Trạng thái của hệ thống được đặc trưng bởi nó. Trạng thái và quy trình của hệ thống. Cách tiếp cận có hệ thống để mô hình hóa

Các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của hệ thống , chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, thể tích, v.v., chúng ta sẽ gọi thông số trạng thái .

Chúng ta sẽ gọi trạng thái của hệ thống không cân bằng , nếu ít nhất một trong các tham số trạng thái không thể được gán một giá trị cụ thể .

Nếu tất cả các tham số của trạng thái hệ thống có các giá trị nhất định không đổi trong các điều kiện bên ngoài cố định trong một thời gian dài tùy ý thì trạng thái của hệ thống được gọi là trạng thái cân bằng .

Khái niệm " giá trị nhất định "ngụ ý rằng giá trị tham số giống nhau ở tất cả các điểm của hệ thống đang được xem xét . Ví dụ, nhiệt độ trong lớp học, nói đúng ra, khác nhau ở những điểm khác nhau, điều đó có nghĩa là không có ý nghĩa cụ thể . Không thể chấp nhận được việc lấy giá trị trung bình làm giá trị xác định. Nếu căn phòng cách ly với các tác động bên ngoài, thì sau một thời gian, nhiệt độ tại tất cả các điểm của nó sẽ ổn định và khi đó có thể nói về một giá trị nhiệt độ nhất định trong phòng. Ý tưởng tương tự áp dụng cho áp suất, mật độ và các thông số khác về trạng thái của hệ thống.

Chuyển tiếp hệ thống từ trạng thái này sang trạng thái khác được gọi là quá trình .

Rõ ràng là trong bất kỳ quá trình nào, hệ thống đều trải qua một chuỗi các trạng thái không cân bằng. Tuy nhiên, quá trình càng chậm thì trạng thái của hệ thống trong quá trình càng gần trạng thái cân bằng. Trong giới hạn, nếu quá trình diễn ra chậm vô hạn, tức là bán tĩnh, chúng ta có thể giả sử rằng tại bất kỳ thời điểm nào, trạng thái của hệ thống là cân bằng.

A-tu viện trạng thái cân bằng gọi điện quá trình bao gồm một chuỗi liên tục các trạng thái cân bằng . Hiển nhiên là Chỉ có quá trình gần như tĩnh mới có thể cân bằng.

Một đặc điểm quan trọng của quá trình cân bằng là chúng có thể được thực hiện trong hướng ngược lại, I E. từ đầu đến cuối thông qua một chuỗi trạng thái đảo ngược, và do kết quả của các quá trình trực tiếp và ngược lại, sẽ không có thay đổi nào xảy ra trong hệ thống và các vật thể xung quanh. Do đó, các quá trình có đặc tính này - và chúng chỉ có thể là các quá trình cân bằng - còn được gọi là có thể đảo ngược .

Điều kiện bán tĩnh, cân bằng và thuận nghịch liên quan đến các quá trình nhiệt động lực học, về cơ bản chúng là những từ đồng nghĩa, nhưng mỗi chúng đều nhấn mạnh đặc điểm cơ bản riêng của quá trình được mô tả.

Kinh nghiệm cho thấy rằng một hệ thống bị cô lập khỏi các tác động bên ngoài thực hiện quá trình chuyển đổi từ trạng thái không cân bằng sang trạng thái cân bằng. Quá trình này được gọi là thư giãn hệ thống và thời lượng của nó là thời gian thư giãn .

Phân biệt quá trình tuần hoàn hoặc chu kỳ , kết quả là hệ thống trở về trạng thái ban đầu.

Trên đồ thị, các quá trình cân bằng được mô tả dưới dạng đường cong. Nói chung, các quá trình không cân bằng không thể được biểu diễn bằng đường cong vì các tham số không có giá trị xác định.

Chúng tôi cũng lưu ý rằng, nghiêm ngặt nói kết luận định lượng của nhiệt động lực học chỉ áp dụng cho trạng thái cân bằng và các quá trình thuận nghịch . Tuy nhiên, trong một số lượng lớn các trường hợp, các quá trình thực tế không hề cân bằng lại được mô tả với độ chính xác rất cao bằng các định luật nhiệt động lực học.

Ý nghĩa y sinh của đề tài

Nhiệt động lực học là một nhánh của hóa học vật lý nghiên cứu bất kỳ hệ thống vĩ mô nào có sự thay đổi trạng thái liên quan đến việc truyền năng lượng dưới dạng nhiệt và công.

