Einführung in thermodynamische Systeme PDF

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Einführung in thermodynamische Systeme Ein thermodynamisches System beinhaltet alles, dessen thermodynamische Eigenschaften von Interesse sind. Es ist eingebettet in seine Umgebung oder Umgebung; Es kann Wärme mit seiner Umwelt austauschen und daran arbeiten, indem es eine Grenze bildet, die die imaginäre Wand ist, die das System und die Umwelt trennt.

In Wirklichkeit interagieren die unmittelbaren Umgebungen des Systems direkt mit ihm und haben daher einen viel stärkeren Einfluss auf sein Verhalten und seine Eigenschaften. Zum Beispiel, wenn wir einen Automotor studieren, ist das brennende Benzin innerhalb des Zylinders des Motors das thermodynamische System; der Kolben, die Abgasanlage, der Kühler und die Luft außerhalb bilden die Umgebung des Systems. Die Grenze besteht dann aus den Innenflächen von Zylinder und Kolben.

Normalerweise muss ein System einige Interaktionen mit seiner Umgebung haben. Ein System wird als isoliertes oder geschlossenes System bezeichnet, wenn es vollständig von seiner Umgebung getrennt ist - beispielsweise ein Gas, das von unbeweglichen und thermisch isolierenden Wänden umgeben ist.

In Wirklichkeit existiert ein geschlossenes System nicht, es sei denn, das gesamte Universum wird als das System behandelt, oder es wird als ein Modell für ein tatsächliches System verwendet, das minimale 1

Interaktionen mit seiner Umgebung aufweist. Die meisten Systeme sind als offenes System bekannt, das Energie und / oder Materie mit seiner Umgebung austauschen kann

Wenn wir ein thermodynamisches System untersuchen, ignorieren wir den Unterschied im Verhalten von Ort zu Ort innerhalb des Systems für einen gegebenen Moment. Mit anderen Worten, wir konzentrieren uns auf die makroskopischen Eigenschaften des Systems, die die Mittelwerte der mikroskopischen Eigenschaften aller Moleküle oder Entitäten im System sind. Jedes thermodynamische System wird daher als ein Kontinuum behandelt, das überall das gleiche Verhalten hat.

Wir gehen davon aus, dass das System im Gleichgewicht ist. Sie könnten zum Beispiel einen Temperaturgradienten über das System haben. Wenn wir jedoch ein thermodynamisches System in diesem Kapitel diskutieren, untersuchen wir diejenigen, die im gesamten System einheitliche Eigenschaften haben.

Bevor wir eine Studie über ein thermodynamisches System durchführen können, brauchen wir eine grundlegende Charakterisierung des Systems. Als wir ein mechanisches System untersuchten, konzentrierten wir uns auf die Kräfte und Drehmomente des Systems, und ihr Gleichgewicht diktierte das mechanische Gleichgewicht des Systems. In ähnlicher Weise sollten wir den Wärmeübergang zwischen einem thermodynamischen System und seiner Umgebung oder zwischen den verschiedenen Teilen des Systems untersuchen, und sein Gleichgewicht sollte das thermische Gleichgewicht des Systems bestimmen.

Intuitiv wird ein solches Gleichgewicht erreicht, wenn die Temperatur für verschiedene Objekte oder Teile des Systems in thermischem Kontakt gleich wird und die Nettowärmeübertragung im Laufe der Zeit zu Null wird.

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Wenn wir also sagen, dass zwei Objekte (ein thermodynamisches System und seine Umgebung zum Beispiel) im thermischen Gleichgewicht sind, meinen wir, dass sie auf der gleichen Temperatur sind, wie wir es in Temperatur und Wärme besprochen haben. Betrachten wir drei Objekte bei den Temperaturen T1, T2 und T3. Woher wissen wir, ob sie sich im thermischen Gleichgewicht befinden? Das maßgebende Prinzip ist hier der Nullpunkt der Thermodynamik, wie er in Temperatur und Wärme bei Temperatur und Wärme beschrieben wird:

Wenn sich das Objekt 1 im thermischen Gleichgewicht mit den Objekten 2 bzw. 3 befindet, müssen sich auch die Objekte 2 und 3 im thermischen Gleichgewicht befinden.

Mathematisch können wir einfach das nullte Gesetz der Thermodynamik schreiben Ob T1 = T2 und T1 = T3, dann T2 = T3.

Dies ist die grundlegendste Art, Temperatur zu definieren: Zwei Objekte müssen thermodynamisch die gleiche Temperatur haben, wenn die Nettowärmeübertragung zwischen ihnen Null ist, wenn sie in thermischen Kontakt gebracht werden und ein thermisches Gleichgewicht erreicht haben. Das nullte Gesetz der Thermodynamik gilt gleichermaßen für die verschiedenen Teile eines geschlossenen Systems und erfordert, dass die Temperatur überall im System gleich ist, wenn das System ein thermisches Gleichgewicht erreicht hat. Um unsere Diskussion zu vereinfachen, gehen wir davon aus, dass das System mit nur einem Materialtyp einheitlich ist - zum Beispiel Wasser in einem Tank. Zu den messbaren Eigenschaften des Systems gehören mindestens Volumen, Druck und Temperatur. Der Bereich spezifischer relevanter Variablen 3

hängt vom System ab. Zum Beispiel wären für ein gedehntes Gummiband die relevanten Variablen Länge, Spannung und Temperatur. Die Beziehung zwischen diesen drei Grundeigenschaften des Systems wird als Zustandsgleichung des Systems bezeichnet und symbolisch für ein geschlossenes System als geschrieben f (p, V, T) = 0,

wobei V, p und T das Volumen, der Druck und die Temperatur des Systems bei einer gegebenen Bedingung sind. Im Prinzip existiert diese Zustandsgleichung für jedes thermodynamische System, ist jedoch nicht immer ohne weiteres verfügbar. Die Formen von f (p, V, T) = 0 für viele Materialien wurden entweder experimentell oder theoretisch bestimmt. Im vorigen Kapitel sahen wir ein Beispiel für eine Zustandsgleichung für ein ideales Gas, f (p, V, T) = pV-nRT = 0.

Wir haben bisher einige physikalische Eigenschaften eingeführt, die für die Thermodynamik eines thermodynamischen Systems relevant sind, wie Volumen, Druck und Temperatur. Wir können diese Mengen in zwei generische Kategorien unterteilen.

Die Menge, die mit einer Menge an Materie verbunden ist, ist eine umfangreiche Variable, wie das Volumen und die Anzahl der Mole.

Die anderen Eigenschaften eines Systems sind intensive Variablen wie Druck und Temperatur. Eine umfangreiche Variable verdoppelt ihren Wert, wenn sich die Menge an Materie im System verdoppelt, vorausgesetzt, dass alle intensiven Variablen gleich bleiben. Zum Beispiel verdoppelt sich das Volumen oder die Gesamtenergie des Systems, wenn wir die 4

Menge an Materie im System verdoppeln, während die Temperatur und der Druck des Systems unverändert bleiben.

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