Թերմոդինամիկական մեծություններ

Թերմոդինամիկական մեծություններ, ֆիզիկական մեծություններ, որոնք կիրառվում են թերմոդինամիկական համակարգերի վիճակն ու պրոցեսները նկարագրելու համար։ Թերմոդինամիկան այս մեծությունները դիտարկում է որպես որոշ մակրոսկոպիկ փոփոխականներ (մակրոսկոպիկ պարամետրերԿաղապար:Sfn), որոնք բնորոշ են համակարգին կամ համակարգում ընթացող պրոցեսին, բայց դրանք չի կապում միկիոսկոպիկ մակարդակում դիտվող համակարգի հատկությունների հետ։ Վերջին վիճակագրական ֆիզիկայի դիտարկման թեմա է։ Համակարգի միկրոսկոպիկ նկարագրությունից մակրոսկոպիկին անցնելը հանգեցնում է համակարգի նկարագրման անհրաժեշտ ֆիզիկական մեծությունների քանակի կտրուկ կրճատմանը։ Օրինակ, եթե համակարգը որոշակի քանակով գազ է, ապա ուշադրություն են դարձնում միայն համակարգը բնութագրող $V$ ծավալին, $T$ ջերմաստիճանին, $P$ ճնշմանը և $m$ զանգվածինԿաղապար:Sfn։

Տերմինաբանություն

Թերմոդինամիկական մեծություններին վերաբերող միասնական տերմինաբանություն գոյություն չունի։ Միևնույն ֆիզիկական մեծությունը կարող է կոչվել թերմոդինամիկական մեծություն, կոորդինատ, փոփոխական, պարամետր, ֆունկցիա կամ պարզապես հատկություն՝ կախված ենթատեքստից կամ այս կամ այն թերմոդինամիակական առնչության մեջ ունեցած դերիցԿաղապար:Sfn։ Որոշ հասկացությունների և տերմինների համար կա Տեսական և կիրառական քիմիայի միջազգային միության հանձնարարականըԿաղապար:Sfn։ ԽՍՀՄ դասագրքերում, գիտահանրամատչելի գրականության մեջ , տեխնիկական փաստաթղթերում հանձնարարելի էր կիրառել հատուկ տեղեկագրքում հրատարակված սահմանումներԿաղապար:Sfn։

Թերմոդինամիկական մեծությունների դասակարգումը

Թերմոդինամիկական մեծությունները հնարավոր է դասակարգել տարբեր եղանակներով։ Թերմոդինամիկական մեծությունները կարող են լինել վիճակի պարամետրեր (ինտենսիվ կամ ադիտիվ), պրոցեսների (փուլային ռեակցիայի կամ քիմիական ռեակցիայի) պարամետրեր տրված պայմաններում, նյութի հատկություններ (ջերմամեխանիկական, ջերմաքիմիական, ջերմաֆիզիկական), պրոցեսների ֆունկցիոնալ (աշխատանք, զանգվածի փոխանակման էներգիա, ջերմություն)Կաղապար:SfnԿաղապար:Sfn։

Անկախ վիճակի փոփոխականներ և վիճակի ֆունկցիաներ

Թերմոդինամիկական համակարգի վիճակ ասելով հասկանում են նրա հատկությունները համախումբըԿաղապար:Sfn։ Թերմոդինամիկական համակարգի մակրոսկոպիկ հատկությունների համար կիրառվող բոլոր ֆիզիկական և ֆիզիկա-քիմիական փոփոխականները, որոնք անկախ են համակարգի նախապատմությունից (թե ինչ ճանապարհով է համակարգը եկել դիտարկվող վիճակին), այսինքն՝ լրիվ որոշվում են ժամանակի տվյալ պահին համակարգի վիճակով, կոչվում են թերմոդինամիկական վիճակի փոփոխականներԿաղապար:SfnԿաղապար:Sfn (վիճակի պարամետրերԿաղապար:SfnԿաղապար:Sfn, վիճակի ֆունկցիաներԿաղապար:SfnԿաղապար:Sfn)։

Համակարգի վիճակն անվանում են ստացիոնար, եթե համակարգի պարամետրերը ժամանակի ընթացքում չեն փոխվում։ Թերմոդինամիկական հավասարակշռության վիճակը ստացիոնար վիճակի մասնավոր դեպք է։ Համակարգի վիճակի ցանկացած փոփոխություն կոչվում է թերմոդինամիկական պրոցեսԿաղապար:SfnԿաղապար:SfnԿաղապար:Sfn։ Ցանկացած պրոցեսում պարտադիր է գոնե մեկ վիճակի փոփոխականի փոփոխությունը։ Վիճակների անընդհատ հաջորդականությունը, որոնք փոխարինում են իրար սկզբնական վիճակից վերջնական վիճակին համակարգի անցման ժամանակ, կոչվում են պրոցեսի ճանապարհԿաղապար:SfnԿաղապար:Sfn։