Nhiệt động lực học hóa học là cơ sở lý thuyết của năng lượng sinh học - khoa học về sự biến đổi năng lượng trong cơ thể sống và những đặc điểm cụ thể của sự biến đổi loại năng lượng này thành loại năng lượng khác trong quá trình sống. Trong cơ thể sống có mối quan hệ chặt chẽ giữa các quá trình trao đổi chất và năng lượng. Trao đổi chất là nguồn năng lượng cho mọi quá trình sống. Việc thực hiện bất kỳ chức năng sinh lý nào (vận động, duy trì nhiệt độ cơ thể ổn định, bài tiết dịch tiêu hóa, tổng hợp trong cơ thể các chất phức tạp khác nhau từ những chất đơn giản hơn, v.v.) đều cần tiêu hao năng lượng. Nguồn gốc của tất cả các loại năng lượng trong cơ thể là các chất dinh dưỡng (protein, chất béo, carbohydrate), năng lượng hóa học tiềm năng của chúng được chuyển hóa thành các loại năng lượng khác trong quá trình trao đổi chất. Cách chính để giải phóng năng lượng hóa học cần thiết để duy trì hoạt động quan trọng của cơ thể và thực hiện các chức năng sinh lý là quá trình oxy hóa.

Nhiệt động lực học hóa học giúp thiết lập mối liên hệ giữa chi phí năng lượng khi một người thực hiện một số công việc nhất định và hàm lượng calo của các chất dinh dưỡng, đồng thời giúp hiểu được bản chất năng lượng của các quá trình sinh tổng hợp xảy ra do năng lượng giải phóng trong quá trình oxy hóa chất dinh dưỡng.

Kiến thức về các đại lượng nhiệt động tiêu chuẩn cho một số lượng tương đối nhỏ các hợp chất giúp có thể thực hiện các phép tính nhiệt hóa cho các đặc tính năng lượng của các quá trình sinh hóa khác nhau.

Việc sử dụng các phương pháp nhiệt động giúp có thể định lượng năng lượng của quá trình biến đổi cấu trúc của protein, axit nucleic, lipid và màng sinh học.

Trong công việc thực tế của bác sĩ, các phương pháp nhiệt động được sử dụng rộng rãi nhất để xác định cường độ trao đổi chất cơ bản trong các điều kiện sinh lý và bệnh lý khác nhau của cơ thể, cũng như để xác định hàm lượng calo trong thực phẩm.

Các vấn đề của nhiệt động hóa học

1. Xác định hiệu ứng năng lượng của các quá trình hóa học, lý hóa.

2. Xây dựng tiêu chí xảy ra tự phát của các quá trình hóa học, lý hóa.

3. Xây dựng tiêu chí về trạng thái cân bằng của các hệ nhiệt động.

Các khái niệm và định nghĩa cơ bản

Hệ nhiệt động

Một vật hoặc một nhóm vật thể được tách biệt khỏi môi trường bằng một bề mặt thực hoặc ảo được gọi là hệ nhiệt động.

Tùy thuộc vào khả năng trao đổi năng lượng và vật chất của hệ với môi trường mà người ta phân biệt hệ cô lập, hệ kín và hệ mở.

Bị cô lập Hệ là hệ không trao đổi vật chất hoặc năng lượng với môi trường.

Một hệ trao đổi năng lượng với môi trường và không trao đổi vật chất được gọi là đóng cửa.

Hệ mở là hệ trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường.

Trạng thái hệ thống, trạng thái tiêu chuẩn

Trạng thái của một hệ thống được xác định bởi tổng thể các tính chất vật lý và hóa học của nó. Mỗi trạng thái của hệ thống được đặc trưng bởi các giá trị nhất định của các thuộc tính này. Nếu các tính chất này thay đổi thì trạng thái của hệ cũng thay đổi, nhưng nếu các tính chất của hệ không thay đổi theo thời gian thì hệ thống đang ở trạng thái cân bằng.

Để so sánh các tính chất của các hệ nhiệt động, cần chỉ ra chính xác trạng thái của chúng. Với mục đích này, một khái niệm đã được đưa ra - một trạng thái tiêu chuẩn, trong đó một chất lỏng hoặc chất rắn riêng lẻ được coi là trạng thái vật lý mà chúng tồn tại ở áp suất 1 atm (101315 Pa) và nhiệt độ nhất định.

Đối với chất khí và hơi, trạng thái tiêu chuẩn tương ứng với trạng thái giả định trong đó chất khí ở áp suất 1 atm tuân theo định luật của khí lý tưởng ở nhiệt độ nhất định.

Các giá trị liên quan đến trạng thái tiêu chuẩn được viết bằng chỉ số “o” và nhiệt độ được biểu thị dưới dạng chỉ số dưới, thường là 298K.

Phương trình trạng thái

Phương trình thiết lập mối quan hệ hàm số giữa các giá trị của các thuộc tính xác định trạng thái của hệ được gọi là phương trình trạng thái.

