Термодинамическая система – это тело или совокупность тел, которые находятся во взаимодействии и отделены от окружающей среды реальной или воображаемой поверхностью деления. В зависимости от способности системы обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Различают такие типы систем:
- изолированная – это такая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией;
- закрытая – это система, которая обменивается с окружающей средой энергией, и не обменивается веществом;
- открытая – это система, которая обменивается с окружающей средой, как энергией, так и веществом.
Система может быть гомогенной и гетерогенной. Гомогенная система состоит из одной фазы, а гетерогенная – из нескольких фаз (например: лед – вода, вода – масло и тому подобное).
Фаза – это часть гетерогенной системы, которая отделена поверхностями деления и имеет в любом макроскопическом объеме одинаковые физические и химические свойства.
Состояние системы определяется совокупностью свойств, или параметрами.
Все параметры системы разделяют на две группы. Первые – экстенсивные свойства – зависят от размеров системы (объем V, масса m, теплоемкость C). Вторая группа – интенсивные свойства - не зависит от размеров системы (температура Т, давление Р., концентрация С, потенциал µ).
Совокупность термодинамических параметров определяет термодинамическое состояние системы. Если термодинамические параметры со временем самостоятельно не изменяются, то система находится в состоянии равновесия, а параметры, при которых наблюдается такое состояние, называют равновесными.
Переход системы из одного состояния в другой называют процессом. В термодинамике различают такие виды процессов:
- круговой – это процесс, в результате хода которого система возвращается к исходному состоянию. После его изменения любой функции состояния системы равняются нулю;
- изотермический – это процесс, которой происходит при постоянной температуре (Т = const);
- изобарный – это процесс, которой происходит при постоянном давлении (Р = const);
- изохорный – это процесс, во время хода которого объем системы остается постоянным (V =const);
- адиабатный – это процесс, который происходит без обмена тепла с окружающей средой, то есть система не получает тепла извне и не отдает его окружающей среде (ΔQ = 0).
Кроме того, различают обратимые и необратимые процессы. Процессы, которые можно осуществить в обратном направлении, называют обратимыми.
Если во время хода процесса происходят изменения, такой процесс называют необратимым.
Мерой движения и взаимодействия материальных систем является энергия. Полная энергия системы складывается из кинетической и потенциальной энергий как целого и ее внутренней энергии.
Внутренняя энергия системы U – это общий запас энергии, который состоит из кинетической энергии движения ее составных частей (молекул, атомов, ионов, элементарных частиц и тому подобное) и потенциальной энергии их взаимодействия без учета кинетической энергии системы в целом и потенциальной энергии ее положения. Величина внутренней энергии зависит от природы тела, его массы, химического состава и параметров, которые обуславливают состояние системы – давления, объема, температуры.
Внутреннюю энергию, отнесенную к одному молю вещества называют молярной внутренней энергией и измеряют в джоулях на моль (Дж/моль)
В термодинамике вместе с внутренней энергией широко используют такую термодинамическую функцию, как энтальпия Н.
Энтальпия – это энергия, которой обладает система при постоянном давлении; она численно равняется сумме внутренней энергии U и произведения объема вещества на внешнее давление рV: