Состояние системы и процессы

На правах рукописи

Физика

Конспект лекций

(Часть 2. Статистическая физика и термодинамика)

Для студентов направления 230400

«Информационные системы и технологии»

Электронный образовательный ресурс

Составитель: к.ф.-м.н., доцент В.В. Коноваленко

Рассмотрен и рекомендован для использования в учебном процессе на 2013/2014 – 2015/2016 уч. г. на заседании кафедры ЕНД.

Протокол № 1 от 04. 09. 2013 г.

ЛЕКЦИЯ 7 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ.

САМОСТОЯТЕЛЬНО: Основные представления молекулярно-кинетической теории. Сущность термодинамического подхода. Истории развития молекулярно-кинетических представлений. Молекулярная масса, атомная единица массы, единица количества вещества моль, число Авогадро, молярная масса.

СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ И ПРОЦЕССЫ.

Величины, характеризующие состояние системы, такие как температура, давление, объем и т.д., будем называть параметрами состояния.

Состояние системы будем называть неравновесным, если хотя бы одному из параметров состояния нельзя приписать определенного значения.

Если все параметры состояния системы имеют определенные значения, остающиеся постоянными при фиксированных внешних условиях, сколь угодно долго, то состояние системы называется равновесным.

Понятие «определенные значения» подразумевает, что значение параметра одинаково во всех точках рассматриваемой системы. Например, температура в аудитории, строго говоря, различна в различных ее точках, а значит, не имеет определенного значения. Среднее значение принимать в качестве определенного значения недопустимо. Если комнату изолировать от внешних воздействий, то, спустя некоторое время, температура во всех ее точках выровняется, и тогда можно будет говорить об определенном значении температуры в комнате. Аналогичные представления применимы к давлению, плотности и другим параметрам состояния системы.

Переход системы из одного состояния в другое называется процессом.

Очевидно, что в ходе всякого процесса система проходит через последовательность неравновесных состояний. Однако чем медленнее осуществляется процесс, тем ближе состояния системы в ходе процесса к равновесным. В пределе, если процесс протекает бесконечно медленно, т.е., является квазистатическим, можно считать, что в каждый данный момент состояние системы является равновесным.

По определению равновесным называется процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний. Очевидно, что равновесным может быть только квазистатический процесс.

Важная особенность равновесных процессов заключается в том, что они могут быть проведены в обратном направлении, т.е. от окончания к началу через обратную последовательность состояний, причем в результате совершения прямого и обратного процессов в системе и окружающих телах не произойдет никаких изменений. Поэтому процессы, обладающие таким свойством – а ими могут быть только равновесные процессы,– называют также обратимыми.

Термины квазистатический, равновесный и обратимый по отношению к термодинамическим процессам, по сути, являются синонимами, однако каждый из них подчеркивает свою существенную особенность описываемого процесса.

Опыт показывает, что система, изолированная от внешних воздействий, совершает переход из неравновесного в равновесное состояние. Такой процесс называется релаксацией системы, а его длительность – временем релаксации.

Отличают круговые процесс ы или циклы, в результате которых система возвращается в исходное состояние.

На графиках равновесные процессы изображаются кривыми. Неравновесные процессы изображать кривыми, вообще говоря, нельзя, поскольку параметры не имеют определенного значения.

Отметим также, что, строго говоря, количественные выводы термодинамики применимы только к равновесным состояниям и обратимым процессам. Тем не менее, в огромном количестве случаев, реальные процессы, отнюдь не являющиеся равновесными, с очень высокой точностью описываются законами термодинамики.