Nếu phương trình trạng thái của một hệ đã biết, thì để mô tả trạng thái của nó, không cần thiết phải biết các giá trị số của tất cả các thuộc tính của hệ. Ví dụ, phương trình Clapeyron–Mendeleev là phương trình trạng thái của khí lý tưởng:

Trong đó P là áp suất, V là thể tích, n là số mol của khí lý tưởng, T là nhiệt độ tuyệt đối của nó và R là hằng số khí phổ quát.

Theo phương trình, để xác định trạng thái của khí lý tưởng, chỉ cần biết các giá trị số của ba trong bốn đại lượng P, V, n, T là đủ.

Chức năng trạng thái

Các thuộc tính có giá trị trong quá trình chuyển hệ thống từ trạng thái này sang trạng thái khác chỉ phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và cuối cùng của hệ thống và không phụ thuộc vào đường chuyển tiếp được gọi là hàm trạng thái. Chúng bao gồm, ví dụ, áp suất, thể tích, nhiệt độ của hệ thống.

Quy trình

Sự chuyển đổi của một hệ thống từ trạng thái này sang trạng thái khác được gọi là một quá trình. Tùy thuộc vào các điều kiện xảy ra, các loại quy trình sau được phân biệt.

Tròn hoặc tuần hoàn- một quá trình trong đó hệ thống trở về trạng thái ban đầu. Sau khi hoàn thành quy trình tuần hoàn, những thay đổi trong bất kỳ chức năng nào của trạng thái hệ thống đều bằng 0.

đẳng nhiệt- Quá trình xảy ra ở nhiệt độ không đổi.

Đường đẳng áp- Quá trình xảy ra ở áp suất không đổi.

Đẳng âm- một quá trình trong đó thể tích của hệ không đổi.

đoạn nhiệt- quá trình xảy ra không trao đổi nhiệt với môi trường.

Cân bằng– một quá trình được coi là một chuỗi liên tục các trạng thái cân bằng của hệ thống.

Không cân bằng– một quá trình trong đó hệ đi qua trạng thái không cân bằng.

Quá trình nhiệt động thuận nghịch– một quá trình sau đó hệ thống và các hệ thống tương tác với nó (môi trường) có thể trở lại trạng thái ban đầu.

Quá trình nhiệt động không thuận nghịch– một quá trình mà sau đó hệ thống và các hệ thống tương tác với nó (môi trường) không thể trở lại trạng thái ban đầu.

Các khái niệm sau được thảo luận chi tiết hơn trong phần “Nhiệt động lực học của cân bằng hóa học”.

Trạng thái của hệ thống được xác định bởi các cấp độ.

Mức là khối lượng, năng lượng, thông tin chứa trong một biến (khối) hoặc trong toàn bộ hệ thống tại một thời điểm nhất định.

Cấp độ không cố định, chúng trải qua những thay đổi nhất định. Tốc độ xảy ra những thay đổi này được gọi là nhịp độ.

Tỷ lệ xác định hoạt động, cường độ và tốc độ của các quá trình chuyển đổi, tích lũy, truyền tải, v.v. vật chất, năng lượng, thông tin chảy trong hệ thống.

Nhịp độ và cấp độ có mối liên hệ với nhau nhưng mối quan hệ của chúng không rõ ràng. Một mặt, tỷ giá tạo ra các mức mới, từ đó ảnh hưởng đến tỷ giá, tức là. điều tiết chúng.

Ví dụ, quá trình khuếch tán chất xác định sự chuyển đổi của hệ thống từ cấp x 1 sang cấp x 2 (động lực của quá trình chuyển khối). Đồng thời, tốc độ của quá trình này (tốc độ truyền khối) phụ thuộc vào khối lượng của các mức được chỉ định theo biểu thức:

trong đó: a là hệ số truyền khối.

Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của trạng thái hệ thống là phản hồi.

Phản hồi là thuộc tính của một hệ thống (khối) phản ứng với sự thay đổi của một hoặc nhiều biến do ảnh hưởng đầu vào gây ra, theo cách mà do các quá trình trong hệ thống, sự thay đổi này lại ảnh hưởng đến cùng một hoặc các biến tương tự. biến.

Phản hồi, tùy theo phương thức tác động, có thể là trực tiếp (khi xảy ra ảnh hưởng ngược mà không có sự tham gia của các biến (khối) - trung gian) hoặc đường viền (khi ảnh hưởng ngược xảy ra với sự tham gia của các biến (khối) - trung gian) (Hình . 3).

Cơm. 3. Nguyên tắc phản hồi

a – phản hồi trực tiếp; b – phản hồi vòng lặp.

