Какие свойства называются экстенсивными

Величины, характеризующие любую систему, могут быть разделены на две категории. Первая из них объединяет характеристики, численные значения которых пропорциональны массе системы. Такие величины называют экстенсивными. Вторая объединяет так называемые интенсивные величины, численные значения которых не пропорциональны массе системы, а имеют отношение ко всей системе в целом.

Экстенсивные величины обладают свойством аддитивности, т.е. значение экстенсивной величины для всей системы в целом равно арифметической сумме этих величин для отдельных частей системы. Интенсивные величины свойством аддитивности не обладают.

Примерами экстенсивных величин в термодинамике являются: 1) масса ; 2) объём ; 3) внутренняя энергия (о ней речь пойдёт ниже) и другие.

Экстенсивными, величинами являются также работа и количество теплоты.

Замечание. Перечисленные выше величины, строго говоря, являются аддитивными только в случае систем, отдельные части которых не взаимодействуют друг с другом ни в каком отношении. Такими системами являются, например, идеальные газы, о которых мы будем говорить позднее. Если же речь идёт, в частности, о жидкостях, то во внутреннюю энергию должна быть включена энергия поверхностного натяжения, величина которой пропорциональна не массе жидкости, а площади её внешней поверхности, а поверхность, как известно, не прямо пропорциональна объёму (массе) тела. В этом случае внутренняя энергия уже не будет аддитивной величиной. То же относится к работе, теплоте и др.

И ещё одно замечание. Строго говоря, и сама масса системы не является аддитивной величиной, если учитывать эффекты специальной и общей теории относительности. Как известно, при больших скоростях, сравнимых со скоростью света, масса зависит от скорости. Масса заметно меняется также в ядерных реакциях, где энергия взаимодействия чрезвычайно велика.

Часто вводят в рассмотрение удельные величины, т.е. экстенсивные параметры, отнесённые к единице массы системы. Таковы, например, удельный объём , удельная внутренняя энергия и т.д. Следует отметить, что удельные величины уже являются интенсивными и свойством аддитивности не обладают.

Работа и теплота

Как уже было сказано, объектом изучения термодинамики является термодинамическая система, оболочка которой отделяет её от окружающей (внешней) среды. Если система находится в равновесии, то изменить её состояние можно, только воздействуя на неё со стороны окружающей среды. Вид воздействия и его механизм может быть установлен только экспериментально. Перечислим некоторые из них: удар, сжатие (расширение), деформация, дробление, нагрев (охлаждение), подвод (отвод) вещества и пр. Несмотря на большое разнообразие воздействий, все они могут быть разделены на три группы:

· работа – воздействия, связанные с макроскопическими перемещениями оболочки системы или части её относительно центра инерции системы. Примеры этих воздействий: сжатие (расширение), удар, деформация, дробление (коагуляция), электризация, намагничивание, перемещение в поле тяжести;

· теплота – воздействие, не связанное с макроскопическими перемещениями, однако приводящее к изменению состояния системы. Это, в частности, нагрев или охлаждение;

· подвод (отвод) массы. Это воздействие может быть связано либо с видимым макроскопическим потоком вещества, обусловленным градиентом давления, либо с диффузией, т.е. потоками различных компонентов смеси под действием градиентов концентрации (точнее, градиентов химического потенциала различных компонентов в смеси).

Очевидно, что возможность осуществления того или иного воздействия связано со свойствами оболочки, отделяющей рассматриваемую термодинамическую систему от окружающей среды. Идеализируя некоторые из возможных свойств оболочек, термодинамические системы классифицируют следующим образом:

· изолированная система, т.е. система, оболочка которой не допускает никаких воздействий со стороны внешней среды;

· закрытая система, т.е. система, оболочка которой непроницаема для вещества; в противном случае система называется открытой;

· механически изолированная система с абсолютно жёсткой оболочкой, не допускающей деформаций и изменения объёма;

· адиабатически изолированная система с оболочкой, исключающей обмен теплотой с окружающей средой.

Будем иметь в виду, что идеальных оболочек, абсолютно изолирующих систему от одного или нескольких воздействий, в природе не существует.

В дальнейшем мы будем рассматривать закрытые термодинамические системы в отсутствие электрического, магнитного и гравитационного полей, при этом вещество, составляющее систему, будем считать газообразным или жидким, что позволяет не принимать во внимание деформацию. Тогда работа системы будет связана только с изменением её объёма.

Основные понятия и определения термодинамики

Термодинамика- это наука о взаимном преобразовании различных видов энергии (наиболее часто встречающиеся в природе тепловая и механическая виды энергии).

