Понятие состояния системы. Термодинамические параметры состояния системы Состояние системы характеризуется ее

Результаты организационных процессов требуют оценки. Для этого необходимо иметь четкое представление о состоянии системы.

Процессы, происходящие в сложных системах, как правило, сразу не удается представить в виде математических соотношений или хотя бы алгоритмов. Поэтому для того, чтобы хоть как-то охарактеризовать стабильную ситуацию или ее изменения, используются специальные термины, заимствованные теорией организации из теории автоматического регулирования, кибернетики, биологии, философии.

Состояние. Понятием состояние обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы, остановку в ее развитии. Его определяют через входные воздействия и выходные сигналы, через анализ внутренних параметров, либо через макропараметры, макросвойства системы.

Проблемы, связанные со «срезом» системы:

1) текущее состояние должно быть объективным, нельзя завышать или занижать показатели;

2) определение времени, когда осуществлять данный «срез». В каждый момент времени состояние различное (напр., состояние предприятия на 1 января, по кварталам, на конец года);

3) определение того, какой временной интервал использовать между «срезами».

Каждая динамическая система может находиться в одном из трех состояний: равновесном, переходном и периодическом. Равновесным состоянием системы называется такое ее состояние, при котором сумма действующих на систему сил и моментов равна нулю. При этом следует различать два вида равновесного состояния - статическое и динамическое.

В качестве примеров состояния статического равновесия можно привести состояние покоящегося физического тела. Примером динамического равновесия является поддержание неизменной в среднем температуры тела у здорового человека.

Под переходным процессом понимается процесс изменения во времени параметров системы, имеющий место при переходе ее из одного равновесного состояния в другое. Переходный процесс в динамических системах возникает в результате воздействий, которые изменяют состояние, структуру или параметры системы. В ряде случаев переходный процесс носит более сложный - колебательный характер.

Поведение . Если система способна переходить из одного состояния в другое (например, S 1 > S 2 > S 3 > S 4 > …), то говорят, что она обладает поведением. По характеру перехода из одного состояния в другое системы делят на статические и динамические .

Равновесие . Понятие равновесие определяют как способность системы в отсутствии внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранять свое состояние сколь угодно долго. Это состояние называют состоянием равновесия .

Устойчивость . Под устойчивостью понимают способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних или внутренних возмущающих воздействий. Состояние равновесия, в которое система способна возвращаться, называют устойчивым состоянием равновесия.

Развитие . Развитие - закономерное качественное изменение материальных и идеальных объектов, характеризующееся как необходимое и направленное. Обратимые изменения характерны для процессов функционирования (т.е. циклического воспроизведения постоянной системы связей и отношений). В результате развития возникает новое качественное состояние объекта. Существенную характеристику развития составляет время, поскольку всякое развитие осуществляется во времени и только время выявляет его направленность.

Порядок - это состояние элементов, при котором событие, произошедшее в одном из них, вызывает и (или) ограничивает события (процессы), происходящие в остальных элементах. Мир без ограничений был бы всеобщим хаосом. Хаос и разнообразие уменьшаются организацией, или наложением ограничений. Для наложения ограничений на систему используется информация, которая противодействует тенденциям системы к дезорганизации.

Хаос - это такое состояние определенного множества элементов, при котором событие, произошедшее в одном из них, ни в какой мере не влияет на события (процессы), происходящие в остальных элементах. Любая система находится в промежуточном состоянии между полным хаосом и абсолютным порядком.

Разнообразие - это количество различных состояний (состояний выхода) какой-либо системы. При одном-единственном состоянии разнообразие отсутствует, поэтому оно возникает при наблюдении как минимум двух состояний. Информация об этих состояниях называется отраженным разнообразием.

Для оценки разнообразия какого-либо объекта используется количество разнообразия или мера неопределенности - энтропия . Н. Винер выразил дуальность энтропия-информация следующим образом: «Как количество информации в системе есть мера организованности системы, точно так же энтропия есть мера дезорганизованности системы; одно равно другому, взятому с обратным знаком». Если возможности перехода в любое состояние объекта равновероятны, то энтропия определяется логарифмом числа различных возможных состояний объекта (x ) с основанием два: log 2 x . Для измерения количества разнообразия используются двоичные единицы - биты. Так, разнообразие сторон монеты составит 1 бит (log=1 ). Шесть граней игральной кости несут разнообразие равное 2,6 бит, 32 буквы алфавита - 5 бит. Если имеется только одно состояние, то разнообразие отсутствует - логарифм равен нулю. Любое изменение в сторону неравенства вероятностей уменьшает неопределенность, а следовательно, и энтропию.