Tùy thuộc vào tác động đến những thay đổi chính của các biến trong hệ thống, hai loại phản hồi được phân biệt:

§ Phản hồi tiêu cực, tức là. khi một xung nhận được từ bên ngoài tạo thành một mạch kín và gây ra sự suy giảm (ổn định) tác động ban đầu;

§ Phản hồi tích cực, tức là khi một xung nhận được từ bên ngoài tạo thành một mạch kín và gây ra sự gia tăng tác động ban đầu.

Phản hồi tiêu cực là một hình thức tự điều chỉnh nhằm đảm bảo sự cân bằng động trong hệ thống. Phản hồi tích cực trong các hệ thống tự nhiên thường biểu hiện dưới dạng các hoạt động tự hủy hoại bùng phát tương đối ngắn hạn.

Bản chất chủ yếu là tiêu cực của phản hồi chỉ ra rằng bất kỳ thay đổi nào trong điều kiện môi trường đều dẫn đến sự thay đổi các biến của hệ thống và khiến hệ thống chuyển sang trạng thái cân bằng mới, khác với trạng thái cân bằng ban đầu. Quá trình tự điều chỉnh này thường được gọi là cân bằng nội môi.

Khả năng khôi phục lại trạng thái cân bằng của hệ thống được xác định bởi hai đặc điểm nữa về trạng thái của nó:

§ Tính ổn định của hệ thống, tức là một đặc tính cho biết mức độ thay đổi của ảnh hưởng bên ngoài (xung tác động) tương ứng với sự thay đổi cho phép trong các biến của hệ thống, tại đó trạng thái cân bằng có thể được khôi phục;

§ Tính ổn định của hệ thống, tức là một đặc tính xác định sự thay đổi tối đa cho phép của các biến hệ thống mà tại đó trạng thái cân bằng có thể được khôi phục.

Mục tiêu điều tiết trong hệ thống được xây dựng dưới dạng một nguyên lý cực đoan (định luật thế năng cực đại): sự phát triển của hệ thống đi theo hướng tăng tổng dòng năng lượng qua hệ thống và ở trạng thái đứng yên, nó đạt được giá trị tối đa có thể (thế năng tối đa).

TRẠNG THÁI CỦA HỆ THỐNG

trong vật lý - được xác định bởi tập hợp các giá trị đặc trưng của một hệ vật lý nhất định. số lượng gọi là các tham số trạng thái. Ví dụ, tình trạng cơ khí hệ thống tại mỗi thời điểm được đặc trưng bởi các giá trị tọa độ và động lượng của tất cả điểm vật chất, hình thành hệ thống này. Tình trạng trường điện từđặc trưng bởi giá trị điện áp. và từ trường tại mọi điểm của từ trường tại mọi thời điểm.

Từ điển bách khoa bách khoa lớn. 2004 .

Xem “SYSTEM STATE” là gì trong các từ điển khác:

Trạng thái của hệ thống- Đặc điểm của hệ thống tại thời điểm hoạt động. Vì hệ thống được mô tả bởi một số biến và tham số thiết yếu nhất định nên để biểu thị S.s., cần xác định các giá trị được chấp nhận ... ... Từ điển kinh tế và toán học

trạng thái của hệ thống- 3.2 trạng thái hệ thống: Là sự kết hợp cụ thể các trạng thái của các phần tử. Lưu ý Nhiều trạng thái hệ thống có thể được kết hợp thành một trạng thái. Nguồn: GOST R 51901.15 2005: Quản lý rủi ro. Ứng dụng phương pháp Markov....

trạng thái của hệ thống- Trạng thái của hệ thống Trạng thái của hệ thống Đặc điểm của hệ thống tại thời điểm vận hành. Vì hệ thống được mô tả bởi một tập hợp các biến và tham số thiết yếu nhất định, nên để thể hiện trạng thái của hệ thống, điều cần thiết là... ... Từ điển giải thích tiếng Anh-Nga về công nghệ nano. - M.

trạng thái của hệ thống- sistemos būsena statusas T sritis automatika atitikmenys: engl. trạng thái của hệ thống vok. Systemzustand, ở Nga. trạng thái hệ thống, n pranc. état du système, m … Automatikos terminų žodynas

trạng thái của hệ thống- sistemos būsena statusas T sritis chemija apibrėžtis Makroskopiniais parametrais apibūdinama sistemos būsena. atitikmenys: tiếng anh. trạng thái của hệ thống rus. trạng thái của hệ thống… Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

trạng thái của hệ thống- sistemos būsena statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. trạng thái của hệ thống vok. Systemzustand, ở Nga. trạng thái hệ thống, n pranc. état du système, m … Fizikos terminų žodynas

