8.1: Термодинамічні властивості

Last updated
Save as PDF

Page ID: 29562

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Контейнер з повітрям фіксованої маси, обмежений об'ємом, зберігає енергію. Ми можемо зменшити обсяг повітря. Цей процес вимагає енергії, а скорочений обсяг повітря зберігає більше енергії. Ми можемо збільшити тиск газу, наприклад, надаючи силу на поршень, всередині якого повітря обмежено. Цей процес вимагає енергії, а повітря під тиском зберігає більше енергії. Ми можемо взяти фіксований об'єм повітря і нагріти його теж. Для нагрівання повітря потрібна енергія, а більш гаряче повітря зберігає більше енергії. Аналогічно ми можемо струсити ємність з повітрям. Знову ж таки, цей процес вимагає енергії, а енергія від струшування зберігається у внутрішній енергії, випадковому русі, молекул повітря.

Щоб говорити про термодинамічне перетворення енергії, нам потрібно визначити чотири основні властивості системи: об'єм, тиск, температуру та ентропію. Всі ці властивості залежать від поточного стану, а не від минулої історії зразка. Ці властивості можна класифікувати як інтенсивні або екстенсивні [2, с. 10]. Інтенсивне властивість не залежить від розміру або протяжності матеріалу. Велике властивість залежить від розміру або протяжності [2, стор. 10].

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Коефіцієнти перерахунку одиниць тиску [68].
Одиниці для тиску
1\(\frac{N}{m^2}\) = 1 Па
1 бар =\(10^5\) Па
1 мм рт.ст = 133.322 Па
1 атм = 101 325 Па
1 фунтів =\(6.894757 \cdot 10^3\) Па

Обсяг\(\mathbb{V}\) - це велика властивість вимірюється в літрах\(m^3\) або де\(1 L = 0.001 m^3\). Тиск\(\mathbb{P}\) - це інтенсивне властивість, виміряна в одиницях СІ паскалів, де 1 Па =\(1\frac{N}{m^2}\). Тиск також вимірюється в широкому спектрі інших, не-SI, одиниць, таких як бари, міліметри ртутного стовпа або стандартні атмосфери, як зазначено в табл\(\PageIndex{1}\). Заходи тиску часто задаються в порівнянні з мінімально можливим тиском, повного вакууму, і такі вимірювання тиску називаються вимірюваннями абсолютного тиску [102, с. 15-17]. У деяких випадках значення задаються як різниця вище місцевого атмосферного тиску, і ці вимірювання називаються вимірюваннями манометричного тиску [102, стор. 15-17]. В інших випадках значення задаються як різниця нижче місцевого атмосферного тиску, і ці вимірювання називаються вакуумними вимірюваннями тиску [102, с. 15-17]. Якщо не вказано інше, термін тиск у цьому тексті стосується абсолютного тиску, а не манометра або вакуумного тиску.

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Термодинамічні властивості.
Символ	Кількість	Одиниця	Виход/INT
\(\mathbb{V}\)	Обсяг	\(m^3\)	Обширний
\(\mathbb{P}\)	Тиск	Па	Інтенсивний
\(S\)	Температура	К	Інтенсивний
\(T\)	Ентропія	\(\frac{J}{K}\)	Обширний

Таблиця\(\PageIndex{3}\): Значення константи Больцмана, молярної константи газу та константи Авогадро.
Символ	Ім'я	Значення та одиниця
\(k_B\)	константа Больцмана	\(1.381 \cdot 10^{-23} \frac{J}{K}\)
\(\mathbb{R}\)	Постійна молярний газ	\(8.314 \frac{J}{mol \cdot K}\)
\(N_a\)	Постійна Авогадро	\(6.022 \cdot 10^{23} \frac{1}{mol}\)

Температура\(T\) - це інтенсивне властивість, що вимірюється або в одиницях СІ градусів Цельсія або Кельвінів. За визначенням ми можемо співвідносити дві одиниці по

\[T_{\left[^{\circ} \mathrm{C}\right]}=T_{[\mathrm{K}]}-273.15 \nonumber \]

[68]. Ми також можемо виміряти температуру в не-SI одиниці градусів за Фаренгейтом. Температура в градусах Цельсія і температура в градусах Фаренгейта пов'язані

\[T_{[^{\circ} \mathrm{C}]} = \left( \frac{T_{[^{\circ} \mathrm{F}]} - 32}{1.8} \right) . \nonumber \]

Як і при вимірюванні абсолютного тиску, температура в кельвінів, як кажуть, вимірюється за абсолютною шкалою температури, оскільки найнижча можлива температура задається нульовим кельвіном. Всі температури або абсолютний нуль, або мають позитивні значення. Ми використовуємо термін температура для опису властивості системи. Ми використовуємо термін теплопередача для опису процесу передачі енергії від гарячого до холодного об'єкта. Ентропія\(S\) вимірюється в одиницях\(\frac{J}{K}\), і це велика властивість. Інтуїтивно ентропія - це міра відсутності порядку або організації того чи іншого матеріалу. Атоми в аморфному матеріалі менш впорядковані, ніж атоми в кристалі того ж складу, тому аморфний матеріал має більше ентропії.

Будуть потрібні деякі подальші визначення. Символ\(\mathbb{N}\) представляє кількість атомів або молекул речовини. Хоча це зазвичай не вважається фундаментальною термодинамічною властивістю, це корисна властивість зразка. Іноді він вказується в одиницях молів, а не кількістю атомів або молекул. Константа Авогадро

\[N_a = 6.022 \cdot 10^{23} \frac{1}{mol} \nonumber \]

є константою, яка використовується для перетворення числа, заданого в число на моль. Постійна молярного газу становить

\[\mathbb{R} = 8.314 \frac{J}{mol \cdot K}. \nonumber \]

Константа Больцмана - це

\[k_B = 1.381 \cdot 10^{-23} \frac{J}{K}. \nonumber \]

Ці три константи пов'язані

\[k_B = \frac{\mathbb{R}}{N_a}. \nonumber \]