Величина энтропии служит количественной оценкой информации, извлеченной из проведенных наблюдений. Увеличение энтропии можно рассматривать как «разрушение информации». На оборот, информация - это то, что ограничивает разнообразие, устраняет неопределенность частично или полностью, снижает энтропию, т. е. является негэнтропией .

Определение термодинамической системы

Термодинамической системой называют совокупность макрообъектов (тел, полей), которые обмениваются энергией друг с другом и внешними (по отношению к системе) объектами. Такую систему называют замкнутой (изолированной), если у нее нет ни какого обмена энергией с внешними телами. Если нет обмена только теплотой, то система адиабатический изолирована. Систему называют закрытой, если нет массообмена у нее с внешней средой.

Определение термодинамических параметров

Величины, которые характеризуют состояние термодинамической системы, называют термодинамическими параметрами. Два состояния системы считают разными, если у этих состояний отличается хотя бы один из параметров. Состояние системы называют стационарным, если параметры системы не изменяются во времени. Стационарное состояние системы равновесно, если система находится в стационарном состоянии не благодаря какому-либо внешнему процессу.

Термодинамические параметры имеют связи между собой. Поэтому для однозначного определения состояния термодинамической системы достаточно ограниченного числа термодинамических параметров. Основными параметрами состояния термодинамической системы являются: давление, температура, удельный объем ($V_u$) (или молярный${(\ V}_{\mu })$).

Определение давления

Давлением $(p)\ $называют физическую величину, равную:

где $F_n$ -- проекция силы на нормаль к участку тела $\triangle S$, $\triangle S\ $- площадь тела. Единица измерения давления в системе СИ паскаль -- $\frac{H}{м^2}$=Па.

Определение удельного объема

Удельным объемом $V_u$ называют величину, обратную плотности $\rho:\ $

Для однородного тела удельный объем:

где m -- масса тела.

Молярный объем $V_{\mu }$ равен:

Определение температуры

Температурой (t, или T) называют физическую величину, характеризующую степень нагретости тела. Различают несколько видов температуры (в зависимости от используемой шкалы измерения). В состоянии термодинамического равновесия все тела системы (все части системы) имеют равные температуры.

В соответствии с правилом Гиббса состояние однородной (в физическом смысле) термодинамической системы полностью определяется двумя параметрами. Уравнение, которое связывает параметры термодинамической системы, называют уравнением состояния. Так, например, можно записать уравнение для внутренней энергии (в общем виде):

такое уравнение состояния называют калористическим. В этом уравнении ${(x}_1,\ x_2,\dots ,\ x_n)-\ $внешние параметры системы, В термодинамике уравнения состояния принимаются известными и не выводятся.

Макроскопические термодинамические параметры, описывающие систему целиком, имеют смысл средних значений (за большой промежуток времени) каких-то функций, характеризующих динамическое состояние системы.

Кроме параметров термодинамические системы описывают с помощью функций состояния (иногда об этих физических величинах говорят как о параметрах состояния термодинамической системы).

Определение функций состояния

Функции состояния -- это такие физические величины, изменение которых не зависит от вида (пути) перехода системы из состояния 1 в состояние 2.

Важнейшими функциями состояния в термодинамике являются: внутренняя энергия (U), энтальпия (H), энтропия (S).

Внутренняя энергия -- функция состояния системы, определена, как:

где $W$- полная энергия системы, $E_k$- кинетическая энергия макроскопического движения системы, $E^{vnesh}_p$- потенциальная энергия системы, которая является результатом, действия на систему внешних сил.

Внутренняя энергия идеального газа часто выражается следующим образом:

где i -- число степеней свободы молекулы, $\nu $ -- количество молей вещества, R -- газовая постоянная.

Энтальпия (теплосодержание) -- функция состояния системы, определяется как:

Энтальпия идеального газа зависит только от T и пропорциональна m:

где $C_p$ -- теплоемкость газа при изобарном процессе, $H_0=U_0$ -- энтальпия при $T=0K$.

Энтропия -- функция состояния системы. Дифференциал энтропии в обратимом процессе :

Термодинамические параметры можно разделить на экстенсивные, зависящие от массы системы (например, U, S, H) и интенсивные, соответственно, от массы не зависящие (например, T, $\rho \ $).

Пример 1

Задание: Найти изменение внутренней энергии идеального газа в процессе при постоянном давлении (p), если объем газа изменяется от$V_1\ до\ $ $V_2.$ Газ двухатомный (колебательные степени свободы не учитывать).

Бесконечно малое приращение внутренней энергии идеального газа задано формулой:

Из уравнения Менделеева-Клайперона выразим температуру (T), помним, что давление постоянно:

Подставим (1.2) в (1.1), получим:

Найдем изменение внутренней энергии газа:

\[\triangle U=\frac{i}{2}p\ \int\limits^{V_2}_{V_1}{dV=\frac{i}{2}p\left(V_2-V_1\right)}\ \left(1.3\right),\]

где i =5 по условию задачи, так как газ двухатомный.