Tình trạng lỗi hệ thống máy bay- 14 Nguồn: GOST 27332 87: Điều kiện bay của máy bay. Các thuật ngữ và định nghĩa Tài liệu gốc... Sách tham khảo từ điển thuật ngữ quy chuẩn và tài liệu kỹ thuật

Tình trạng hệ thống máy bay- 10. Trạng thái của hệ thống máy bay Trạng thái của hệ thống Tình trạng của hệ thống Các thông số hoạt động của hệ thống máy bay, được xác định bởi tính chất kích hoạt và trạng thái hoạt động hoặc lỗi của nó, sự hiện diện của các trục trặc trong ... ... Sách tham khảo từ điển thuật ngữ quy chuẩn và tài liệu kỹ thuật

tình trạng lỗi hệ thống máy bay- trạng thái lỗi của hệ thống Trạng thái không thể hoạt động của hệ thống máy bay, được đặc trưng bởi sự rối loạn chức năng được coi là của toàn bộ hệ thống, bất kể lý do gây ra nó. [GOST 27332 87] Chủ đề về điều kiện bay của máy bay... ... Hướng dẫn dịch thuật kỹ thuật

Tình trạng lỗi của hệ thống máy bay- 14. Trạng thái lỗi của hệ thống tàu bay Trạng thái lỗi của hệ thống Tình trạng lỗi (tiêu đề= Sửa đổi, IUS 8 88). Trạng thái không thể hoạt động của hệ thống máy bay, được đặc trưng bởi sự vi phạm chức năng của hệ thống ... Sách tham khảo từ điển thuật ngữ quy chuẩn và tài liệu kỹ thuật

Sách

• Hệ thống điều khiển vô tuyến. Quyển 1. Thực trạng và xu hướng phát triển của hệ thống điều khiển vô tuyến. Các tác giả của tập chuyên khảo này đều là những nhà khoa học nổi tiếng, những nhà phát triển và chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực hệ thống điều khiển vô tuyến. Cuốn sách xem xét hiện trạng và xu hướng phát triển của vô tuyến điện tử... Danh mục: Vô tuyến điện tử Series: Series khoa học kỹ thuật Nhà phát hành: Radiotekhnika, Nhà sản xuất: Radiotekhnika,
• Hệ thống điều khiển vô tuyến. Vấn đề 1. Thực trạng và xu hướng phát triển của hệ thống điều khiển vô tuyến, Verba V.S. , Các tác giả của chuyên khảo tập thể là các nhà khoa học nổi tiếng, nhà phát triển và chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực hệ thống điều khiển vô tuyến. Cuốn sách xem xét hiện trạng và xu hướng phát triển của vô tuyến điện tử... Thể loại: Đài phát thanh. Kỹ thuật vô tuyến Bộ: Nhà xuất bản:

Phương pháp động học phân tử. Vật lý phân tử dựa trên hai nguyên tắc chính:

bất kỳ vật thể nào - rắn, lỏng hoặc khí - đều bao gồm các hạt biệt lập, mà chúng ta gọi là phân tử (nguyên tử, ion, v.v.);

các hạt của bất kỳ chất nào đều chuyển động hỗn loạn ngẫu nhiên, nếu không có tác dụng của ngoại lực thì không có hướng ưu tiên nào. Phong trào này được gọi là nhiệt, vì cường độ của nó quyết định nhiệt độ của chất.

Trong đoạn đầu tiên, các hạt mà chất có thể bao gồm, ngoài các nguyên tử và phân tử trung hòa điện, các hạt tích điện - các ion - cũng được đề cập. Trước hết, đây là một trường hợp rất quan trọng về trạng thái plasma của vật chất. Theo những ước tính hiện có, khoảng 95% vật chất nhìn thấy được trong Vũ trụ ở trạng thái plasma. Ngoài ra, trong các dung dịch - ví dụ như muối ăn trong nước - chất hòa tan tồn tại ở dạng ion và hơn nữa, kim loại là tập hợp các ion dương dao động quanh vị trí cân bằng (các nút mạng tinh thể) và các electron tự do tạo thành khí electron . Trong tương lai, sự chú ý chính sẽ tập trung vào trạng thái “thông thường” của vật chất, khi các hạt cấu thành của nó trung hòa về điện. Plasma là trạng thái đặc biệt của vật chất, dung dịch và kim loại sẽ được xem xét riêng biệt: “. trong một chuyển động hỗn loạn ngẫu nhiên, khi không có tác động của ngoại lực thì không có hướng ưu tiên nào." Chúng ta hãy lưu ý những điều sau về vấn đề này: trong tinh thể dị hướng có những hướng ưu tiên do sự tương tác của các hạt tạo nên tinh thể và không liên quan đến các trường lực bên ngoài. Việc xem xét loại tình huống này nằm ngoài phạm vi của chương này.

