Термодинамические системы
Термодинамическая система — это часть пространства с веществом, ограниченная реальными или воображаемыми границами, которую выделяют для анализа обмена энергией с окружающей средой. Системы бывают открытые — обмениваются с окружающей средой и веществом, и энергией, закрытые — только энергией, и изолированные — не обмениваются ничем.
Термодинамическая система — это процесс или среда, которая используется при анализе передачи энергии. Термодинамическая система — это любая зона или пространство, ограниченное действительными или воображаемыми границами, выбранными для анализа энергии и ее преобразования. Границы ее могут быть неподвижными или подвижными.
Границы системы и среда
Газ в металлическом сосуде является примером системы с неподвижными границами. Если необходимо проанализировать газ в баллоне для хладагента, стенки сосуда — это неподвижные границы. Если необходимо проанализировать воздух в воздушном шаре, поверхность воздушного шара — подвижная граница. Если нагреть воздух в воздушном шаре, эластичные стенки шарика растягиваются, и граница системы меняется с расширением газа.
Пространство, смежное с границей, называется средой. У всех термодинамических систем есть среда, которая может являться источником теплоты или забирать ее. Среда может также проделать работу над системой или испытывать на себе работу системы.
Системы могут быть большими или маленькими, в зависимости от границ. Например, система может охватывать всю холодильную систему или газ в одном из цилиндров компрессора. Она может существовать в вакууме или может содержать несколько фаз одного или более веществ. Следовательно, действительные системы могут содержать сухой воздух и водяной пар (два вещества) или воду и водяной пар (две стадии одного и того же вещества). Однородная система состоит из одного вещества, одной его фазы или однородной смеси нескольких компонентов.
Замкнутые и открытые системы
Системы бывают замкнутыми или открытыми. В замкнутой только энергия пересекает ее границы. Следовательно, теплота может переходить через границы замкнутой системы в среду или из среды в систему.
В открытой системе и энергия, и масса могут переходить из системы в среду и обратно. При анализе насосов и теплообменников необходима открытая система, так как жидкости должны пересекать границы при анализе. Если массовый расход открытой системы устойчивый и однородный, то ее называют открытой системой с постоянным расходом. Массовый расход показывает, открыта или закрыта она.
Состояние системы и равновесие
Состояние термодинамической системы определяется физическими свойствами вещества. Температура, давление, объем, внутренняя энергия, энтальпия и энтропия — это свойства, определяющие состояние, при котором существует вещество. Так как состояние системы — это состояние равновесия, его можно определить, только когда свойства системы стабилизированы и больше не изменяются.
Другими словами, состояние системы можно описать, когда она находится в состоянии равновесия с окружающей средой.
Виды термодинамических систем
Виды термодинамических систем различают по тому, чем система обменивается с окружающей средой. Это определяет, какие уравнения баланса к ней применять: для закрытой хватает баланса энергии, для открытой нужен ещё баланс массы, а энтальпия потоков становится главной величиной.
| Система | Обмен с окружением | Пример |
|---|---|---|
| Открытая | Веществом и энергией | Работающий компрессор, теплообменник, градирня |
| Закрытая (замкнутая) | Только энергией | Холодильный контур в целом, закрытый баллон, газ в цилиндре под поршнем |
| Изолированная | Ничем | Приближённо — термос, хорошо утеплённая ёмкость на короткое время |
| Адиабатная | Нет теплообмена, но возможна работа | Быстрое сжатие газа в компрессоре |
Замкнутая система в термодинамике
Замкнутая система в термодинамике — то же, что закрытая: её масса постоянна, вещество через границу не проходит, но тепло и работа проходят. Холодильный контур чиллера — хороший пример: хладагент циркулирует внутри и не уходит наружу, а через стенки теплообменников система получает тепло от воды, отдаёт его воздуху и получает работу от компрессора. Если же рассматривать один компрессор, он уже открытая система: хладагент входит и выходит через патрубки.
Закрытая термодинамическая система — это и сосуд с газом, который нагревают снаружи: газ получает тепло, давление растёт, а количество вещества не меняется. Как в такой системе связаны давление, объём и температура — в статье идеальный газ.
Частые вопросы
Термодинамическая система это что?
Выделенная для анализа часть пространства с веществом — например, газ в баллоне или хладагент в контуре холодильной машины. Всё за её границами называется окружающей средой.
Что называют термодинамической системой открытой и закрытой?
Открытая система обменивается с окружающей средой веществом и энергией (компрессор, теплообменник с потоком), закрытая — только энергией (газ в закрытом баллоне), изолированная — ни тем, ни другим.
Замкнутая система в термодинамике — это какая?
Система, которая обменивается с окружающей средой теплом и работой, но не веществом: её масса постоянна. Термины «замкнутая» и «закрытая» система в термодинамике означают одно и то же.
Читайте также
Конечно же, не может. Не путайте понятия, если их определения чем-то и похожи, то это не говорит об их равнозначности.