Объектом изучения термодинамики являются различные термодинамические системы.

Термодинамическая система представляет собой тело (несколько тел), способное обмениваться с другими телами (между собой) энергией и веществом.

То, что находится вне системы называется окружающей средой.

Например, термодинамическая система- это газ, находящейся в цилиндре с поршнем, а окружающая среда- это цилиндр, поршень, воздух, стены помещения.

Различают гомогенные (однородные) и гетерогенные (разнородные) термодинамические системы.

Гомогенная система— это система, внутри которой нет поверхностей раздела (например, вода, газы).

Гетерогенная система— это система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (например, вода и пар).

Вещества обычно пребывают в одном из трёх основных состояний: в твердом, жидком или газообразном состоянии. Очевидно, что одно и то же вещество при разных условиях может находиться в различных состояниях и соответственно свойства вещества будут различными.

Свойства термодинамической системы могут быть интенсивными и экстенсивными.

Интенсивными называют свойства, не зависящие от количества вещества в системе (например, давление и температура).

Свойства, зависящие от количества вещества, называют экстенсивными. Примером экстенсивных свойств является объем, который изменяется пропорционально количеству вещества. Объем 10кг вещества при одних и тех же условиях будет в 10 раз больше, чем объем 1кг вещества.

Экстенсивные свойства термодинамической системы, отнесенные к массе вещества или другими словами удельные экстенсивные свойства приобретают смысл интенсивных. Так, удельный объем, удельная теплоёмкость и т.п. рассматриваются в качестве интенсивных свойств.

Интенсивные свойства, определяющие состояние термодинамической системы, называются термодинамическими параметрами состояния системы.

Наиболее удобными и поэтому наиболее распространенными параметрами состояния являются абсолютная температура, абсолютное давление и удельный объем (плотность) системы.

Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Понятие о температуре вытекает из следующего утверждения: если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их температур они будут обмениваться теплотой друг с другом, если же их температуры равны, то теплообмена не будет.

В качестве термодинамического параметра состояния системы принимают абсолютнуютемпературу Т. Она всегда положительна.

В системе СИ единицей температуры является кельвин (К); на практике широко применяется градус Цельсия (). Соотношение между абсолютной Т и стоградусной t температурами имеет вид:

Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть сила ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о единицу площади стенки сосуда, в котором заключен газ, т.е.:

В системе СИ давление выражается в Паскалях. .

Различают избыточное и абсолютное давление.

Избыточное давление ()- это разность между давлением жидкости или газа в сосуде и давлением окружающей среды. Привести пример !!!

Абсолютное давление ()- это давление, которое отсчитывается от абсолютного нуля давления или другими словами от абсолютного вакуума.

Именно абсолютное давление является термодинамическим параметром состояния системы.

Абсолютное давление определяется:

1). При давлении сосуда больше атмосферного:

2). При давлении сосуда меньше атмосферного:

где — атмосферное давление; — давление вакуума (давление разрежения).

Удельный объем – это величина, которая определяется как отношение объема вещества к его массе:

Между удельным объемом вещества и его плотностью существует очевидное соотношение:

При отсутствии внешних воздействий на термодинамическую систему (например, со стороны гравитационного или электромагнитного поля) состояние системы считается определенным, т.е. известным если заданы 2 интенсивных параметра состояния системы.

Если, например, рассматривается водяной пар при температуре 2500С и атмосферном давлении, то удельный объем такого пара может иметь только одно значение 0,23м3/кг.

Таким образом, удельный объем данного вещества однозначно определяется давлением Р и температурой Т.

Если в различных точках термодинамической системы существуют различные значения температур, давлений и других параметров, то такая система является неравновесной.

Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равновесным.

В классической термодинамике (т.е. термодинамике идеального газа) рассматриваются только равновесные системы.

В простейших равновесных термодинамических системах, которыми являются газы или пары, параметры состояния, т.е. удельный объем, температура и давление связаны уравнением состояния идеального газа:

— для М кг газа:

— для 1кг газа:

где — газовая постоянная, которая определяется по формуле:

где — молекулярная масса газа, .

Изменение состояния термодинамической системы во времени называется термодинамическим процессом. Так, при перемещении поршня в цилиндре объем, а с ним давление и температура находящегося внутри газа будут изменяться, поскольку будет совершаться процесс расширения или сжатия газа.

Если в термодинамическом процессе изменение параметра состояния не зависит от вида процесса, а определяется начальным и конечным состоянием, то параметры состояния называются функцией состояния. Такими параметрами являются, например, внутренняя энергия и энтальпия системы.