Lý thuyết động học phân tử đặt ra mục tiêu giải thích các đặc tính đó của một chất được quan sát trực tiếp bằng thực nghiệm (độ nhớt, độ dẫn nhiệt, v.v.) là kết quả tổng thể của hoạt động của các phân tử. Khi làm như vậy, cô sử dụng phương pháp thống kê, không quan tâm đến chuyển động của từng phân tử riêng lẻ mà chỉ quan tâm đến các giá trị trung bình đặc trưng cho chuyển động và tương tác của toàn bộ tập hợp phân tử. Lý thuyết động học phân tử hoạt động dựa trên các định luật vật lý cơ bản tác động lên kính hiển vi cấp độ - các định luật của cơ học cổ điển, điện động lực học, v.v. Do đó, nó có thể dự đoán giá trị của nhiều thông số vật lý của hệ thống dựa trên các nguyên tắc đầu tiên, như người ta nói. Trong chương này chúng ta sẽ giải quyết việc rút ra các định luật nổi tiếng về khí lý tưởng trên cơ sở lý thuyết động học phân tử.

Trạng thái của hệ thống. Trong bất kỳ ngành vật lý nào, việc nghiên cứu các hiện tượng đều bắt đầu bằng việc xác định một tập hợp vật thể, được gọi là hệ thống.

Ví dụ, chúng ta hãy tưởng tượng một chất khí (hệ) trong một xi lanh kín dưới một pít-tông (trung bình), Hình. 1.1.

Cơm. 1.1. Khí trong xi lanh kín dưới piston

Việc thay đổi vị trí của piston hoặc nhiệt độ của thành xi lanh sẽ làm thay đổi trạng thái của hệ thống.

Trạng thái của các hệ đơn giản như khí được đặc trưng bởi các thông số vĩ mô sau: thể tích, áp suất, nhiệt độ . Đương nhiên, chúng ta cũng cần các tham số xác định hệ thống - khối lượng của nó tôi,trọng lượng phân tử tương đối M(hoặc khối lượng nốt ruồi tôi).

Tổng cộng, bốn giá trị: âm lượng , áp lực , nhiệt độ, cân nặng . Hoặc, với khối lượng đã biết của một mol chất trong hệ, số mol. Nếu hệ thống là hỗn hợp của nhiều chất khác nhau thì cần cộng nồng độ tương đối của các thành phần trong hỗn hợp: , đây là khối lượng của chất đó. Rõ ràng, trong trường hợp sau không có bốn tham số mà có nhiều hơn.

Hãy để chúng tôi nhắc nhở bạn rằng

Một định nghĩa khác - tương đương - về nốt ruồi là:

Lưu ý rằng định nghĩa hiện đại về số Avogadro nói rằng số Avogadro bằng số nguyên tử của đồng vị 12 C chứa trong 0,012 kg cacbon-12. Vì vậy, một nốt ruồi có thể được định nghĩa như sau:

Khi giải bài toán, các giá trị khối lượng phân tử tương đối M các nguyên tố được lấy từ bảng tuần hoàn. Khối lượng mol rất dễ tính toán:

Ví dụ, đối với vàng

Đối với các chất phức tạp, cần thực hiện các phép tính số học đơn giản, ví dụ đối với carbon dioxide:

Nói chung, các thông số của hệ thống như áp suất, nhiệt độ, mật độ vật chất có thể có ý nghĩa khác nhau ở những điểm khác nhau. Trong trường hợp này, toàn bộ hệ thống không thể được chỉ định các giá trị nhất định của các tham số này; trạng thái không cân bằng. Tuy nhiên, kinh nghiệm cho thấy rằng nếu các điều kiện bên ngoài không thay đổi thì cuối cùng hệ thống sẽ đi đến kết quả trạng thái cân bằng: áp suất và nhiệt độ của các bộ phận riêng lẻ của nó được cân bằng, do đó các tham số của hệ thống đảm nhận các giá trị nhất định không đổi vô thời hạn. Trong trường hợp này, các điều kiện bên ngoài phải sao cho không có sự truyền vật chất, năng lượng, động lượng, v.v. trong hệ thống.