Ответ: Изменение внутренней энергии газа в заданном процессе: $\triangle U=\frac{i}{2}p\left(V_2-V_1\right).$

Пример 2

Задание: Азот массы 1 кг нагрели на 100 К при постоянном объеме. Найти количество теплоты, полученное газом в заданном процессе. Работу газа, изменение внутренней энергии.

Сразу дадим ответ относительно работы газа. Так как процесс изохорный (изменения объема нет), то работа газа равна нулю.

Изменение внутренней энергии газа можно записать как:

\[\triangle U=\frac{i}{2}\nu R\triangle T\left(2.1\right),\]

\[\nu =\frac{m}{\mu }\left(2.2\right),\]

молярная масса азота находится с помощью таблицы Менделеева, она равна:

\[{\mu }_{N_2}=28\cdot {10}^{-3}\frac{кг}{моль}\]

Все данные в задаче в системе СИ, молекула азота состоит из двух атомов, число степеней свободы равно 5, поэтому проведем расчет:

\[\triangle U=\frac{i}{2}\frac{m}{\mu }R\triangle T=\frac{5}{2}\cdot \frac{1}{28\cdot {10}^{-3}}\cdot 8,31\cdot 100=7,42\cdot {10}^4\left(Дж\right).\]

По первому началу термодинамики для изохорного процесса получаем:

\[\triangle Q=\triangle U\left(2.3\right).\]

Можем записать ответ.

Ответ: Изменение внутренней энергии в изохорном процессе при заданных условиях равно $7,42\cdot {10}^4$Дж, работа газа равна нулю, количество теплоты подводимое к газ равно $7,42\cdot {10}^4$Дж.

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 .

Есливсе 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.

Биомедицинская значимость темы

Термодинамика представляет собой раздел физической химии, изучающий любые макроскопические системы, изменения состояния которых связано с передачей энергии в форме теплоты и работы.

Химическая термодинамика является теоретической основой биоэнергетики – науки о превращениях энергии в живых организмах и специфических особенностях превращения одних видов энергии в другие в процессе жизнедеятельности. В живом организме существует тесная взаимосвязь между процессами обмена веществ и энергии. Обмен веществ является источником энергии всех жизненных процессов. Осуществление любых физиологических функций (движение, поддержание постоянства температуры тела, выделение пищеварительных соков, синтез в организме различных сложных веществ из более простых и т.п.) требует затраты энергии. Источником всех видов энергии в организме являются питательные вещества (белки, жиры, углеводы), потенциальная химическая энергия которых в процессе обмена веществ превращается в другие виды энергии. Основным путем освобождения химической энергии, необходимой для поддержания жизнедеятельности организма и осуществления физиологических функций, являются окислительные процессы.

Химическая термодинамика позволяет установить связь между энергетическими затратами при выполнении человеком определенной работы и калорийностью питательных веществ, дает возможность понять энергетическую сущность биосинтетических процессов, протекающих за счет энергии, высвобождаемой при окислении питательных веществ.

Знание стандартных термодинамических величин относительно небольшого числа соединений позволяет производить термохимические расчеты для энергетической характеристики различных биохимических процессов.

Применение термодинамических методов дает возможность количественно оценить энергетику структурных превращений белков, нуклеиновых кислот, липидов и биологических мембран.

В практической деятельности врача термодинамические методы наиболее широко используются для определения интенсивности основного обмена при различных физиологических и патологических состояниях организма, а также для определения калорийности пищевых продуктов.

Задачи химической термодинамики

1. Определение энергетических эффектов химических и физико–химических процессов.

2. Установление критериев самопроизвольного протекания химических и физико–химических процессов.

3. Установление критериев равновесного состояния термодинамических систем.

Основные понятия и определения

Термодинамическая система

Тело или группа тел, отделенных от окружающей среды реальной или воображаемой поверхностью раздела, называют термодинамической системой.

В зависимости от способности системы обмениваться с окружающей средой энергией и веществом различают изолированные, закрытые и открытые системы.

Изолированной системой называют систему, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Систему, которая обменивается с окружающей средой энергией и не обменивается веществом, называют закрытой .

Открытой системой называют систему, обменивающуюся с окружающей средой и веществом, и энергией.

Состояние системы, стандартное состояние

Состояние системы определяется совокупностью ее физических и химических свойств. Каждое состояние системы характеризуется определенными величинами этих свойств. Если эти свойства изменяются, то изменяется и состояние системы, если же свойства системы не изменяются со временем, то система находится в состоянии равновесия.