Քանի որ միևնույն վիճակի փոփոխականը տարբեր խնդիրներում կարող է հանդես գալ և որպես անկախ փոփոխական, և որպես այլ անկախ փոփոխականների ֆունկցիա, «վիճակի ֆունկցիա», «վիճակի պարամետր» և «վիճակի փոփոխական» տերմինները երբեմն դիտարկվում են որպես հոմանիշներ և վիճակի ֆունկցիա է կոչվում ցանկացած վիճակի փոփոխական՝ պահանջվող մաթեմատիկական սահմանազատումներ չանելով ֆունկցիայի, նրա արգումենտների և ֆունկցիայի սահմանման մեջ մտնող թվային գործակիցների միջև։

Վիճակի փոփոխականներն իրար հետ կապված են վիճակի հավասարումներով (թերմիկ, կալորիկ) և այլ առնչություններով (օրինակ՝ Գիբս-Դյուհեմի հավասարումը), այդ պատճառով համակարգի վիճակը միարժեքորեն բնութագրելու համար բավական է իմանալ միայն մի քանի մեծություններ, որոնք կոչվում են անկախ վիճակի փոփոխականներ։ Մնացած վիճակի փոփոխականները անկախ փոփոխականների ֆունկցիաներ են՝ վիճակի ֆունկցիաներ և միարժեքորեն սահմանվում են, եթե տրված են նրանց արգումենտների արժեքներըԿաղապար:Sfn։ Ընդ որում շատ խնդիրների համար նշանակություն չունի՝ հայտնի՞ են դիտարկվող համակարգի որոշակի վիճակի հավասարումները, կարևոր է միայն, որ միշտ իրապես գոյություն ունեն համապատասխան կախվածությունները։ Վիճակի անկախ փոփոխականների թիվը կախված է որոշակի համակարգի բնույթից, իսկ դրանց ընտրությունը բավականին կամայական է, և պայմանավորված է նպատակահարմարությամբԿաղապար:SfnԿաղապար:Sfn։ Ընտրությունն անելուց հետո օգտագործվող փոփոխականների հավաքածուն արդեն չի կարելի խնդրի ընթացքում կամայականորեն փոխել։ Դասական թերմոդինամիկայի մաթեմատիկական ապարատի էական մասը (այդ թվում յակոբյանի և Լեժանդրի ձևափոխությունների կիրառությունըԿաղապար:Sfn) վերաբերում է հենց փոփոխականների փոխարինման և մի անկախ փոփոխականների համախմբից մյուսին անցնելու խնդրին Կաղապար:Sfn։

Անկախ փոփոխականներ են, օրինակ՝

• ջերմաստիճանը,
• ճնշումը,
• համակարգը կազմող նյութերի բաղադրիչների կոնցենտրացիաները,,
• ծավալը,
• համակարգը կազմող նյութերի զանգվածները,
• բաղադրիչ նյութերի քիմիական պոտենցիալները,
• ներքին էներգիան,
• էնտրոպիան,
• թերմոդինամիկական պոտենցիալները,
• բնութագրիչ ֆունկցիաները։

Վիճակի փոփոխականների և պարամետրերի մաթեմատիկական դասակարգումը

Թերմոդինամիկայի հավասարումների մեջ մտնող մեծությունները դիտարկվում են կամ որպես թվային ֆունկցիաներ՝ վիճակի ֆունկցիաներ, կամ որպես այդ ֆունկցիաների արգումենտներ՝ անկախ վիճակի փոփոխականներ, կամ հավասարման որպես պարամետրեր (գործակիցներ, անորոշ կոնստանտներ)՝ թվային պարամետրեր, որոնց կոնկրետ արժեքները հաստատուն են կամ էական չեն դիտարկվող խնդրի համարԿաղապար:Sfn։ Շփոթությունից խուսափելու համար խորհուրդ է տրվում նախապատվությունը տալ «թերմոդինամիկական փոփոխականներ» և «պարամետրեր (թվային)» տերմիններինԿաղապար:Sfn։

Վիճակը բնութագրող միևնույն մեծությունը կախված թերմոդինամիկական համակարգի բնույթից և խնդրի դրվածքից կարող է հանդես գալ թվարկվածներից յուրաքանչյուր դերում՝ և՛ որպես անկախ փոփոխական, և՛ որպես վիճակի ֆունկցիա, և՛ որպես թվային պարամետր։ Այսպես, $V$ ծավալը իդեալական գազի թերմիկ վիճակի հավասարման մեջԿաղապար:SfnԿաղապար:Sfn

$PV=nRT$

որտեղ $n$-ը գազի մոլերի թիվն է, $R$-ը՝ ունիվերսալ գազային հաստատունը, կարող է լինել ինչպես վիճակի ֆունկցիա՝

$V=V(P,T),$

այնպես էլ վիճակի անկախ փոփոխական՝

$P=P(T,V),$

$T=T(P,V),$

մինչդեռ ֆոտոնային գազի կալորիկ վիճակի հավասարման մեջԿաղապար:Sfn ծավալը մտնում է արդեն որպես թվային պարամետր՝

$U=\alpha V{T}^4,$

որտեղ $U$-ն ներքին էներգիան է, $\alpha$-ն՝ ճառագայթման հաստատունը, իսկ ֆոտոնային գազի թերմիկ վիճակի հավասարման մեջԿաղապար:Sfn ծավալն ընդհանրապես չի մտնում՝

$P=\frac{\alpha }{3}{T}^4$։

Վիճակի ֆունկցիայի փոփոխությունը ցանկացած թերմոդինամիկական պրոցեսում հավասար է իր արժեքների տարբերությանը պրոցեսի վերջում և սկզբում և կախված չէ պրոցեսի ճանապարհից։ Մաթեմատիկական տեսանկյունից դա նշանակում է, որ ցանկացած վիճակի ֆունկցիայի անվերջ փոքր փոփոխություն լրիվ դիֆերենցիալ է Կաղապար:SfnԿաղապար:Sfn։ Քանի որ լրիվ դիֆերենցիալի ինտեգրալը կախված չէ ինտեգրման ճանապարհիցԿաղապար:Sfn, ապա վիճակի ֆունկցիայի լրիվ դիֆերենցիալի փակ կոնտուրով ինտեգրալը հավասար է զրոյիԿաղապար:Sfn։ Ֆիզիկական տեսանկյունից դա նշանակում է, որ եթե համակարգը մի շարք անցումների արդյունքում վերադառնում է սկզբնական վիճակին՝ կատարում է ցիկլ, ապա վիճակի ֆունկցիայի փոփոխությունը այդպիսի պրոցեսում հավասար է զրոյիԿաղապար:SfnԿաղապար:SfnԿաղապար:Sfn։ Այսպես, թերմոդինամիկական համակարգի $U$ ներքին էներգիայի համար ունենք

$\oint dU=0$։

Ճշմարիտ է և հակադարձ պնդումը. եթե թերմոդինամիկական մեծության փոփոխությունը ցիկլում հավասար է զրոյի, ապա այդ մեծությունը վիճակի փոփոխական էԿաղապար:Sfn։

Վիճակների տարածություն, թերմոդինամիկական մակերևույթ, վիճակների դիագրամներ

Իդեալական գազի իզոթերմները

Փակ թերմոդեֆորմացիոն համակարգի համար երեք փոփոխականներով, որոնցից երկուսը անկախ են, իսկ երրորդը ֆունկցիա է նրանցից, առաջացող աբստրակտ տարածությունը կոչվում է թերմոդինամիկական վիճակների տարածությունԿաղապար:Sfn (թերմոդինամիկական տարածությունԿաղապար:Sfn) P—V—T-վիճակների տարածության փոփոխականները կապված են թերմիկ վիճակի հավասարումով՝

$f(P,V,T)=0,$

որը համապատասխանում է թերմոդինամիկական մակերևույթինԿաղապար:SfnԿաղապար:SfnԿաղապար:Sfn՝ ֆիգուրատիվ կետերի երկրաչափական տեղը, որը արտապատկերում է համակարգի վիճակը թերմոդինամիակական տարածության մեջԿաղապար:SfnԿաղապար:Sfn։ Վիճակների տարածության մեջ պրոցեսներին համապատասխանում են այդ մակերևույթի վրայի գծերըԿաղապար:Sfn։

Ջրի թերմոդինամիկական մակերևույթը

Ջրի փուլային դիագրամը

Որոշ հեղինակներ ենթադրում են, որ թերմոդինամիկական տարածությունը կազմում են միայն անկախ փոփոխականներըԿաղապար:Sfn, այսինքն՝ մեր դիտարկած դեպքում այն ոչ թե եռաչափ ա, այլ երկչափ և իրենից ներկայացնում է թերմոդինամիկական վիճակի դիագրամԿաղապար:SfnԿաղապար:Sfn՝ եռաչափ թերմոդինամիկական մակերևույթի հարթ պրոյեկցիան երեք կոորդինատային հարթություններից մեկում։ Համակարգի յուրաքանչյուր վիճակին դարձելիորեն և միարժեքորեն կետ է համապատասխանում վիճակների դիագրամի վրաԿաղապար:Sfn, իսկ թերմոդինամիկական պրոցեսին՝ գիծ, որը P—V-դիագրամի վրա կոչվում է ''իզոթերմ'', P—T-դիագրամի վրա՝ ''իզոխոր'', V—Tդիագրամի վրա՝ իզոբարԿաղապար:Sfn։ Եթե վիճակի դիագրամի վրա իզոգծեր են տարված, ապա պրացեսը պատկերում են իզոթերմի, իզոխորի կամ իզոբարի հատվածներով։

Հետերոգեն համակարգի թերմոդինամիկական մակերևույթի եռաչափ պատկերումը կոչվում է ծավալային փուլային դիագրամ (տարածական փուլային դիագրամ, եռաչափ թուլային դիագրամ, եռաչափ վիճակի դիագրամ):

Հետերոգեն համակարգի թերմոդինամիկական մակերևույթի պրոեկցիան P—T-կոորդինատական հարթության մեջ փուլային դիագրամ էԿաղապար:Sfn, այսինքն՝ վիճակի դիագրամ, որի վրա փուլային հավասարակշռության գծեր են տարվելԿաղապար:SfnԿաղապար:SfnԿաղապար:SfnԿաղապար:Sfn։