Để đơn giản, chúng ta hãy xem xét một hệ có tổng khối lượng không đổi, thành phần và nồng độ tương đối của các chất cấu thành nó không đổi. Điều này xảy ra, ví dụ, khi không có phản ứng hóa học nào diễn ra trong hệ thống. Với cách tiếp cận tổng quát hơn: trong hệ thống không có quá trình tạo ra và phá hủy các hạt cấu thành của nó. Ví dụ, phản ứng tạo thành phân tử nước từ phân tử oxy và hydro

có thể coi là một quá trình phân hủy các hạt và sự ra đời của các hạt. Trong một số trường hợp, ví dụ, trong chất khí photon (bức xạ nhiệt), sự hiện diện của các quá trình tạo ra và phá hủy các hạt về cơ bản là quan trọng.

thông tin thêm

http://www.femto.com.ua/articles/part_2/4471.html - Bách khoa toàn thư vật lý. Thế năng hóa học: một đại lượng vật lý cần thiết để mô tả các tính chất của hệ nhiệt động với số lượng hạt thay đổi;

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0017.html - Bách khoa toàn thư vật lý. Định luật Avogadro;

http://marklv.narod.ru/mkt/mkt.htm - Bài học ở trường có hình ảnh về giả thuyết động học phân tử;

Như sẽ thấy ở phần sau, để mô tả đầy đủ trạng thái cân bằng của một hệ như vậy, chỉ có ba tham số là đủ: . Hơn nữa, nếu trạng thái cân bằng, thì có mối liên hệ giữa ba tham số này: hai tham số đã cho của hệ (ví dụ: nhiệt độ và thể tích của nó) xác định duy nhất tham số thứ ba (trong trường hợp này là áp suất). Về mặt toán học, mối quan hệ này có thể được mô tả phương trình trạng thái của hệ

,

loại chức năng cụ thể ở đâu F phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống. Một ví dụ là phương trình Clapeyron - Mendeleev hoàn hảo hoặc van der Waalsđối với các khí không lý tưởng (các phương trình này sẽ được thảo luận dưới đây).

Như vậy, tại hệ cân bằng với khối lượng, thành phần và nồng độ tương đối không đổi các chất cấu thành của nó - trong tương lai chúng tôi sẽ không nêu rõ điều này mọi lúc - Chỉ có hai tham số độc lập và trạng thái cân bằng của nó có thể được mô tả bằng đồ thị bằng một điểm trên mặt phẳng (Hình 1.2), trong đó hai trong ba tham số bất kỳ được vẽ dọc theo trục - , hoặc:

Cơm. 1.2. Trạng thái cân bằng của hệ trên các giản đồ (p,V), (p,T) và (V,T)

Quá trình này luôn gắn liền với sự vi phạm trạng thái cân bằng nhiệt động của trạng thái hệ thống. Hiện tại, theo trạng thái cân bằng nhiệt động, chỉ cần hiểu trạng thái trong đó tất cả các quá trình trao đổi năng lượng có thể xảy ra đều không có: 1) không có hệ thống con nào của hệ thống thực hiện công trên các hệ thống con khác; 2) không có hệ thống con nào của hệ thống trao đổi nhiệt với các hệ thống con khác của hệ thống; 3) không có hệ thống con nào của hệ thống trao đổi hạt với các hệ thống con khác của hệ thống. Như sẽ thấy ở phần sau, các loại trao đổi năng lượng khác ở dạng thông thường (trong đó không có quá trình tạo ra và phá hủy các hạt) không tồn tại. Cuối cùng, từ đây, chỉ cần xác định ba tham số độc lập (ví dụ: số lượng hạt, thể tích và nội năng) là đủ để mô tả trạng thái cân bằng nhiệt động của hệ một thành phần.

Nếu trạng thái của hệ thống thay đổi theo thời gian thì một số quá trình đang diễn ra trong hệ thống. Nói chung, điều ngược lại là không đúng: trạng thái của hệ thống có thể không thay đổi, mặc dù một quá trình đang diễn ra trong đó - trạng thái đứng yên nhưng không cân bằng của hệ thống. Ví dụ, trong quá trình truyền nhiệt đứng yên, trạng thái của hệ thống là không cân bằng, mặc dù nó không thay đổi theo nghĩa là sự phân bố nhiệt độ, áp suất, mật độ, v.v. trong toàn bộ thể tích của hệ thống không thay đổi.

Với một quá trình vô cùng chậm, chúng ta có thể giả sử rằng tại bất kỳ thời điểm nào, trạng thái của hệ thống là cân bằng. Về mặt vật lý, điều này có nghĩa là thời gian đặc trưng của quá trình dài hơn nhiều so với thời gian cần thiết để thiết lập trạng thái cân bằng trong hệ, còn được gọi là thời gian hồi phục. . Quá trình này được gọi là một quá trình cân bằng

Rõ ràng là quá trình cân bằng lại là một sự lý tưởng hóa khác. Để quá trình được coi - với độ chính xác hữu hạn nào đó - là trạng thái cân bằng, điều cần thiết là bất đẳng thức

và nó càng được thực hiện tốt thì quá trình càng tiến gần đến trạng thái cân bằng.