Для сравнения свойств термодинамических систем необходимо точно указать их состояние. С этой целью введено понятие – стандартное состояние, за которое для индивидуальной жидкости или твердого тела принимается такое физическое состояние, в котором они существуют при давлении в 1 атм (101315 Па) и данной температуре.

Для газов и паров стандартное состояние отвечает гипотетическому состоянию, в котором газ при давлении в 1 атм подчиняется законам идеальных газов, при данной температуре.

Величины, относящиеся к стандартному состоянию, пишутся с индексом «о» и нижним индексом указывается температура, чаще всего это 298К.

Уравнение состояния

Уравнение, устанавливающее функциональную зависимость между величинами свойств, определяющих состояние системы, называют уравнением состояния.

Если известно уравнение состояния системы, то для описания ее состояния не обязательно знать численные значения всех свойств системы. Так, например, уравнение Клапейрона–Менделеева является уравнением состояния идеального газа:

где Р – давление, V – объем, n – число молей идеального газа, Т – его абсолютная температура и R– универсальная газовая постоянная.

Из уравнения следует, что для определения состояния идеального газа достаточно знать численные значения любых трех из четырех величин Р,V,n,T.

Функции состояния

Свойства, величины которых при переходе системы из одного состояния в другое зависят только от начального и конечного состояния системы и не зависят от пути перехода, получили название функций состояния. К ним относятся, например, давление, объем, температура системы.

Процессы

Переход системы из одного состояния в другое называют процессом. В зависимости от условий протекания различают следующие виды процессов.

Круговой или циклический – процесс, в результате протекания которого, система возвращается в исходное состояние. По завершении кругового процесса изменения любой функции состояния системы равны нулю.

Изотермический – процесс, протекающий при постоянной температуре.

Изобарный – процесс, протекающий при постоянном давлении.

Изохорный – процесс, при котором объем системы остается постоянным.

Адиабатический – процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой.

Равновесный – процесс, рассматриваемый как непрерывный ряд равновесных состояний системы.

Неравновесный – процесс, при котором система проходит через неравновесные состояния.

Обратимый термодинамический процесс – процесс, после которого система и взаимодействующие с ней системы (окружающая среда) могут возвратиться в начальное состояние.

Необратимый термодинамический процесс – процесс, после которого система и взаимодействующие с ней системы (окружающая среда) не могут возвратиться в начальное состояние.

Более подробно последние понятия рассмотрены в разделе «Термодинамика химического равновесия».

Процесс (лат. processus – продвижение) – последовательная смена во времени явлений, событий, состояний, либо множество последовательных действий, направленных на достижение какого – либо конечного результата (цели).

Переменные (координаты) процесса – это наиболее существенные параметры, характеризующие состояние процесса и изменяющие свои значения во времени: { xi(t) } = X(t).

Состояние процесса в момент времени tk - это множество значений переменных в этот момент времени: {xi(tk)}, где tk ∈T, T – множество моментов времени

В каждый момент времени t∈T система S получает некоторое множество входных воздействий U(t) и порождает некоторую выходную величину Y(t). В общем случае значение выходной величины системы зависит как от текущего значения входного воздействия, так и от предыстории этого воздействия. (Например, система в момент воздействия была или в состоянии покоя, или же находилась в движении из–за действия предыдущих входных величин). Чтобы не различать эти два случая, лучше говорить, что текущее значение выходной величины y(t) системы S зависит от состояния системы. Состояние системы описывается системой уравнений

Состояние системы – это есть некоторая (внутренняя) характеристика системы {xi} , значение которой в настоящий момент времени определяет текущее значение выходной величины {Yj} и оказывает влияние на её будущее.

При этом знание состояния x(t₁) и отрезка входных воздействий ω=ω(t₁,t₂) должно быть необходимым и достаточным условием, позволяющим определить состояние x(t₂) = ϕ(t₂;t₁,x(t₁),ω) каждый раз, когда t₁

Пара (τ, x), где τ∈Т и x∈X называется событием /фазой/ системы.

Множество T х X – пространство событий /фазовое пространство/ системы.

Иногда фазовое пространство называется пространством состояний. Переходная функция состоянийϕ (её график в пространстве событий) называется несколькими эквивалентными терминами: движением, траекторией, орбитой, потоком, решением дифференциального уравнения, кривой решения и т.д. Говорят, что входное воздействие (или управление ω) переводит (переносит, изменяет, преобразует) состояние x(t 1) /или событие (t 1 , x)/ в состояние x(t 2) = j(t 2 ; t 1 , x(t 1), ω) /или в событие (t 2 ,ϕ(t 2 ; t 1 , x(t 1), ω)) /. Говоря о движении системы S , имеют в виду функцию состояния ϕ .