множество математических выражений (частного порядка). Ближайшее рассмотрение позволяет выяснить, что подобные выражения и преобразования включают в себя довольно ограниченный круг определенных параметров, которые сходны на первый взгляд и совершенно различны при ближайшем рассмотрении.
Феноменологический характер подхода в рамках изложения основных методов и принципов термодинамики до определенной степени превращается в причину ее незначительной популярности и абстрактности, если сравнивать с остальными разделами физики.
Наряду с тем, безусловным преимуществом термодинамического подхода выступает факт описания им и установления соотношения наблюдаемых непосредственно параметров разных веществ, что возможно и без наличия специальных знаний относительно их внутренней атомно-молекулярной структуры.
Так, при оперировании всего несколькими законами и ограниченным числом переменными, становится возможным получение огромного количества информацию касательно сложных систем с содержанием множества индивидуальных молекул. Еще одним достоинством термодинамики можно выделить независимость ее выводов от физико-технического характера системы, которая должна рассматриваться.
Равновесная термодинамика работает по принципу описания системы в состоянии термодинамического равновесия (или близкого к нему), и при этом абсолютно исключает учет ее предыстории и специфику направления перехода от одного (изначального) состояния к другому (итоговому).
Основные положения равновесной термодинамики
Рисунок 2. Равновесное состояние термодинамической системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В качестве основных положений молекулярно-кинетической теории можно выделить следующие:
- любое тело (в газообразном, твердом или жидком состояниях) считается в физике состоящим из большого количества атомов или молекул;
- молекулы любого вещества пребывают в беспорядочном и хаотичном состоянии, не обладающим преимущественным направлением и движением;
- интенсивность движения, характеризующаяся скоростью, зависима от температуры вещества.
Термодинамика, при исследовании тепловых явлений, исключает учет молекулярного строения тел. Тепловые явления в ней будут описываться посредством привлечения величин, которые регистрируются специальными приборами (давление, температура, удельный объем).
Любая термодинамическая система будет обладать внутренней энергией (то есть, - энергией теплового передвижения молекул и также потенциальной энергией их непосредственного взаимодействия). Существует два способа изменений внутренней энергии термодинамической системы в условиях ее при ее взаимодействия с внешними телами: когда совершается работа и происходит теплообмен. В этом и будет заключаться первое начало термодинамики.
Исходя из опытов, термодинамические процессы будут считаться необратимыми. При приведении в соприкосновение двух нагретых тел, более нагретое начнет передавать энергию менее нагретому. Обратный процесс при этом становится невозможным, что происходит по причине стремления всякой системы к состоянию термодинамического равновесия (когда тела пребывают в положении покоя касательно друг друга с равными температурами и давлением).
При достижении подобного состояния, система уже не может сама из него выйти, что объясняет необратимость приближенных к равновесию термодинамических процессов.
Термодинамическое равновесие в природе
Рисунок 3. Термодинамическое равновесие. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Термодинамическое равновесие показывает такое состояние для системы, при котором сохраняются неизменными во времени ее макроскопические величины, что происходит при условии изолированности от окружающей среды.
Такие величины, в принципе, не считаются постоянными, всего лишь наблюдается их колебание около собственных средних значений. При соответствии равновесной системе нескольких состояний, в каждом из которых система может пребывать неопределенно долго, о системе можно будет сказать, что ее положение характеризуется метастабильным равновесием.
Отличают такие виды равновесия: тепловое (термодинамическое), механическое, гидроаэромеханическое (гидростатическое), радиационное (лучистое) и также химическое. В реальных процессах частой будет реализация неполного (относительного, подвижного, динамического) равновесия, но при этом степень подобной неполноты может оказаться значимой или несущественной. При этом допускаются такие варианты:
- равновесие может достигаться в какой-либо части (или частях) относительно большой (согласно размерам) системы (локальный тип равновесия);
- неполное равновесие достигается как итог разности скоростей релаксационных процессов, осуществляемых в системе (частичное равновесие);
- актуально существование как локального, так и частичного равновесия;
- в неравновесных системах осуществимы изменения потоков материи или энергии (возможно, фаз).