Một quá trình cân bằng có thể được coi là một chuỗi các trạng thái cân bằng. Trong tương lai, chỉ các quá trình cân bằng sẽ được nghiên cứu (trừ khi có quy định cụ thể khác).

Vì trạng thái của hệ thống được biểu thị bằng một điểm trên sơ đồ và quá trình là một chuỗi các trạng thái cân bằng, nên quá trình như vậy được biểu thị bằng một đường trên sơ đồ. Mỗi điểm trên đường thẳng là trạng thái trung gian cân bằng có điều kiện của hệ thống. Quá trình cân bằng là quá trình có thể đảo ngược, nghĩa là nó có thể chảy theo hướng ngược lại, đi qua các trạng thái trung gian giống nhau theo thứ tự ngược lại mà không có bất kỳ thay đổi nào còn lại ở các vật thể xung quanh.

Đương nhiên, khi đó không có lực nào tương tự như lực ma sát tác dụng trong hệ. Dưới đây chúng ta sẽ làm quen với các sơ đồ mô tả một số quá trình đặc trưng trong hệ nhiệt động lực học.

Biết trạng thái của hệ thống, chúng ta có thể tìm thấy nhiều hàm trạng thái - các đặc tính vật lý chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ thống, nghĩa là chúng nhận các giá trị giống nhau bất cứ khi nào hệ thống ở trạng thái nhất định, bất kể lịch sử trước đó của nó.

Nhiệt độ. Hệ thống nào cũng có mức dự trữ nhất định năng lượng bên trong, không liên quan đến vị trí hoặc chuyển động của toàn bộ hệ thống so với môi trường bên ngoài. Chúng ta sẽ nói chi tiết hơn về nội năng, nhưng hiện tại, chỉ cần hiểu bằng trực giác là đủ để chúng ta hiểu rằng nếu chúng ta ném một quả trứng với tốc độ nào đó, chúng ta sẽ không làm chín nó, mặc dù động năng của quả trứng sẽ tăng lên. Để nấu trứng luộc mềm, bạn không cần cho trứng vào mà phải đun nóng.

Để mô tả một cách định lượng nội năng, khái niệm này được đưa ra nhiệt độ. Nhiệt độ chiếm một vị trí đặc biệt trong số các đại lượng vật lý. Kinh nghiệm cho thấy nó đặc trưng cho trạng thái cân bằng nhiệt của các vật thể. Nếu bạn đưa hai vật thể có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau thì do sự tương tác giữa các phân tử, các vật thể này sẽ trao đổi năng lượng. Sau một thời gian, nhiệt độ sẽ giảm dần và quá trình truyền nhiệt sẽ dừng lại và trạng thái cân bằng nhiệt sẽ xảy ra. Trạng thái cân bằng nhiệt là trạng thái mà bất kỳ hệ cô lập nào cũng chuyển sang theo thời gian.

Các phương pháp thông thường để xác định nhiệt độ dựa trên sự phụ thuộc của một số tính chất của vật thể (thể tích, áp suất, v.v.) vào nó. Trong trường hợp này, thân nhiệt kế và mức chia độ của thang đo nhiệt độ được chọn. Phổ biến nhất là thang đo độ bách phân (thang độ C, Hình 1.3).

Cơm. 1.3. Thang đo độ C

Phần của thang đo này nằm giữa điểm đóng băng (sự kết tinh của nước hoặc tương tự, sự tan chảy của băng) và điểm sôi của nước ở áp suất khí quyển bình thường được chia thành 100 phần bằng nhau. Phần này được gọi là độ C(ký hiệu là t°C). Như vậy, điểm kết tinh của nước tương ứng với 0°C, và điểm sôi - 100°C. Chúng tôi nhấn mạnh rằng cả ở áp suất bình thường là 760 mm Hg. Nghệ thuật. Ở Mỹ họ cũng sử dụng thang đo Fahrenheit (ký hiệu là t°F).Đối với điểm 0 trong thang đo của mình, Fahrenheit đã chọn nhiệt độ thấp nhất mà anh có thể tái tạo trong phòng thí nghiệm của mình - điểm nóng chảy của hỗn hợp muối và nước đá. Điểm đóng băng của nước trong thang đo này tương ứng với nhiệt độ 32°F, và điểm sôi - 212°F. Khoảng thời gian này không được chia thành một trăm mà thành 180 phần (tương tự như độ góc). Do đó, độ F nhỏ hơn độ C (hệ số 100/180 = 5/9 ). Mối quan hệ giữa nhiệt độ ở hai thang đo này được cho bởi công thức